專利名稱：聚合物電解質(zhì)及含有它的染料敏化太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種染料敏化的太陽能電池，更具體地，本發(fā)明涉及一種利用聚合物電解質(zhì)提高光電轉(zhuǎn)化效率的染料敏化的太陽能電池。
背景技術(shù)：
染料敏化太陽能電池是光電化學(xué)太陽能電池，其使用通過吸收可見光而能產(chǎn)生電子空穴對(duì)的感光性染料分子，及能夠傳輸產(chǎn)生的電子的氧化物半導(dǎo)體電極，該氧化物半導(dǎo)體電極由氧化鈦形成。
在傳統(tǒng)的硅太陽能電池中，太陽能的吸收和通過電子空穴對(duì)的分離產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)是在硅半導(dǎo)體內(nèi)同時(shí)發(fā)生的。與此同時(shí)，在染料敏化太陽能電池中，太陽能的吸收和電荷的傳輸是分別發(fā)生的。特別地，在染料敏化太陽能電池中，染料吸收太陽能，半導(dǎo)體電極傳輸電荷。
這種染料敏化太陽能電池的生產(chǎn)成本低，環(huán)境友好，并且可以制成柔性的。然而，因其能量轉(zhuǎn)化效率低，從而限制了染料敏化太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用。
太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率與吸收太陽光產(chǎn)生的電子數(shù)量成比例。可以通過增加太陽光的吸收，通過增加吸收的染料量產(chǎn)生更多的電子，或者通過防止受激電子因與空穴再結(jié)合而導(dǎo)致的損失，來提高能量轉(zhuǎn)化效率。
為了增加單位面積染料的吸收量，已經(jīng)提出制備納米尺寸氧化物半導(dǎo)體顆粒的方法，提高鉑電極反射率以增加太陽光吸收的方法，及混入半導(dǎo)體氧化物的微米尺寸的方法，等等。
瑞士的Gratzel等人在1991年提出的太陽能電池是常規(guī)染料敏化太陽能電池的典型例子。Gratzel等人提出的太陽能電池是一種使用光敏染料分子和由二氧化鈦納米顆粒構(gòu)成的氧化物半導(dǎo)體的光電化學(xué)太陽能電池。該太陽能電池的生產(chǎn)成本比硅太陽能電池的低。目前可得到的染料敏化太陽能電池包括納米顆粒氧化物半導(dǎo)體陰極、鉑陽極、涂覆在陰極上的染料和使用有機(jī)溶劑的氧化/還原電解質(zhì)。在這種包含利用有機(jī)溶劑制備的電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池中，電解質(zhì)的有機(jī)溶劑在太陽能電池的外部溫度因太陽光而升高時(shí)可能會(huì)揮發(fā)。因此，降低了該染料敏化太陽能電池的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和實(shí)用性。
韓國(guó)專利公開2003-65957公開了一種染料敏化太陽能電池，包括含聚偏二氟乙烯的凝膠型聚合物電解質(zhì)，其降低電解質(zhì)溶劑的揮發(fā)，從而增加了光電轉(zhuǎn)化效率。然而，該太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率比用含有機(jī)溶劑的電解質(zhì)的要低。因此，需要研制一種具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高能量轉(zhuǎn)化效率的聚合物電解質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用于染料敏化太陽能電池的電解質(zhì)組合物，該染料敏化太陽能電池通過最小化聚合物電解質(zhì)溶劑的揮發(fā)，而具有提高的能量轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定的抵抗環(huán)境變化(如太陽能電池外部溫度升高)的光電化學(xué)性能。
