專利名稱：原位凝膠化組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種原位凝膠化方法組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池的新方法。
背景技術(shù)：
染料敏化太陽電池是一種以納米光電功能材料為基礎(chǔ)發(fā)展起來的第三代太陽能電池。根據(jù)電解質(zhì)形態(tài)可分為液態(tài)、全固態(tài)和準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池。電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成、注入與負(fù)載方式是影響染料敏化太陽電池使用壽命的關(guān)鍵因素。一般地，液態(tài)電解質(zhì)易揮發(fā)，封裝工藝復(fù)雜，容易漏液；全固態(tài)電解質(zhì)的擴(kuò)散滲透能力差，填充過程中容易產(chǎn)生空隙，形成固-固界面阻礙電子傳輸。準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)呈凝膠狀態(tài)，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)避免了液態(tài)電解質(zhì)的揮發(fā)和漏液問題，封裝難度有所降低；(2)能夠比全固態(tài)電解質(zhì)在電池內(nèi) 部具有更充分的接觸；(3)準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率、電子擴(kuò)散系數(shù)介于液態(tài)和全固態(tài)之間；(4)對(duì)光和熱的穩(wěn)定性比液態(tài)電解質(zhì)有較大幅度的提高。因此，準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)既能夠解決封裝、漏液、腐蝕和耐受性等問題，又能保持較高的光電轉(zhuǎn)換效率，是一種具有可實(shí)用化前景的電解質(zhì)體系。目前，準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)主要是通過向液態(tài)電解質(zhì)中添加凝膠材料制備而成。常見凝膠材料有(I)納米聚合物，如聚偏二氟乙烯-六氟丙烯；(2)納米無機(jī)化合物，如納米二氧化硅；(3)有機(jī)低分子凝膠，如低聚羥乙基丙烯酸甲酯。當(dāng)液態(tài)電解質(zhì)凝膠化之后，再通過填塞和擠壓的方式填充到電池中。由于加入的凝膠劑不僅自身分子量或者體積較大，在電池內(nèi)的介孔薄膜中擴(kuò)散速率低，而且凝膠化過程容易受到外界條件的影響，如溫度、濕度和氣氛等。因此，不利于提高電池光電轉(zhuǎn)換效率和保持電池性能穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種原位凝膠化組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能 電池的方法，該方法以I-乙烯基-3-烷基咪唑碘離子液體、碘和偶氮二異丁腈作為準(zhǔn)
固態(tài)電解質(zhì)前體，經(jīng)過除水、除氧處理之后，注入到電池空腔內(nèi)，經(jīng)過充分的擴(kuò)散滲透后，控制反應(yīng)條件實(shí)施原位凝膠化。通過該法組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池，可以避免使用有機(jī)溶劑；通過控制反應(yīng)條件，調(diào)節(jié)凝膠化程度；能夠充分地負(fù)載到電極的介孔薄膜當(dāng)中，降低或消除電子傳輸界面阻力；所組裝的電池不僅能獲得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率，而且能延長電池使用壽命。技術(shù)方案本發(fā)明的原位凝膠化組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池的方法通過 以下途徑實(shí)現(xiàn)
