專利名稱：?jiǎn)侮庪x子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)及其制備方法和應(yīng)用，屬于電解質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)及其制備方法，以及該固態(tài)電解質(zhì)在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
染料敏化太陽能電池由于光電轉(zhuǎn)換效率高、制作簡(jiǎn)單、材料成本低廉、穩(wěn)定性好而備受關(guān)注。目前高效率的染料敏化太陽能電池都是采用含有乙腈、3-甲氧基丙腈等易揮發(fā)性有機(jī)溶劑的液態(tài)電解質(zhì)。有機(jī)溶劑的易揮發(fā)與泄露等問題嚴(yán)重限制了基于液態(tài)電解質(zhì)的染料敏化太陽能電池的工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。用凝膠電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)雖然可在一定程度上解決電解質(zhì)的密封問題，但凝膠電解質(zhì)仍含有液態(tài)成份，特別是在溫度較高時(shí)，仍存在電解質(zhì)泄漏的問題。采用不含任何液態(tài)成份的固態(tài)電解質(zhì)代替液態(tài)電解質(zhì)制備染料敏化太陽能電池可以徹底解決電池電解質(zhì)密封的問題。但目前報(bào)道的不含任何液態(tài)成份的染料敏化太陽能電池固態(tài)電解質(zhì)由于電導(dǎo)率低、與電極界面接觸性能差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致組裝的固態(tài)染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種穩(wěn)定性好，電導(dǎo)率高，易密封，與電極界面接觸良好且不含任何液態(tài)成份的單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)； 同時(shí)提供該固態(tài)電解質(zhì)的制備工藝。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于由聚合物A、碘單質(zhì)和無機(jī)納米粒子，按重量比1 0 0.2 0 0.5組成，聚合物A的化學(xué)式為
r+/=/=Ur
一 —N^ N-(CH2)- N ^ N-(CH2)5r -其中，1 = 5 500的自然數(shù)。優(yōu)選的，由聚合物Α、碘單質(zhì)和無機(jī)納米粒子，按重量比1 0. 05 0. 15 0. 1 0.4組成。其中，所述聚合物A由烷基二咪唑B和二碘代烷C按摩爾比1 1.2 1.2 1
混合，在溫度60 100°C下聚合反應(yīng)生成，烷基二咪唑B和二碘代烷C的化學(xué)式分別為 /=\ f=\B =N^N-(CH2)5rNn^N C =I-(CH2)^ I 其中，η = 3 7，m = 1、3 6 的自然數(shù)。所述無機(jī)納米粒子為Si02、TiO2中的一種或兩種任意比例的混合物，納米粒子的粒徑為為10 300nm。上述單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，包括如下步驟
1)將烷基二咪唑B和二碘代烷C按上述摩爾比混合，再按比例加入碘單質(zhì)和/或無機(jī)納米粒子形成固態(tài)電解質(zhì)前趨體；2)將上述固態(tài)電解質(zhì)前趨體升溫到60 100°C，烷基二咪唑B與二碘代烷C發(fā)生聚合反應(yīng)生成聚合物A使電解質(zhì)固化，即得。該單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)主要應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中，作為染料敏化太陽能電池中的電解質(zhì)，可有效避免傳統(tǒng)染料敏化太陽能電池液態(tài)電解質(zhì)的泄露問題，改善電解質(zhì)/電極的界面接觸。本發(fā)明的單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)體系，通過調(diào)控電解質(zhì)中碘和無機(jī)納米粒子的加入量、烷基二咪唑B和二碘代烷C的分子結(jié)構(gòu)、固化反應(yīng)過程的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，可以調(diào)控電解質(zhì)的組成及聚集狀態(tài)，可形成離子擴(kuò)散與電荷交換的雙重電導(dǎo)機(jī)制，這大大提高了所制備電解質(zhì)的電導(dǎo)率；電解質(zhì)的反應(yīng)固化過程可在電極表面原位進(jìn)行，這可改善電解質(zhì)與電極的界面接觸，同時(shí)易實(shí)現(xiàn)電池的連續(xù)化生產(chǎn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)所具有的有益效果是 1、制備工藝簡(jiǎn)單，電解質(zhì)中不含任何液態(tài)成份，能徹底解決了液態(tài)電解質(zhì)面對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)、 實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的易泄漏、不易密封的問題；2、電解質(zhì)的固化過程可以在電極表面原位進(jìn)行，可大大改善電解質(zhì)與電極的界面接觸；3、電解質(zhì)中陽離子被固定在電解質(zhì)中聚合物主鏈上，只有陰離子r和I3-可以傳導(dǎo)，結(jié)合無機(jī)納米復(fù)合可在電解質(zhì)體系中形成離子擴(kuò)散和電荷交換的雙重電導(dǎo)機(jī)制，使電解質(zhì)有較高的電導(dǎo)性。