本發(fā)明提供一種采用所述聚合物電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供染料敏化太陽能電池的聚合物電解質(zhì)組合物，該組合物包含側(cè)鏈中具有至少一個(gè)乙二醇的單官能或多官能單體；聚合引發(fā)劑；鋰鹽；及有機(jī)溶劑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供通過聚合上述聚合物電解質(zhì)組合物而得到的用于染料敏化太陽能電池的聚合物電解質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供染料敏化太陽能電池，其包括彼此面對(duì)的第一和第二電極；置于第一和第二電極之間的吸收了染料的多孔膜；及置于第一和第二電極之間的上述聚合物電解質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制備染料敏化太陽能電池的方法，該方法包括制備第一電極并在第一電極的上表面上形成多孔膜；通過用距離多孔膜上方預(yù)定距離的玻璃覆蓋多孔膜而確定電池空間；將包括側(cè)鏈中具有至少一個(gè)乙二醇的單官能或多官能單體、聚合引發(fā)劑、鋰鹽和有機(jī)溶劑的聚合物電解質(zhì)組合物注入多孔膜與玻璃之間的電池空間，并聚合該聚合物電解質(zhì)組合物以得到聚合物電解質(zhì)；除去所述玻璃，并在多孔膜和聚合的聚合物電解質(zhì)上面的預(yù)定距離處形成第二電極；及在第二電極中形成細(xì)孔，通過該細(xì)孔注入液體電解質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)可提供穩(wěn)定的抗環(huán)境變化的光電化學(xué)性能，并且可用于具有高電壓和高效率的染料敏化太陽能電池。
本發(fā)明的其它方面和/或優(yōu)點(diǎn)的一部分將在下面的描述中提出，一部分通過描述以后是明顯的，或可以通過本發(fā)明的實(shí)施而了解。


通過下面的結(jié)合附圖對(duì)具體實(shí)施方案的說明，本發(fā)明的這些和/或其它方面和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)更加顯而易見和更容易理解，在附圖中圖1是普通染料敏化太陽能電池的工作原理示意圖；圖2A是常規(guī)染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2B是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的染料敏化太陽能電池中的聚合的示意圖；圖4A到4C是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的染料敏化太陽能電池的場(chǎng)致發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)照片；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制備的染料敏化太陽能電池的紅外(IR)光譜；圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的染料敏化太陽能電池與根據(jù)對(duì)比例制備的染料敏化太陽能電池的電流密度-電壓(J-V)曲線；圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的染料敏化太陽能電池與根據(jù)對(duì)比例制備的染料敏化太陽能電池的電流密度(Jsc)與時(shí)間的關(guān)系圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的染料敏化太陽能電池與根據(jù)對(duì)比例制備的染料敏化太陽能電池的電壓(Voc)與時(shí)間的關(guān)系圖；及圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的染料敏化太陽能電池與根據(jù)對(duì)比例制備的染料敏化太陽能電池在800nm處的吸光度圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)地描述本發(fā)明實(shí)施方式，用

實(shí)施例，其中相同的數(shù)字始終是指相同的元件。通過參考附圖描述下面的實(shí)施方式從而解釋本發(fā)明。