第一步，反應(yīng)物的純化將I-乙烯基咪唑和碘代烷進(jìn)行減壓蒸餾；
第二步，凝膠單體的制備以1，1，I -三氯乙烷作為溶劑，按照I: f 1:1. 5的摩爾比加入I-乙烯咪唑與碘代烷，在干燥氮?dú)夂驼诠鈼l件下，攪拌、回流8 20小時(shí)；待反應(yīng)體系冷卻至室溫分層與分液，使用1，1，I -三氯乙烷洗滌得到棕黃色液體；經(jīng)過80 ° C真空干燥過夜，即得到I-乙烯基-3-烷基咪唑碘離子液體；
第三步，預(yù)凝膠電解質(zhì)溶液的配制以I-乙烯基-3-烷基咪唑碘離子液體作為溶劑，其中碘化鋰濃度為0. ro. 7 mol/L，碘濃度為0. oro. 06 mol/L，原位預(yù)凝膠化反應(yīng)引發(fā)劑偶氮二異丁腈質(zhì)量百分含量為所述溶劑的0. 2 2%，并對(duì)該溶液進(jìn)行真空干燥和超聲除氧預(yù)處理；
第四步，原位凝膠化組裝電池在電極兩側(cè)均開設(shè)直徑I mm的小孔，從對(duì)電極一側(cè)小孔中注入經(jīng)過干燥、除氧預(yù)處理的預(yù)凝膠電解質(zhì)溶液，從工作電極一側(cè)小孔外抽取預(yù)凝膠液，通過微型循環(huán)泵反復(fù)多次循環(huán)充入，然后封堵注入口，在原位預(yù)凝膠化光照條件為強(qiáng)度20-80 mff/cm2的紅外光照照射下實(shí)施原位凝膠化組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽電池。上述鵬代燒中燒基取代基可選用甲基、乙基、丙基、丁基或戍基。上述電池性能測(cè)試條件為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽光照，強(qiáng)度為lOOmW/cm2。 上述電池性能老化實(shí)驗(yàn)條件為55°C不間斷光照1000小時(shí)。上述紅外光照時(shí)間范圍為0. 5^3小時(shí)，光照強(qiáng)度范圍為2(T80mW/cm2。有益效果本發(fā)明通過紅外光照引發(fā)I-乙烯基-3-烷基咪唑碘，在電池內(nèi)部實(shí)施原位凝膠化組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池。該法組裝電池過程工藝簡單，所需設(shè)備投資低，電解質(zhì)組分調(diào)節(jié)靈活，所得電池效率高、壽命長，具有可實(shí)用化前景。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及染料敏化太陽能電池用準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)以及組裝工藝。以I-乙烯基-3-丙基咪唑碘為溶劑制備電解質(zhì)預(yù)凝膠液，在電解質(zhì)為液態(tài)的情況下注入電池器件中，以紅外燈進(jìn)行照射實(shí)施原位凝膠化，組裝得到光電轉(zhuǎn)化效率高、使用壽命長的準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例I :
