專利名稱：一種太陽能電池電解質及其制備方法和應用的制作方法
技術領域：
本發明屬于太陽能電池技術領域，具體涉及一種基于N，N-雙烷基吡咯烷鐺鹽的固態電解質的染料敏化太陽能電池。
背景技術：
隨著全球性能源危機日益嚴重，能源已經成為21世紀迫切需要解決的關鍵問題之一。太陽能是取之不盡的綠色資源，是解決這個問題的最佳途徑，世界各國紛紛競相開展如何利用太陽能的研究，其中太陽能電池是其中重要的分支之一。電解質是太陽能電池尤其是染料敏化太陽能電池的核心部件，主要起傳輸氧化還原對的作用，其性能的優劣直接影響太陽能電池效率。染料敏化太陽能電池用電解質存在液態、凝膠、固態等多種形式[Dalton. Trans. 2008，2655-2666 ；Adv. Funct. Mater. 2009， 19，1-16 ；Adv. Funct. Mater. 2007，17，2645-2652]。其中液態電解質多以有機溶劑作為電解質，如乙腈、甲氧基丙腈。此類液體電解質存在易揮發、封裝難、穩定性差、高毒性等缺點[Adv.Funct. Mater. 2007，17，2645-2652 ；Electrochimica Acta,2006，51，4243-4249]。 凝膠電解質中一般含有大量的液態電解質[J. Am. Chem. Soc. 2005,127,6394-6401 ；Thin Solid Films. 2002，403，271-274]，所以在高溫下也容易發生電解質的揮發與泄漏，電池性能下降。而固態電解質的出現，提供了一種可能的解決方案，正越來越受到社會的關注 [Adv. Funct. Mater. 2007，16，1832—1838]。目前，固態電解質主要采用P-型無機半導體、有機空穴傳輸等材料。但是這類固態電解質的電子和離子傳輸性能比較低，導致電池效率較低[Chem. Mater. 2008，20， 6022-6028 J. Mater. Chem. 2010，20，3619-3625]，因此，提高固態電解質的染料敏化太陽能電池的效率成為重要的發展方向。另外，國外已有文獻報道，電池在室外工作下的溫度可能超過60°C [J. Photochem. Photobiol. Α. 2004，164，3-14]，但當前有些固態電解質在室溫下是固態但600C以上時卻成液態[J. AM. CHEM. S0C. 2004，126，13590-13591]。因此，固態電解質還必須具有較高的相轉變溫度，熱穩定性，以防止高溫下(> 60°C )電解質的泄漏。

發明內容
本發明的目的是提供一種太陽能電池電解質，該基于N，N-雙烷基吡咯烷鐺鹽的太陽能電池用固態電解質，可在保證電池的光電轉換效率的前提下，有效地解決液體電解質的泄漏問題。該固態電介質中N，N-雙烷基吡咯烷鐺鹽作為固體溶劑來溶解碘和碘鹽，另外，該固態電解質在很寬的溫度范圍內成固態，具有高熔點性，并且由于塑晶相的存在使其具有較高的電導率和離子擴散系數，基于以上固態電解質電池具有電池性能高、熱穩定性高、長期使用穩定的優點。為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是一種太陽能電池電解質，由以下重量百分比的原料構成
N，N-雙烷基吡咯烷鐺鹽60 85%
碘鹽10 35%
碘單質2 ~ 7% ；
添加劑2 ~ 7% ；
所述N，N-雙烷基吡咯烷 鐵鹽為
其中m = 1-4 ；X選自I、Br或Cl中的一種；所述碘鹽為碘化鋰Lil、碘化鉀KI、碘化鈉Nal、l-甲基_3_丙基甲基咪唑碘化鹽、 1，2_ 二甲基-3-丙基甲基咪唑碘化鹽或1，3- 二甲基咪唑碘化鹽中的一種或兩種以上(包括兩種)的任意比例的混合物；所述添加劑為叔丁基吡啶、N-甲基苯并咪唑或N- 丁基苯并咪唑的一種。上述太陽能電池電解質的制備方法，包括以下步驟(1)將碘化物加入N，N-雙烷基吡咯烷鐺鹽中，加熱熔融后攪拌混合均勻；(2)再加入碘單質和添加劑，加熱熔融后攪拌混合均勻，電解質迅速冷卻固化，得到的固態電解質。上述技術方案中，所述加熱熔融的目的是使各組分在液態下混合均勻，本領域技術人員可以按照現有技術自行調整溫度；步驟(1)、步驟O)中加熱熔融后達到的溫度為 100 250 。上述技術方案中，所得固態電解質在較寬的溫度范圍內都保持固態且具有較高的電導率，在80°C下的形態仍為固態。進一步的技術方案中，應用上述固態電解質制備染料敏化納米晶太陽能電池，所述制備方法如下在經過染料敏化的寬禁帶半導體納米晶膜的表面上設置上述固態電解質，然后將鍍鉬的導電玻璃放在染料敏化的半導體納米晶膜上，即構成夾心型染料敏化太陽能電池，并用熱封膠進行封裝。由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點1.本發明制備的固態電解質由于塑晶相的存在，電解質電導率較高，并有利于碘離子的遷移；本發明制備的固態電解質具有高熔點的性能，組裝成電池后能在高溫下工作時仍保持固態，并且電池效率較高，長期穩定，應用前景廣闊。2.本發明制備的固態電解質不含有傳統有毒溶劑，不會對環境造成污染，不易泄
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圖1是實施例一中的染料敏化納米晶太陽能在不同溫度下的光電流-光電壓曲線.
