專利名稱：電解質(zhì)組成物及使用其的染料敏化太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種電解質(zhì)組成物，特別是一種適用于染料敏化太陽能電池 (Dye-Sensitized Solar Cell, DSC)的電解質(zhì)組成物。
背景技術(shù)：
隨著人類文明發(fā)展，全球面臨嚴重的能源危機及環(huán)境污染等問題。其中，以能將太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能的光電太陽能電池，為解決全世界能源危機及降低環(huán)境污染的重要方法之一。在太陽能電池中，因染料敏化太陽能電池其制造成本低、可制成大面積、具可撓性、 具透光性而可用于建筑物上等優(yōu)異特性，逐漸成為一種極具有前景的新型太陽能電池。近年，GrStzel等人發(fā)表一系列染料敏化太陽能電池相關(guān)文獻(例如0’ Regan,B.； GratzeljM. Nature 1991，353，737)，顯示染料敏化太陽能電池具有實用性。一般而言，染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)包括有陰/陽電極、納米二氧化鈦、染料及電解質(zhì)；其中，電解質(zhì)對電池效率有關(guān)鍵性的影響。在染料敏化太陽能電池中，理想的電解質(zhì)必須具備有不易揮發(fā)、 不易泄漏、易于封裝、不易破壞染料及其它成份等特性。液態(tài)電解質(zhì)是目前所知光電轉(zhuǎn)換效率較高的電解質(zhì)，一般而言，其有易揮發(fā)、 易泄漏及不易封裝等缺點。為了解決上述問題，人們嘗試了許多方法，例如離子液體 (N. Papageorgiou et al. , J. Electrochem. Soc, 1996, 143, 3099)；由聚合物及有機溶解鹽所組成的膠體電解質(zhì)(U. S. Pat. No. 6245847)。由于染料敏化太陽能電池中的電解質(zhì)對電池效率有關(guān)鍵性的影響。因此，尋找可以提高染料敏化太陽能電池效率的電解質(zhì)，是改善染料敏化太陽能電池效率的重要方法之

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電解質(zhì)組成物，其適用于染料敏化太陽能電池。由于本發(fā)明的電解質(zhì)組成物為膠態(tài)，具有優(yōu)良的光電轉(zhuǎn)換效率及長效穩(wěn)定性，使得利用本發(fā)明的膠態(tài)電解質(zhì)組成物所制作的染料敏化太陽能電池具有優(yōu)異的光電性質(zhì)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種染料敏化太陽能電池，其有較高的光電效率。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的電解質(zhì)組成物，其包括(a)有機胺碘酸鹽、金屬碘化物、咪唑鹽或其組合，其重量百分比為2 30% ；(b)碘，其重量百分比為1 5% ；(c)硫氰酸胍(Guanidine thiocyanate, GuNCS)，其重量百分比為 0. 5 3% ；(d)苯并咪唑衍生物(benzimidazole derivatives)、吡啶衍生物(pyridine derivatives)或其組合，其重量百分比為2 10% ；以及(e)聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)及碳酸丙烯酯(Propylene carbonate, PC)，其重量百分比為52 94. 5%。較佳的，組成份(a)的重量百分比為5 20% ；組成份(b)的重量百分比為1 3% ；組成份(c)的重量百分比為0. 5 2% ；組成份(d)的重量百分比為5 10% ；且組成份(e)的重量百分比65 88. 5%。最佳的，組成份(a)的重量百分比為13. 9% ；組成份(b)的重量百分比為2. 1% ； 組成份(c)的重量百分比為；組成份(d)的重量百分比為7. 2% ；且組成份(e)的重量百分比75. 8%。上述的組成份(a)的有機胺碘酸鹽可為三乙胺碘酸鹽(Triethylamine hydroiodide, THI)、三丙胺碘酸鹽(Tripropylamine hydriodide)、三丁胺碘酸鹽 (Tributylamine hydriodide)、三戊胺碘酸鹽(Tripentylamine hydriodide)、三己胺碘酸鹽(Trihexylamine hydriodide)、或其混合物；較佳為，三乙胺碘酸鹽、三丙胺碘酸鹽、三丁胺碘酸鹽、或其混合物；最佳為，三乙胺碘酸鹽。上述的組成份(a)的金屬碘化物可為碘化鉀(Potassium iodide)、碘化鋰 (Lithium iodide)、碘化鈉(Sodium iodide)、或其混合物；較佳為，碘化鋰、碘化鈉、或其混合物。上述的組成份(a)的咪唑鹽可為1-甲基-3-丙基碘化咪唑