圖1示出了普通染料敏化太陽能電池的工作原理。參照?qǐng)D1，當(dāng)染料分子1吸收太陽光，染料分子的電子從基態(tài)轉(zhuǎn)變到激發(fā)態(tài)，形成電子空穴對(duì)。激發(fā)態(tài)的電子進(jìn)入位于氧化鈦顆粒2之間的界面的導(dǎo)帶，經(jīng)過透明導(dǎo)體的界面?zhèn)鬟f至透明導(dǎo)體(銦或氟摻雜的錫氧化物)3，并經(jīng)過外電路4傳遞至Pt反電極6。另一方面，因電子傳遞而氧化的染料被電解質(zhì)中的氧化還原電對(duì)5的碘離子(I-)還原，氧化的碘離子(I3-)則通過與到達(dá)Pt反電極界面的電子反應(yīng)而還原，從而實(shí)現(xiàn)電荷平衡。如上所述，與p-n結(jié)型Si太陽能電池不同，染料敏化太陽能電池基于界面反應(yīng)的電化學(xué)原理通過界面反應(yīng)而工作。因此，存在改進(jìn)界面特性的技術(shù)需求。
本發(fā)明提供用于染料敏化太陽能電池的聚合物電解質(zhì)組合物，其包括側(cè)鏈中具有至少一個(gè)乙二醇的單官能或多官能單體、聚合引發(fā)劑鋰鹽和有機(jī)溶劑。
盡管不是所有的方面都需要，但是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，單官能或多官能單體的量按100重量份的聚合體電解質(zhì)組合物計(jì)為1～10重量份。通常，單官能或多官能單體的量按100重量份的聚合物電解質(zhì)組合物計(jì)超過10重量份時(shí)，液體電解質(zhì)將不能通過聚合的電解質(zhì)。一般地，當(dāng)單官能或多官能單體的量小于1重量份時(shí)，則不能充分地阻擋碘離子(I3-)。
可用于本發(fā)明實(shí)施方案的單官能或多官能單體的實(shí)例包括(甲基)丙烯酸烷基或烷氧基酯，如(甲基)丙烯酸甲酯，(甲基)丙烯酸乙酯，乙基己基醚丙烯酸酯，(甲基)丙烯酸甲氧基乙酯，(甲基)丙烯酸乙氧基乙酯等，乙酸乙烯酯，如新戊酸乙烯基酯，丙酸乙烯基酯等，乙烯基吡啶，乙烯吡咯烷酮(vinylpyrrodidone)，聚乙二醇二丙烯酸酯，聚乙二醇二甲基丙烯酸酯，二甘醇-2-乙基己基醚丙烯酸酯，丙烯酸乙烯基酯，三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯及其衍生物，季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯及其衍生物，二季戊四醇六(甲基)丙烯酸酯及其衍生物，等等。
另外，盡管不是所有的方面都需要，但是單官能或多官能單體的重均分子量為100～1000。當(dāng)單官能或多官能單體的重均分子量超過1000時(shí)，熔融粘度通常會(huì)太高。當(dāng)單官能或多官能單體的重均分子量不到100時(shí)，通常不能得到令人滿意的聚合物性能。擔(dān)負(fù)增塑功能的側(cè)鏈的流動(dòng)性十分重要。
盡管不是所有的方面都需要，但是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，側(cè)鏈中具有至少一個(gè)乙二醇的單官能或多官能單體是二甘醇-2-乙基己基醚丙烯酸酯。單官能或多官能單體的量按100重量份的聚合物電解質(zhì)組合物計(jì)為1～10重量份。
圖2A示出了常規(guī)染料敏化太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)。常規(guī)染料敏化太陽能電池是具有兩個(gè)平面電極即彼此面對(duì)的第一電極20和第二電極21的夾心結(jié)構(gòu)。多孔膜22涂覆于第一電極20的表面上。通過吸收可見光激發(fā)電子的光敏染料吸附在多孔膜22的表面上。將第一電極20和第二電極21結(jié)合在一起，并用載體支撐。第一電極和第二電極之間的空間用電解質(zhì)填充，以引起氧化和還原反應(yīng)。
圖2B示出了本發(fā)明實(shí)施方案的染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)。含液體電解質(zhì)的聚合物層24形成在多孔膜23的表面和內(nèi)部。聚合物層24防止多孔膜表面和內(nèi)部的液體電解質(zhì)揮發(fā)，并固定液體電解質(zhì)。
盡管圖2B中圖示的聚合物電解質(zhì)位于多孔膜24與第二電極25之間，但是該結(jié)構(gòu)僅是為另外解釋該太陽能電池的制備工藝，因此本發(fā)明并不受此限制。作為選擇，電解質(zhì)可填充在第一電極25與第二電極26之間的空間，并均勻地分布于多孔膜中。
電解質(zhì)接受通過反電極中I-1/I-3的氧化/還原反應(yīng)而產(chǎn)生的電子，并將電子傳遞給染料。開路電壓根據(jù)多孔膜的費(fèi)米能級(jí)和電解質(zhì)氧化還原水平之間的差異決定。