一入 ，
圖2是實施例一中的染料敏化納米晶太陽能電池的在80°C下的熱穩定性性能圖；圖3是實施例一中基于N，N-甲基乙基吡咯烷鐺碘化固態電解質DSC-電導率圖；圖4是實施例一中基于N，N-甲基乙基吡咯烷鐺碘化固態電解質80°C下的照片。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述實施例一將1. 3g 1-甲基-3-丙基甲基咪唑碘化鹽加入0. 6g N, N-甲基乙基吡咯烷鐺碘化鹽中，160°C下攪拌混合均勻；再加入0.04g 12和0.068 N-甲基苯并咪唑，160°C下再混合攪拌30min，然后趁熱滴到光陽極染料二氧化鈦膜與Pt電極之間，進一步加熱使得固態電解質完全滲透到二氧化鈦膜多孔膜中，再進行封裝制得固態太陽能電池。使用氙燈模擬太陽光，光強lOOmW/cm2條件下，測得電池光電轉換效率在25°C下為4. 95%，60°C下為5. 12%, 80°C下為5. 25% (圖1)。1000小時后，光電轉化效率仍為原來的95%以上(圖2)。上述固態電解質在較寬的溫度范圍內都保持固態且具有較高的電導率(圖3)，例如在80°C下的形態仍為固態(圖4，試劑瓶上端黑色部分為所述固態電解質)。實施例二 將0. 7g 1，2- 二甲基-3-丙基甲基咪唑碘化鹽加入1. 2g N, N-甲基丁基吡咯烷鐺碘化鹽中，135°C下攪拌混合均勻；再加入0.06g 12和0.048 N-丁基苯并咪唑， 135°C下再混合攪拌30min，然后趁熱滴到到光陽極染料二氧化鈦膜與Pt電極之間，進一步加熱使得固態電解質完全滲透到二氧化鈦膜多孔膜中，再進行封裝制得固態太陽能電池。 使用氙燈模擬太陽光，光強lOOmW/cm2條件下，測得電池光電轉換效率在25°C下為4. 72%, 60°C下為 5. 03%，80°C下為 5. 15%。實施例三將0. 3g 1，3- 二甲基咪唑碘化鹽加入1. 5g N, N-甲基乙基吡咯烷鐺溴化鹽中，120°C下攪拌混合均勻；再加入0. 14g I2和0. 06g N- 丁基苯并咪唑，125°C下再混合攪拌30min，然后趁熱滴到到光陽極染料二氧化鈦膜與Pt電極之間，進一步加熱使得固態電解質完全滲透到二氧化鈦膜多孔膜中，再進行封裝制得固態太陽能電池。使用氙燈模擬太陽光，光強lOOmW/cm2條件下，測得電池光電轉換效率在25°C下為4. 85 %，60°C下為 5. 13%，80°C下為 5. 22%。實施例四將0. 2g LiI加入1. 7g N, N-甲基丙基吡咯烷鐺溴化鹽中，130°C下攪拌混合均勻；再加入0. 06g I2和0. 04g N- 丁基苯并咪唑，130°C下再混合攪拌30min，然后趁熱滴到到光陽極染料二氧化鈦膜與Pt電極之間，進一步加熱使得固態電解質完全滲透到二氧化鈦膜多孔膜中，再進行封裝制得固態太陽能電池。使用氙燈模擬太陽光，光強 100mff/cm2條件下，測得電池光電轉換效率在25°C下為4. 55%，60°C下為4. 73%，80°C下為 4. 91%。實施例五將0. 6g KI加入1. 2g N, N-甲基乙基吡咯烷鐺氯化鹽中，140°C下攪拌混合均勻；再加入0. 14g I2和0. 06g N- 丁基苯并咪唑，140°C下再混合攪拌30min，然后趁熱滴到到光陽極染料二氧化鈦膜與Pt電極之間，進一步加熱使得固態電解質完全滲透到二氧化鈦膜多孔膜中，再進行封裝制得固態太陽能電池。使用氙燈模擬太陽光，光強 100mff/cm2條件下，測得電池光電轉換效率在25°C下為4. 22%，60°C下為4. 43%，80°C下為 4. 51%。