以1，1，I -三氯乙烷作為溶劑，按照1:1.05的摩爾比加入I-乙烯基咪唑與碘甲烷，在干燥氮?dú)夂驼诠鈼l件下，攪拌、回流10小時(shí)；待反應(yīng)體系冷卻至室溫分層與分液，使用1，1，I-三氯乙烷洗滌得到棕黃色液體；經(jīng)過80 ° C真空干燥過夜，即得到I-乙烯基-3-甲基咪唑碘離子液體。以I-乙烯基-3-甲基咪唑碘離子液體作為溶劑，碘化鋰濃度為0. 6 mol/L，碘濃度為0. 06 mol/L，偶氮二異丁腈含量為溶劑質(zhì)量百分比0. 2%，混合均勻之后進(jìn)行除水、除氧等預(yù)處理。得到電解質(zhì)預(yù)凝膠液。在電極兩側(cè)上均開有直徑I mm小孔，從對(duì)電極一側(cè)小孔中注入電解質(zhì)預(yù)凝膠液，從工作電極一側(cè)小孔外抽取，通過微型循環(huán)泵反復(fù)多次循環(huán)充入，然后封堵注入口。采用光照強(qiáng)度為50 mW/cm2的紅外燈照射I小時(shí)，實(shí)施原位凝膠化組裝電池。所得電池的開路電壓為0. 67V，短路電流為15. 3mA/cm2，填充因子為0. 65，光電轉(zhuǎn)換效率為6. 66%，老化實(shí)驗(yàn)之后電池效率保持為6. 5%。實(shí)施例2:
以1，1，I -三氯乙烷作為溶劑，按照1:1. I的摩爾比加入I-乙烯基咪唑與碘甲烷，在干燥氮?dú)夂驼诠鈼l件下，攪拌、回流10小時(shí)；待反應(yīng)體系冷卻至室溫分層與分液，使用1，1，I-三氯乙烷洗滌得到棕黃色液體；經(jīng)過80 ° C真空干燥過夜，即得到I-乙烯基-3-甲基咪唑碘離子液體。以I-乙烯基-3-甲基咪唑碘離子液體作為溶劑，碘化鋰濃度為0. 6 mol/L，碘濃度為0. 06 mol/L，偶氮二異丁腈含量為溶劑質(zhì)量百分比0. 4%，混合均勻之后進(jìn)行除水、除氧等預(yù)處理。得到電解質(zhì)預(yù)凝膠液。 在電極兩側(cè)上均開有直徑I mm小孔，從對(duì)電極一側(cè)小孔中注入電解質(zhì)預(yù)凝膠液，從工作電極一側(cè)小孔外抽取，通過微型循環(huán)泵反復(fù)多次循環(huán)充入，然后封堵注入口。采用光照強(qiáng)度為50 mW/cm2的紅外燈照射0.5小時(shí)，實(shí)施原位凝膠化組裝電池。所得電池的開路電壓為0. 64V，短路電流為12. 3mA/cm2，填充因子為0. 61，光電轉(zhuǎn)換效率為4. 80%，老化實(shí)驗(yàn)之后電池效率保持為4. 58%。實(shí)施例3:
以1，1，I -三氯乙烷作為溶劑，按照1:1.05的摩爾比加入I-乙烯基咪唑與碘丙烷，在干燥氮?dú)夂驼诠鈼l件下，攪拌、回流12小時(shí)；待反應(yīng)體系冷卻至室溫分層與分液，使用1，1，I-三氯乙烷洗滌得到棕黃色液體；經(jīng)過80 ° C真空干燥過夜，即得到I-乙烯基-3-丙基咪唑碘離子液體。以I-乙烯基-3-丙基咪唑碘離子液體作為溶劑，碘化鋰濃度為0. 6 mol/L，碘濃度為0. 06 mol/L，偶氮二異丁腈含量為溶劑質(zhì)量百分比0. 2%，混合均勻之后進(jìn)行除水、除氧等預(yù)處理。得到電解質(zhì)預(yù)凝膠液。在電極兩側(cè)上均開有直徑I mm小孔，從對(duì)電極一側(cè)小孔中注入電解質(zhì)預(yù)凝膠液，從工作電極一側(cè)小孔外抽取，通過微型循環(huán)泵反復(fù)多次循環(huán)充入，然后封堵注入口。采用光照強(qiáng)度為50 mW/cm2的紅外燈照射I小時(shí)，實(shí)施原位凝膠化組裝電池。所得電池的開路電壓為0. 66V，短路電流為15. 3mA/cm2，填充因子為0. 64，光電轉(zhuǎn)換效率為6. 46%，老化實(shí)驗(yàn)之后電池效率保持為6. 35%。實(shí)施例4
以1，1，I -三氯乙烷作為溶劑，按照1:1. I的摩爾比加入I-乙烯基咪唑與碘丙烷，在干燥氮?dú)夂驼诠鈼l件下，攪拌、回流12小時(shí)；待反應(yīng)體系冷卻至室溫分層與分液，使用1，1，I-三氯乙烷洗滌得到棕黃色液體；經(jīng)過80 ° C真空干燥過夜，即得到I-乙烯基-3-丙基咪唑碘離子液體。以I-乙烯基-3-丙基咪唑碘離子液體作為溶劑，碘化鋰濃度為0. 6 mol/L，碘濃度為0. 06 mol/L，偶氮二異丁腈含量為溶劑質(zhì)量百分比0. 4%，混合均勻之后進(jìn)行除水、除氧等預(yù)處理。得到電解質(zhì)預(yù)凝膠液。在電極兩側(cè)上均開有直徑I mm小孔，從對(duì)電極一側(cè)小孔中注入電解質(zhì)預(yù)凝膠液，從工作電極一側(cè)小孔外抽取，通過微型循環(huán)泵反復(fù)多次循環(huán)充入，然后封堵注入口。采用光照強(qiáng)度為50 mW/cm2的紅外燈照射I小時(shí)，實(shí)施原位凝膠化組裝電池。所得電池的開路電壓為0. 65V，短路電流為14. 8mA/cm2，填充因子為0. 64，光電轉(zhuǎn)換效率為6. 16%，老化實(shí)驗(yàn)之后電池效率保持為6. 09%。