嗡(1-Methyl-3-propylimidazolium iodide， PMII)、1，3-一甲基碘化咪唑嗡(1,3-Dimethylimidazolium iodide)>1-甲基-3--乙基碘化咪唑嗡(1-Methy1-3-ethylimidazolium iodide)、1_ 甲基--3-r基碘化咪唑嗡(1-Methyl-3-butylimidazolium iodide)>1-甲基--3-戊基碘化咪唑嗡(1-Methy1-3-pentyl-imidazolium iodide)、1_甲基-3-己基碘化咪唑口翁(I-Methyl-3-hexylimidazolium iodide)、1_甲基-3-庚基碘化咪唑口翁(l~Methy1-3-heptylimidazolium iodide)、1_甲基-3-辛基碘化咪唑嗡(l-Methyl-3-octylimidazolium iodide)、1，3--~-乙基碘化咪唑嗡(1,3-Diethylimidazolium iodide),1-乙基-3-.丙基碘化咪唑嗡(1-Ethy1-3-propylimidazolium iodide)、1_乙基-3-丁基碘化咪唑口翁(l-Ethyl-3-butylimidazolium iodide)、1,3--~-丙基碘化咪唑嗡(1, 3-Propylimidazolium iodide)>1-丙基-3- 丁基碘化咪唑嗡
(l-Propyl-3-butylimidazolium iodide)、或其混合物；較佳為，1_甲基_3_丙基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-乙基碘化咪唑嗡、1-甲基-3- 丁基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-戊基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-己基碘化咪唑嗡、1，3- 二乙基碘化咪唑嗡、1-乙基-3-丙基碘化咪唑嗡、 1-乙基-3- 丁基碘化咪唑嗡、1，3- 二丙基碘化咪唑嗡、1-丙基-3- 丁基碘化咪唑嗡、或其混合物；更佳為，1-甲基-3-丙基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-乙基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-丁基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-戊基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-己基碘化咪唑嗡、1，3- 二乙基碘化咪唑嗡、1-乙基-3-丙基碘化咪唑嗡、1-乙基-3- 丁基碘化咪唑嗡、或其混合物；最佳為， 1-甲基-3-丙基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-乙基碘化咪唑嗡、1-甲基-3- 丁基碘化咪唑嗡、 1-甲基-3-戊基碘化咪唑嗡、1，3- 二乙基碘化咪唑嗡、1-乙基-3-丙基碘化咪唑嗡、或其混合物。 上述的組成份(d)的苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其組合可為N-甲基苯并咪唑 (N-Methylbenzimidazole, NMBI)、N_ 丁基苯并咪唑(N-Butylbenzimidazole，NBB)、叔丁基吡啶 0-tert-Butylpyridine，4-TBP)、或其組合。
上述的組成份(e)的聚乙二醇及碳酸丙烯酯，其聚乙二醇/碳酸丙烯酯的重量比可為20/80至40/60 ；較佳為，聚乙二醇/碳酸丙烯酯的重量比為25/75至35/65。另一方面，本發(fā)明提供的染料敏化太陽能電池，其含有上述的電解質(zhì)組成物。本發(fā)明的染料敏化太陽能電池，包括一含有染料化合物的光電陽極(photoanode)；一陰極(cathode)；以及位于光電陽極及陰極之間的電解質(zhì)層(electrolyte layer)，其包括上述的電解質(zhì)組成物。于本發(fā)明的染料敏化太陽能電池中，光電陽極包括有透明基板、透明導(dǎo)電膜、多孔性半導(dǎo)體膜、以及染料化合物。于本發(fā)明的染料敏化太陽能電池中，光電陽極的透明基板的材質(zhì)并無特別限制， 只要是透明的基材均可使用。