實施例六將0. Ig LiI和0. 2g 1，2_ 二甲基_3_丙基甲基咪唑碘化鹽加入IgN， N-甲基丙基吡咯烷鐺碘化鹽中，120°C下攪拌混合均勻；再加入0. 07g I2和0. 03g叔丁基吡啶，120°C下再混合攪拌30min，然后趁熱滴到到光陽極染料二氧化鈦膜與Pt電極之間， 進一步加熱使得固態電解質完全滲透到二氧化鈦膜多孔膜中，再進行封裝制得固態太陽能電池。使用氙燈模擬太陽光，光強lOOmW/cm2條件下，測得電池光電轉換效率在25°C下為 4. 72%，60°C下為 4. 85%，80°C下為 4. 97%。實施例七將0. IgLiI和0. 2g 1_甲基_3_丙基甲基咪唑碘化鹽加入lgN，N甲基丁基吡咯烷鐺溴化鹽中，110°c下攪拌混合均勻；再加入0.07g 12和0.038 N-甲基苯并咪唑， 110°C下再混合攪拌30min，然后趁熱滴到到光陽極染料二氧化鈦膜與Pt電極之間，進一步加熱使得固態電解質完全滲透到二氧化鈦膜多孔膜中，再進行封裝制得固態太陽能電池。 使用氙燈模擬太陽光，光強lOOmW/cm2條件下，測得電池光電轉換效率在25°C下為4. 65%, 60°C下為 4. 83%，80°C下為 4. 94%。上述實施例中，染料敏化納米晶太陽能電池的光電化學測量按照傳統的兩電極體系測量，照射光源為五檔可調的500W氙燈(Ushio Electric, Japan) 0光電流和光電壓輸出通過Keithley 2400數字源表(美國Keithley公司)測量。上述實施例中，染料敏化納米晶太陽能電池的熱穩定性方法測試如下電池封裝后，將電池存放在80°C環境下lOOOh，每隔四天測量一次電池性能。
權利要求
1. 一種太陽能電池電解質，其特征在于，由以下重量百分比的原料構成N，N-雙烷基吡咯烷鐺鹽60 85% ；碘鹽10 碘單質2 7%;添加劑2 7%;所述N，N-雙烷基吡咯烷鐺鹽的結構通式如下所示\ +NC'm，其中m= 1-4 ；X選自I、Br或Cl中的一種；所述碘鹽為碘化鋰Lil、碘化鉀KI、碘化鈉Nal、l-甲基-3-丙基甲基咪唑碘化鹽、1， 2- 二甲基-3-丙基甲基咪唑碘化鹽或1，3- 二甲基咪唑碘化鹽中的一種或兩種以上的任意比例的混合物；所述添加劑為叔丁基吡啶、N-甲基苯并咪唑或N- 丁基苯并咪唑的一種。
2.權利要求1所述太陽能電池電解質的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將碘化物加入N，N-雙烷基吡咯烷鐺鹽，加熱熔融后攪拌混合均勻；(2)再加入碘單質和添加劑，加熱熔融后攪拌混合均勻，電解質迅速冷卻固化，得到的固態電解質。
3.權利要求2所述太陽能電池電解質的制備方法，其特征在于，步驟(1)中加熱熔融后達到的溫度為100 250°C。
4.權利要求2所述太陽能電池電解質的制備方法，其特征在于，步驟(2)中加熱熔融后達到的溫度為100 250°C。
全文摘要
本發明公開了一種染料敏化太陽能電池電解質，由以下重量百分比的原料構成N，N-雙烷基吡咯烷鎓鹽55～85%；碘鹽15～35%；碘單質2～7%；添加劑2～7%；本發明制備的固態電解質由于塑晶相的存在，電解質電導率較高，有利于碘離子的遷移；本發明制備的固態電解質具有高熔點的性能，組裝成電池后能在80℃下工作時仍保持固態，并且電池效率較高，應用前景廣闊；并且本發明制備的固態電解質不含有傳統有毒溶劑，不會對環境造成污染，不易泄露。
文檔編號H01G9/028GK102426920SQ20111022426
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月5日 優先權日2011年8月5日
發明者嚴鋒, 李慶, 趙杰 申請人:蘇州大學