盡管不是所有的方面都需要，但是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，聚合引發(fā)劑是選自包括過氧化苯甲酰，偶氮二異丁腈，二苯甲酮，苯乙酮，苯偶姻甲基醚，及苯偶姻乙基醚中的至少一種。聚合引發(fā)劑的量按100重量份的聚合物電解質(zhì)組合物計(jì)為0.05～0.2重量份。
盡管不是所有的方面都需要，但是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，聚合物電解質(zhì)組合物中的鋰鹽為選自LiPF6，LiClO4，LiBF4，LiCF3SO3，LiN(CF3SO2)2，LiC(CF3SO2)3，LiSCN，LiSbF6和LiAsF6中的一種，及其兩種或多種的混合物。鋰鹽的濃度為0.4～1.5M。
盡管不是所有的方面都需要，但是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的聚合物電解質(zhì)組合物進(jìn)一步包括有機(jī)溶劑。所述有機(jī)溶劑可以是選自乙腈(AN)，乙二醇，丁醇，異丁醇，異戊醇，異丙醇，乙醚，二氧己環(huán)，四氫丁烷，四氫呋喃，正丁醚，丙醚，異丙醚，丙酮，甲基乙基酮，甲基丁基酮，甲基異丁基酮，碳酸亞乙酯(EC)，碳酸二乙酯(DEC)，碳酸亞丙酯(PC)，碳酸二甲酯(DMC)，碳酸甲乙酯(EMC)，γ-丁內(nèi)酯(GBL)，N-甲基-2-吡咯烷酮，及3-甲氧基丙腈(MP)中的至少一種，但不限于此。
盡管不是所有的方面都需要，但是有機(jī)溶劑的量按100重量份的聚合物電解質(zhì)組合物計(jì)為10～90重量份。當(dāng)例如使用液態(tài)的咪唑鎓基碘化物時(shí)，不再需要另外的溶劑。
盡管不是所有的方面都需要，但是在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，聚合物電解質(zhì)組合物進(jìn)一步包括碳酸酯基增塑劑，如碳酸亞乙酯、碳酸亞丙酯等。
盡管不是所有的方面都需要，但是在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，用于染料敏化太陽能電池的聚合物電解質(zhì)組合物包括二甘醇-2-乙基己基醚丙烯酸酯，苯偶姻乙基醚，LiClO4，及碳酸亞乙酯。
盡管不是所有的方面都需要，但是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的用于染料敏化太陽能電池的聚合物電解質(zhì)組合物包括至少兩種不同相的電解質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)組合物通過氧化/還原反應(yīng)抑制液體電解質(zhì)的揮發(fā)，同時(shí)提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案提供一種染料敏化太陽能電池，其包括彼此面對(duì)的第一電極和第二電極；置于第一和第二電極之間的吸收了染料的多孔膜；及由上述聚合物電解質(zhì)組合物的聚合得到的聚合物電解質(zhì)。
由于在第一電極和第二電極之間使用了聚合物電解質(zhì)，根據(jù)本發(fā)明的染料敏化太陽能電池提供比常規(guī)染料敏化太陽能電池更高的能量轉(zhuǎn)化效率。另外，由于抑制了聚合物電解質(zhì)中溶劑的揮發(fā)，該染料敏化太陽能電池對(duì)環(huán)境變化(如太陽能電池外部溫度的升高)具有穩(wěn)定的光電化學(xué)性能。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制備染料敏化太陽能電池的方法，該方法包括制備第一電極并在第一電極的上表面形成多孔膜；通過用位于多孔膜上方預(yù)定距離處的玻璃覆蓋多孔膜而確定電池空間；將包含側(cè)鏈中具有至少一個(gè)乙二醇的單官能或多官能單體、聚合引發(fā)劑、鋰鹽和有機(jī)溶劑的聚合物電解質(zhì)組合物注入多孔膜與玻璃之間的電池空間，并聚合所述聚合物電解質(zhì)組合物以得到聚合物電解質(zhì)；除去所述玻璃，并在距離多孔膜和聚合的聚合物電解質(zhì)上面預(yù)定距離處形成第二電極；在第二電極中形成細(xì)孔，并通過該細(xì)孔注入液體電解質(zhì)。