權(quán)利要求
1.一種原位凝膠化組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池的方法，其特征在于該方法通過以下途徑實(shí)現(xiàn) 第一步，反應(yīng)物的純化將I-乙烯基咪唑和碘代烷進(jìn)行減壓蒸餾； 第二步，凝膠單體的制備以1，1，I -三氯乙烷作為溶劑，按照I: f 1:1. 5的摩爾比加入I-乙烯咪唑與碘代烷，在干燥氮?dú)夂驼诠鈼l件下，攪拌、回流8 20小時(shí)；待反應(yīng)體系冷卻至室溫分層與分液，使用1，1，I -三氯乙烷洗滌得到棕黃色液體；經(jīng)過80 ° C真空干燥過夜，即得到I-乙烯基-3-烷基咪唑碘離子液體； 第三步，預(yù)凝膠電解質(zhì)溶液的配制以I-乙烯基-3-烷基咪唑碘離子液體作為溶劑，其中碘化鋰濃度為0. ro. 7 mol/L，碘濃度為0. oro. 06 mol/L，原位預(yù)凝膠化反應(yīng)引發(fā)劑偶氮二異丁腈質(zhì)量百分含量為所述溶劑的0. 2 2%，并對(duì)該溶液進(jìn)行真空干燥和超聲除氧預(yù)處理； 第四步，原位凝膠化組裝電池在電極兩側(cè)均開設(shè)直徑I mm的小孔，從對(duì)電極一側(cè)小孔中注入經(jīng)過干燥、除氧預(yù)處理的預(yù)凝膠電解質(zhì)溶液，從工作電極一側(cè)小孔外抽取預(yù)凝膠液，通過微型循環(huán)泵反復(fù)多次循環(huán)充入，然后封堵注入口，在原位預(yù)凝膠化光照條件為強(qiáng)度20-80 mff/cm2的紅外光照照射下實(shí)施原位凝膠化組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的原位凝膠化組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池的方法，其特征在于所述鵬代燒中的燒基取代基為甲基、乙基、丙基、丁基或戍基。
全文摘要
本發(fā)明是一種原位凝膠化組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽能電池的方法，該方法通過以下途徑實(shí)現(xiàn)第一步，反應(yīng)物的純化將1-乙烯基咪唑和碘代烷進(jìn)行減壓蒸餾；第二步，凝膠單體的制備以1,1,1–三氯乙烷作為溶劑，按照1:1~1:1.5的摩爾比加入1-乙烯咪唑與碘代烷，得到1-乙烯基-3-烷基咪唑碘離子液體；第三步，預(yù)凝膠電解質(zhì)溶液的配制以1-乙烯基-3-烷基咪唑碘離子液體作為溶劑，其中碘化鋰濃度為0.1~0.7mol/L，碘濃度為0.01~0.06mol/L，原位預(yù)凝膠化反應(yīng)引發(fā)劑偶氮二異丁腈質(zhì)量百分含量為所述溶劑的0.2~2%，第四步，原位凝膠化組裝電池通過微型循環(huán)泵反復(fù)多次對(duì)電極循環(huán)充入預(yù)凝膠液，在原位預(yù)凝膠化光照條件為強(qiáng)度20-80mW/cm2的紅外光照照射下實(shí)施原位凝膠化組裝準(zhǔn)固態(tài)染料敏化太陽電池。
文檔編號(hào)H01G9/20GK102683048SQ201210154840
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月18日
發(fā)明者劉琴, 孫岳明, 王育喬, 趙一凡, 高雪玲 申請(qǐng)人:東南大學(xué)