較佳地，透明基板的材質(zhì)為對于由染料敏化太陽能電池外部侵入的水分或氣體具有良好的遮斷性、耐溶劑性、耐候性等的透明基材。透明基板的具體列舉，包括有石英、玻璃等透明無機基板；聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚(萘二甲酸乙二酯)(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亞胺(PI)等透明塑料基板，但是，并非限定于這些。此外，透明基板的厚度并無特別限制，可依照透光率、染料敏化太陽能電池特性要求而自由選擇。較佳的，透明基板的材質(zhì)為玻璃。此外，于本發(fā)明的染料敏化太陽能電池中，透明導(dǎo)電膜的材料可為氧化銦錫 (ITO)、氟摻雜的氧化錫(FTO)、氧化鋅-三氧化二鎵(ZnO-Ga2O3)、氧化鋅-三氧化二鋁 (ZnO-Al2O3)、或以錫為基礎(chǔ)的氧化物材料。再者，于本發(fā)明的染料敏化太陽能電池中，多孔性半導(dǎo)體膜可用半導(dǎo)體微粒所制成。適當?shù)陌雽?dǎo)體微?？砂ü琛⒍趸?、二氧化錫、氧化鋅、三氧化鎢、五氧化二鈮、三氧化鈦鍶、及其組合；較佳的，半導(dǎo)體微粒是二氧化鈦。半導(dǎo)體微粒的平均粒徑為5至500 納米，較佳的為10至50納米。多孔性半導(dǎo)體膜的厚度為5 25微米。此外，作為染料敏化太陽能電池的陰極材料并無特別限制，可包括任何具有傳導(dǎo)性的材料?；蛘?，陰極材料也可以是一絶緣材料，只要有傳導(dǎo)層形成于朝向光電陽極的表面上。電化學(xué)穏定的物質(zhì)就可作為陰極，且適用于陰極材料的非限制實例包括鉬、金、碳、及其相似物。再者，作為染料敏化太陽能電池的電解質(zhì)層為本發(fā)明的電解質(zhì)組成物。
具體實施例方式將金屬碘鹽GnLiI，NaI，KI...等)、有機胺碘鹽(如THI，TEAI...等)與碘化咪唑嗡(如ΡΜΙΙ,ΕΜΙΙ...等)單獨使用或相互搭配，并加入N-丁基苯并咪唑(或N-甲基苯并咪唑或叔丁基吡啶)與硫氰酸胍，再以20wt% 40wt%的聚乙二醇(PEG)以及80wt% 60wt%的碳酸丙烯酯(PC)膠體溶劑為基底，配制成適當濃度的電解質(zhì)組成物。本發(fā)明的染料敏化太陽能電池的制造方法并無特別限制，可用一般已知的方法制造。透明基板的材質(zhì)并無特別限制，只要是透明的基材均可使用。較佳地，透明基板的材質(zhì)為對于由染料敏化太陽能電池外部侵入的水分或氣體具有良好的遮斷性、耐溶劑性、耐候性等的透明基材，具體列舉，有石英、玻璃等透明無機基板，聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)、聚(萘二甲酸乙二酯)(PEN)、聚碳酸酯(PC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚酰亞胺 (PI)等透明塑料基板，但是，并非限定于這些。透明基板的厚度并無特別限制，可以藉由透光率、染料敏化太陽能電池特性要求而自由選擇。在一具體實例中，透明基板是使用玻璃基板。透明導(dǎo)電膜的材料可以選自氧化銦錫(ITO)、氟摻雜的氧化錫(FTO)、氧化鋅-三氧化二鎵(ZnO-Ga2O3)、氧化鋅-三氧化二鋁(ZnO-Al2O3)、以及錫為基礎(chǔ)的氧化物材料。在一具體實例中，透明導(dǎo)電膜是使用氟摻雜的氧化錫。多孔性半導(dǎo)體膜是用半導(dǎo)體微粒所制成。適當?shù)陌雽?dǎo)體微粒包括有硅、二氧化鈦、 二氧化錫、氧化鋅、三氧化鎢、五氧化二鈮、三氧化鈦鍶及其組合。首先，先將半導(dǎo)體微粒配制成糊狀物，再將其涂布到透明導(dǎo)電基板上，涂布方法可用刮墨刀、網(wǎng)印、旋轉(zhuǎn)涂布、噴灑等或一般濕式涂布。此外，為了得到適當?shù)哪ず瘢梢酝坎家淮位蚨啻?。半?dǎo)體膜層可以為單層或多層，多層是指各層使用不同粒徑的半導(dǎo)體微粒。例如，可先涂布粒徑為5至50納米的半導(dǎo)體微粒，其涂布厚度為5至20微米，然后再涂布粒徑為200至400納米的半導(dǎo)體微粒，其涂布厚度為3至5微米。然后在50至100°C干燥后，再于400至500°C燒結(jié)30分鐘， 可制得一多層半導(dǎo)體膜層。染料化合物(例如、N719)可以溶于適當?shù)娜軇┡渲瞥扇玖先芤?。適當?shù)娜軇┌ㄓ幸译?、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或其混合物，但是，并非限定于這些。在此，將涂布有半導(dǎo)體膜的透明基板浸泡到染料溶液中，讓其充分吸收染料溶液中的染料，并于染料吸收完成后取出干燥，可制得一染料敏化太陽能電池的光電陽極。