盡管不是所有的方面都需要，但是第一電極可通過在透明塑料襯底或玻璃襯底上涂覆導(dǎo)電薄膜而制得，所述導(dǎo)電薄膜包含銦錫氧化物、銦氧化物、錫氧化物、鋅氧化物、硫氧化物，氟氧化物及其混合物中的至少一種，所述透明塑料襯底包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚萘二甲酸乙二酯(PEN)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯(PP)，聚酰亞胺(PI)和三醋酸酯纖維素(TAC)中的至少一種。
盡管不是所有的方面都需要，但是多孔膜23包括均勻分布的納米顆粒以提供多孔性和適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙?。多孔?3可由金屬材料如Ti，Zr，Sr，Zn，In，Yr，La，V，Mo，W，Sn，Nb，Mg，Al，Y，Sc，Sm，Ga，SrTi等形成。多孔膜23可進(jìn)一步包括導(dǎo)電顆粒，如銦錫氧化物(ITO)，以促進(jìn)電子的移動(dòng)。作為選擇，多孔膜23可進(jìn)一步包括光學(xué)散射體，以延長(zhǎng)光學(xué)路徑和提高效率。作為選擇，多孔膜23可進(jìn)一步都包括導(dǎo)電顆粒和光學(xué)散射體。
盡管不是所有的方面都需要，但是吸附于多孔膜上的染料可以是包含Ru絡(luò)合物并吸收可見光的材料。Ru是一種屬于鉑族的元素，可形成多種有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物。Ru復(fù)合物的實(shí)例包括含Al，Pt，Pd，Eu，Pb，Ir等的金屬?gòu)?fù)合物。常見的染料的實(shí)例包括N3染料[順式-二(異硫氰酸根)二(2，2’-聯(lián)吡啶-4，4’-二羧酸根)-合釕(II)]，N719染料[順式-二(異硫氰酸根)二(2，2’-聯(lián)吡啶-4，4’-二羧酸根)-合釕(II)-二四丁基銨]，等。
正在廣泛研究各種具有多種應(yīng)用和高效率的各種顏色的廉價(jià)有機(jī)色料的可用性。這種有機(jī)色料的實(shí)例包括暗藏青(Cuemarine)，屬于卟啉類的脫鎂葉綠甲酯酸等，這些色料可以單獨(dú)使用或與Ru復(fù)合物混合使用，以提高對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)可見光的吸收和效率。
當(dāng)將多孔膜浸入溶有染料的乙醇溶液中以后，這種染料在約12小時(shí)后自發(fā)地吸附到多孔膜上。
盡管不是所有的方面都需要，但是第二電極可以通過在透明塑料襯底或玻璃襯底上涂覆第一導(dǎo)電膜并在該第一導(dǎo)電膜上涂覆含有Pt或貴金屬材料的第二導(dǎo)電膜而得到，所述透明塑料襯底包括PET，PEN，PC，PP，PI，及TAC中的至少一種。盡管不是所有的方面都需要，但是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，因高反射率而使用Pt。
盡管不是所有的方面都需要，但是第一電極和第二電極利用載體膠粘薄膜、熱塑性聚合物膜(如SURLYN)等結(jié)合在一起，以使第一電極與第二電極之間的空間密封。形成通過第一電極或第二電極的細(xì)孔，通過該細(xì)孔將電解質(zhì)溶液注入到第一電極與第二電極之間的空間，并利用膠粘劑堵塞細(xì)孔以密封所述空間。
盡管不是所有的方面都需要，但是可以利用粘合劑如環(huán)氧樹脂、UV硬化劑等代替載體，以直接粘結(jié)第一電極和第二電極并密封所述空間。這種情況下，在熱處理或UV處理之后還要進(jìn)行固化處理。
盡管不是所有的方面都需要，但是除了染料敏化太陽能電池之外，根據(jù)本發(fā)明的聚合物電解質(zhì)還可用于使用聚合物電解質(zhì)的電池中。
在下文中，將結(jié)合下面的實(shí)施例和對(duì)比例詳細(xì)描述本發(fā)明。下面的實(shí)施例和對(duì)比例僅以說明為目的，并不限定發(fā)明范圍。
實(shí)施例制備涂有含氟的錫氧化物(FTO)的玻璃襯底作為第一電極。接下來，用刮刀法在第一電極上形成厚度為約18μm的TiO2層，將其在450℃下熱處理30分鐘，然后在0.3mM的Ru(4，4′-二羧基-2，2′-二吡啶)2(NCS)2染料的乙醇溶液浸漬24小時(shí)或更久，以進(jìn)行染料吸附。
圖3是多孔膜中發(fā)生的聚合的示意圖。通過用玻璃覆蓋面積為0.25cm2的吸收了染料的TiO2層33，制備夾心狀的電池結(jié)構(gòu)，同時(shí)將厚度為25μm的墊片31置于吸收了染料的TiO2層與玻璃之間。
制備聚合物電解質(zhì)組合物，其包含4.5重量份作為單體的二甘醇-2-乙基己基醚丙烯酸酯，0.09重量份作為聚合物引發(fā)劑的苯偶姻乙基醚，4.33重量份作為鋰鹽的LiClO4，及0.45重量份作為增塑劑的碳酸亞乙酯。
將聚合物電解質(zhì)組合物注入TiO2層33和玻璃層之間，并利用氙燈(ORIEL，300W，10mW/cm2)作為光源通過玻璃進(jìn)行照射，以誘導(dǎo)光聚合。聚合之后，將夾心狀電池結(jié)構(gòu)拆開以除去多余的聚合物，用乙醇清洗電池。這里，第一電極的結(jié)構(gòu)為聚二甘醇-2-乙基己基醚丙烯酸酯(PDEA)/染料/TiO2電極。
圖4A、4B和4C是用聚合物涂覆后通過FE-SEM分析得到的TiO2層的截面照片。圖5是實(shí)施例制備的染料敏化太陽能電池的紅外(IR)光譜。
接下來，通過旋涂法在透明的銦摻雜的錫氧化物(ITO)導(dǎo)體上沉積Pt電極，以制備第二電極。在第二電極中形成了用于注入電解質(zhì)的細(xì)孔。接下來，熱壓具有PDEA/染料/TiO2結(jié)構(gòu)的第一電極和Pt反電極(即第二電極)以與熱塑性聚合物膜結(jié)合在一起。通過細(xì)孔將氧化還原電解質(zhì)注入到第二電極中，并利用熱塑性聚合物膜密封該細(xì)孔，從而得到完整的染料敏化太陽能電池。
所用氧化還原電解質(zhì)是通過將0.6M的1-己基-2，3-二甲基咪唑鎓碘化物、0.1M的碘化鋰、0.05M的4-叔丁基吡啶溶解在3-甲氧基丙腈溶劑中制得的。
利用強(qiáng)度為100mW/cm2的光源和硅標(biāo)準(zhǔn)電池，從所得到的電流電壓曲線中讀出在實(shí)施例中制備的染料敏化太陽能電池的短路電流、開路電壓、填充系數(shù)(FF)、效率等。
對(duì)比例制備用含氟的錫氧化物(FTO)涂覆的玻璃襯底，作為第一電極。接下來，用刮刀法在第一電極上形成厚度為約18μm的TiO2層，在450℃下熱處理30分鐘，然后浸入0.3mM Ru(4，4′-二羧基-2，2′-二吡啶)2(NCS)2染料的乙醇溶液24小時(shí)或更久使染料吸收。
接下來，將Pt電極放于透明的摻雜銦的錫氧化物(ITO)導(dǎo)體上通過旋涂來制備第二電極。在第二電極中形成了用于電解質(zhì)注入的細(xì)孔。接下來，將具有PDEA/染料/TiO2結(jié)構(gòu)的第一電極和Pt反電極，也就是第二電極，與熱塑性聚合物膜熱壓粘合在一起。將氧化還原電解質(zhì)通過在第二電極的細(xì)孔注入，然后將細(xì)孔用熱塑性聚合物膜密封，從而得到一個(gè)完整的染料敏化太陽能電池。在對(duì)比例中用與上述實(shí)施例相同的電解質(zhì)作為氧化還原電解質(zhì)。
從用100mW/cm2強(qiáng)度的光源和硅標(biāo)準(zhǔn)電池得到的電流電壓曲線中讀出對(duì)比例制備的染料敏化太陽能電池的短路電流(Jsc)、開路電壓(Voc)、填充系數(shù)(FF)、效率等。
表1是實(shí)施例和對(duì)比例中的染料敏化太陽能電池的性能比較結(jié)果。
表1

如上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的染料敏化太陽能電池在第一和第二電極之間包括聚合物電解質(zhì)和液體電解質(zhì)。根據(jù)實(shí)施例的染料敏化太陽能電池提供了比常規(guī)的染料敏化太陽能電池提高的能量轉(zhuǎn)化效率。
由于下述原因，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的染料敏化太陽能電池具有比常規(guī)的染料敏化太陽能電池更大的Jsc值。根據(jù)參考文獻(xiàn)[Ana F Nogueira，DurrantJ.R和Maroc A De Paoli.，Adv.Mater.13(2001)826和Ana F Nogueira，Maroc ADe Paoli.，Montanari l，Monkhouse R，Nelso J和Durrant J R，J.Phys.Cem.B，105(2001)7517]，期望填有PDEA的TiO2層中的離子遷移率降低。此外，低離子遷移率通過抑制染料陽離子與I-離子的反應(yīng)導(dǎo)致光電流更低。
然而，參考圖6，它是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的染料敏化太陽能電池的J-V曲線，具有填有PDEA的TiO2層的電池中的光電流上升了，表示填有PDEA的TiO2層不影響離子遷移率，正好象海綿一樣保持了電解質(zhì)I3-1/I-1。