作為陰極的材料并無特別限制，可包括任何具有傳導(dǎo)性的材料?；蛘撸帢O材料也可以是一絶緣材料，只要有傳導(dǎo)層形成于朝向光電陽極的表面上。此外，電化學(xué)穏定的物質(zhì)就可作為陰極，且適用于陰極材料的非限制實例包括鉬、金、碳、及其相似物。電解質(zhì)層使用本發(fā)明的電解質(zhì)組成物。本發(fā)明的染料敏化太陽能電池一具體制造方式如下。首先，將包括具有粒徑為20 30納米的氧化鈦微粒的糊狀物，由一次或數(shù)次的網(wǎng)印涂布在覆蓋有氟摻雜的氧化錫(FTO)玻璃板上，而后在450°C燒結(jié)30分鐘。將染料化合物溶于乙腈(Acetonitrile)及三級-丁醇(t-Butanol)的混合液 (1 lv/v)中，配成染料溶液。接著，將上述含有多孔氧化鈦膜的玻璃板浸泡在染料溶液中，讓其吸收染料溶液中的染料后，取出干燥即可得到一光電陽極(photoanode)。將覆蓋有氟摻雜的氧化錫玻璃板鉆一直徑為0. 75毫米的注入口，以備注入電解質(zhì)組成物用。再將氯化鉬酸(H2PtCl6)溶液涂布在覆蓋有氟摻雜的氧化錫玻璃板上，然后加熱到400°C處理15分鐘即可得到一陰極(cathode)。然后，將厚度60微米的熱塑性聚合物膜配置在光電陽極和陰極之間，在120至 140°C下施加壓力于此二電極，以黏合此兩電極。將本發(fā)明的電解質(zhì)組成物經(jīng)由注入口注入，再用熱塑性聚合物膜將注入口密封， 即可得到本發(fā)明的染料敏化電池。以下實例用于說明本發(fā)明，本發(fā)明的權(quán)利范圍并不會因此而受限制。實施例1 5與比較例1 4比較例1 4與實施例1 5主要成分為金屬碘鹽(如Lil，NaI, ΚΙ...等)、有機胺碘鹽(如THI，TEAI. 等)與碘化咪唑嗡(如PMII，EMII. 等)單獨使用或相互搭配，并加入NBB (或NMBI，或4-TBP)與GuNCS，再以20wt% 40wt%的聚乙二醇(PEG)以及 80wt% 60wt%的碳酸丙烯酯(PC)膠體溶劑為基底。比較例1 4與實施例1 5的電解質(zhì)成分組成分別列于表1、表3。光電效率測試，使用比較例1 4與實施例1 5的電解質(zhì)組成物，以制作染料敏化太陽能電池，并在AM 1.5的照明下，測試其短路電流(Js。)、開路電壓(Vqc)、光電轉(zhuǎn)換效率(η)及填充因子(FF)。測試結(jié)果整理于表2、表4。表 權(quán)利要求
1.一種電解質(zhì)組成物，其包括(a)有機胺碘酸鹽、金屬碘化物、咪唑鹽或其組合，其重量百分比為2 30%；(b)碘，其重量百分比為1 5%；(c)硫氰酸胍，其重量百分比為0.5 3% ；(d)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其組合，其重量百分比為2 10%；以及(e)聚乙二醇及碳酸丙烯酯，其重量百分比為52 94.5%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)組成物，其中，(a)為有機胺碘酸鹽。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)組成物，其中，(a)為金屬碘化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)組成物，其中，(a)為咪唑鹽。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電解質(zhì)組成物，其中，(a)的該有機胺碘酸鹽為三乙胺碘酸鹽、三丙胺碘酸鹽、三丁胺碘酸鹽、三戊胺碘酸鹽、三己胺碘酸鹽或其混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電解質(zhì)組成物，其中，(a)的該金屬碘化物為碘化鉀、碘化鋰、 碘化鈉或其混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電解質(zhì)組成物，其中，(a)的該咪唑鹽為1-甲基-3-丙基碘化咪唑嗡、1，3-二甲基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-乙基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-丁基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-戊基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-己基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-庚基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-辛基碘化咪唑嗡、1，3- 