這些性能影響電池的使用壽命。圖7和8分別是通過測(cè)量18天的電池日效率得到的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的染料太陽能電池的電流與時(shí)間和電壓與時(shí)間的關(guān)系圖表。
參照?qǐng)D7，常規(guī)的電池比填有PDEA的電池的電流下降得快。這是由于PDEA減少了氧化還原電解質(zhì)在電池中的泄漏。
參照?qǐng)D8，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的填有PDEA的電池的電壓比常規(guī)電池的電壓高。填有PDEA TiO2層中存在比常規(guī)電池中更多的電子，這可通過含Li+溶液中TiO2層的電變色(electrochromic)性能來確定。
參照?qǐng)D9，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的填有PDEA的電池在平帶電勢(shì)(Vfb)為負(fù)電勢(shì)時(shí)的吸收比常規(guī)電池的吸收大或小，說明填有PDEA的TiO2層比常規(guī)電池含有更多的自由電子。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，聚合物電解質(zhì)溶劑的揮發(fā)減到了最小，因此得到抵抗環(huán)境改變，如太陽能電池的外部溫度升高的穩(wěn)定光電化學(xué)性能。此外，還可生產(chǎn)更高電壓的高效染料敏化太陽能電池。
雖然列出和描述了本發(fā)明的一些實(shí)施方案，但是顯而易見地，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)實(shí)施方案作出的修改不會(huì)脫離本發(fā)明的原理和精神、權(quán)利要求確定的保護(hù)范圍和與其相當(dāng)?shù)摹?br> 權(quán)利要求
1.一種用于染料敏化太陽能電池的聚合物電解質(zhì)組合物，該組合物包括在側(cè)鏈中至少具有一個(gè)乙二醇的單官能或多官能的單體；聚合引發(fā)劑；鋰鹽；及有機(jī)溶劑。
2.權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)組合物，其中所述單官能或多官能單體選自選自(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、乙基己基醚丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸甲氧基乙酯和(甲基)丙烯酸乙氧基乙酯的烷基或烷氧基(甲基)丙烯酸酯，以及選自新戊酸乙烯基酯、丙酸乙烯基酯、乙烯基吡啶、乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甘醇-2-乙基己基醚丙烯酸酯、丙烯酸乙烯基酯、三羥甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯及其衍生物、季戊四醇四(甲基)丙烯酸酯及其衍生物和二季戊四醇六(甲基)丙烯酸酯及其衍生物的乙酸乙烯酯。
3.如權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)組合物，其中所述單官能或多官能單體的量按100重量份的聚合體電解質(zhì)組合物計(jì)為1～10重量份。
4.如權(quán)利要求2所述的聚合物電解質(zhì)組合物，其中所述二甘醇-2-乙基己基醚丙烯酸酯的量按100重量份的聚合體電解質(zhì)組合物中計(jì)為1～10重量份。
5.如權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)組合物，其中所述單官能或多官能單體的重均分子量為100～1000。
6.如權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)組合物，其中所述聚合引發(fā)劑是選自過氧化苯甲酰，偶氮二異丁腈，二苯甲酮，苯乙酮，苯偶姻甲基醚，及苯偶姻乙基醚中的至少一種。
7.如權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)組合物，其中所述聚合引發(fā)劑的量按100重量份的聚合物電解質(zhì)組合物計(jì)為0.05～0.2重量份。
8.如權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)組合物，其中所述鋰鹽為選自LiPF6，LiClO4，LiBF4，LiCF3SO3，LiN(CF3SO2)2，LiC(CF3SO2)3，LiSCN，LiSbF6和LiAsF6中的一種，及其兩種或多種的混合物。
9.如權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)組合物，其中所述鋰鹽的濃度為0.4～1.5M。
10.如權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)組合物，其中所述有機(jī)溶劑為選自下列中的至少一種乙腈(AN)，乙二醇，丁醇，異丁醇，異戊醇，異丙醇，乙醚，二氧己環(huán)，四氫丁烷，四氫呋喃，正丁醚，丙醚，異丙醚，丙酮，甲基乙基酮，甲基丁基酮，甲基異丁基酮，碳酸亞乙酯(EC)，碳酸二乙酯(DEC)，碳酸亞丙酯(PC)，碳酸二甲酯(DMC)，碳酸甲乙酯(EMC)，γ-丁內(nèi)酯(GBL)，N-甲基-2-吡咯烷酮，及3-甲氧基丙腈(MP)，且該有機(jī)溶劑的量按100重量份的聚合物電解質(zhì)組合物計(jì)為10～90重量份。
11.如權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)組合物，進(jìn)一步包括選自碳酸亞乙酯和碳酸亞丙酯的增塑劑。
12.如權(quán)利要求1所述的聚合物電解質(zhì)組合物，其中所述單官能或多官能單體為二甘醇-2-乙基己基醚丙烯酸酯，所述聚合引發(fā)劑為苯偶姻乙基醚，所述鋰鹽為L(zhǎng)iClO4，并且進(jìn)一步包含作為增塑劑的碳酸亞乙酯。
13.一種通過聚合權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)的聚合物電解質(zhì)組合物得到的聚合物電解質(zhì)。
14.如權(quán)利要求13所述的聚合物電解質(zhì)，進(jìn)一步包含液體電解質(zhì)。
15.如權(quán)利要求14所述的聚合物電解質(zhì)，其中所述液體電解質(zhì)包括鋰鹽或有機(jī)溶劑。
16.一種制備染料敏化太陽能電池的方法，該方法包括制備第一電極并在該第一電極的表面上形成多孔膜；用距離該多孔膜預(yù)定距離的玻璃覆蓋該多孔膜，確定電池空間；將聚合物電解質(zhì)組合物注入多孔膜與玻璃之間的電池空間，并聚合該聚合物電解質(zhì)組合物，到聚合物電解質(zhì)，其中該聚合物電解質(zhì)組合物包含側(cè)鏈中具有至少一個(gè)乙二醇的單官能或多官能單體、聚合引發(fā)劑、鋰鹽和有機(jī)溶劑；除去所述玻璃，并在距離多孔膜和聚合的聚合物電解質(zhì)預(yù)定距離處形成第二電極；及在第二電極中形成細(xì)孔，并通過該細(xì)孔注入液體電解質(zhì)。
17.一種染料敏化的太陽能電池，包括彼此面對(duì)的第一和第二電極；置于第一和第二電極之間的吸收了染料的多孔膜；及置于第一和第二電極之間的根據(jù)權(quán)利要求13的聚合物電解質(zhì)。
全文摘要
一種用于染料敏化太陽能電池的聚合物電解質(zhì)組合物，聚合物電解質(zhì)，應(yīng)用所述聚合物電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池，及其制備方法。用于染料敏化太陽能電池的聚合物電解質(zhì)組合物包括在側(cè)鏈中具有至少一個(gè)乙二醇的單官能或多官能單體；聚合引發(fā)劑；鋰鹽；及有機(jī)溶劑。聚合物電解質(zhì)抑制了氧化還原電解質(zhì)的揮發(fā)，并提供穩(wěn)定的光電化學(xué)性能，以抵抗環(huán)境變化如太陽能電池外部溫度升高。染料敏化太陽能電池包括彼此面對(duì)的第一和第二電極；布置在第一和第二電極之間的吸收染料的多孔膜；及布置在第一和第二電極之間的聚合物電解質(zhì)。該染料敏化太陽能電池具有高電壓和高光電轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號(hào)C08K5/109GK1872910SQ20061009985
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月16日
發(fā)明者樸晶遠(yuǎn), 金康鎮(zhèn), 葛承勛, 李禾燮, 申炳哲 申請(qǐng)人:三星Sdi株式會(huì)社