二乙基碘化咪唑嗡、1-乙基-3-丙基碘化咪唑嗡、 1-乙基-3- 丁基碘化咪唑嗡、1，3- 二丙基碘化咪唑嗡、1-丙基-3- 丁基碘化咪唑嗡或其混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電解質(zhì)組成物，其中，(d)的苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其組合為N-甲基苯并咪唑、N- 丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶或其混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解質(zhì)組成物，其中，(e)的該聚乙二醇及該碳酸丙烯酯重量比為 20/80 至 40/60。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電解質(zhì)組成物，其中，(e)的該聚乙二醇及該碳酸丙烯酯重量比為20/80至40/60。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電解質(zhì)組成物，其中，(e)的該聚乙二醇及該碳酸丙烯酯重量比為20/80至40/60。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電解質(zhì)組成物，其中，組成份(a)的重量百分比為13.9%; 組成份(b)的重量百分比為2. 1% ；組成份(c)的重量百分比為；組成份(d)的重量百分比為7. 2% ；且組成份(e)的重量百分比75.8%。
13.一種染料敏化太陽能電池，其包括(A)一光電陽極；(B)一陰極；以及(C)一電解質(zhì)層，其包括(a)有機胺碘酸鹽、金屬碘化物、咪唑鹽或其組合、(b)碘、(c) 硫氰酸胍、(d)N-甲基苯并咪唑、N-丁基苯并咪唑、叔丁基吡啶或其組合、以及(e)聚乙二醇及碳酸丙烯酯。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的染料敏化太陽能電池，其中，(a)的該有機胺碘酸鹽為三乙胺碘酸鹽、三丙胺碘酸鹽、三丁胺碘酸鹽、三戊胺碘酸鹽、三己胺碘酸鹽或其混合物。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的染料敏化太陽能電池，其中，(a)的該金屬碘化物為碘化鉀、碘化鋰、碘化鈉或其混合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的染料敏化太陽能電池，其中，(a)的該咪唑鹽為1-甲基-3-丙基碘化咪唑嗡、1，3-二甲基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-乙基碘化咪唑嗡、1-甲基-3- 丁基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-戊基碘化咪唑嗡、1-甲基-3-己基碘化咪唑嗡、1-甲基-3 -庚基碘化咪唑嗡、1 -甲基-3 -辛基碘化咪唑嗡、1，3 - 二乙基碘化咪唑嗡、1 -乙基-3-丙基碘化咪唑嗡、1-乙基-3- 丁基碘化咪唑嗡、1，3- 二丙基碘化咪唑嗡、1-丙基-3- 丁基碘化咪唑嗡或其混合物。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的染料敏化太陽能電池，其中，(e)的該聚乙二醇及該碳酸丙烯酯重量比為20/80至40/60。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的染料敏化太陽能電池，其中，(e)的該聚乙二醇及該碳酸丙烯酯重量比為20/80至40/60。
全文摘要
一種電解質(zhì)組成物，其包括(a)有機胺碘酸鹽、金屬碘化物、咪唑鹽或其組合；(b)碘；(c)硫氰酸胍；(d)苯并咪唑衍生物、吡啶衍生物或其組合；以及(e)聚乙二醇及碳酸丙烯酯。據(jù)此，本發(fā)明所提供的電解質(zhì)組成物具有優(yōu)良的光電轉(zhuǎn)換效率及長效穩(wěn)定性，可應(yīng)用于染料敏化太陽能電池。本發(fā)明還提供一種包含上述電解質(zhì)組成物的染料敏化太陽能電池。
文檔編號H01L51/42GK102446630SQ20101050693
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者李冠緯, 陳欣怡 申請人:明德國際倉儲貿(mào)易(上海)有限公司