4、本發(fā)明制備的單陰離子聚合物固態(tài)電解質(zhì)應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5. 5%以上，而且電解質(zhì)固化與電池組裝可同步在線完成，適合于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)過程。


圖1為實(shí)施例14制備的單陰離子聚合物全固態(tài)電解質(zhì)染料敏化太陽能電池中電解質(zhì)對(duì)二氧化鈦電極的浸潤情況，圖Ia為加入電解質(zhì)前；圖Ib為加入電解質(zhì)后。圖2為實(shí)施例14中制備的單陰離子聚合物全固態(tài)電解質(zhì)組裝的染料敏化太陽能電池的I-V特性曲線。下面結(jié)合附圖1 2對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，其中實(shí)施例14為最佳實(shí)施例
具體實(shí)施例方式下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；下述烷基二咪唑合成方法參見文獻(xiàn)(S. K. Sharma, M. Tandon, J. W. Lown, J. Org. Chem, 2000,65 :1102)，其他所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。本發(fā)明中染料敏化二氧化鈦工作電極的制備方法首先對(duì)導(dǎo)電玻璃進(jìn)行預(yù)清潔處理，然后將含有3wt%聚苯乙烯粒子(粒徑為40nm) 的二氧化鈦漿料涂敷在處理好的導(dǎo)電玻璃上，室溫晾干后，在450°C下處理30分鐘，然后浸入N3染料的乙醇溶液中，保持12小時(shí)后，用無水乙醇沖洗，即得染料敏化二氧化鈦工作電極。本發(fā)明中染料敏化太陽能電池對(duì)電極的制備方法將濃度為0. 007M濃度的H2PtCl6的異丙醇溶液噴涂到預(yù)熱到60°C的導(dǎo)電玻璃上，溶劑揮發(fā)后，將其加熱390°C，15分鐘后取出，得電池對(duì)電極。實(shí)施例1將0. Olmol (1. 96g)N, N'-戊基二咪唑與 0. Olmol (3. 02g) 1,4- 二碘丁烷混合均勻(N，N'-戊基二咪唑與1，4_ 二碘丁烷摩爾比為1 1)，形成固態(tài)電解質(zhì)前趨體。在溫度90°C下N，N'-戊基二咪唑與1，4_ 二碘丁烷發(fā)生聚合反應(yīng)生成聚合物Al，使電解質(zhì)前趨體固化，得到單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)，聚合物Al的結(jié)構(gòu)為
權(quán)利要求
1.一種單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于由聚合物A、碘單質(zhì)和無機(jī)納米粒子，按重量比1 0 0.2 0 0.5組成，聚合物A的化學(xué)式為一 _N^N-(CH2)- N^N+-(CH2)5r -其中，1 = 5 500的自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于由聚合物A、 碘單質(zhì)和無機(jī)納米粒子，按重量比1 0.05 0.15 0.1 0.4組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述聚合物A 由烷基二咪唑B和二碘代烷C按摩爾比1 1.2 1.2 1混合，在溫度60 100°C聚合反應(yīng)生成，烷基二咪唑B和二碘代烷C的化學(xué)式分別為 /=\ f=\B =N^N-(CH2)5rN^N C =I-(CH2)^I 其中，η = 3 7，m = 1、3 6 的自然數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)，其特征在于所述無機(jī)納米粒子是Si02、Ti&中的一種或兩種任意比例的混合物，納米粒子的粒徑為10 300nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)所述的單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)的制備方法，其特征在于，包括如下步驟5. 1將烷基二咪唑B和二碘代烷C按摩爾比1. 2 1 1 1. 2混合，加入碘單質(zhì)和/ 或無機(jī)納米粒子形成固態(tài)電解質(zhì)前趨體；5.2將上述固態(tài)電解質(zhì)前趨體升溫到60 100°C，烷基二咪唑B與二碘代烷C發(fā)生聚合反應(yīng)生成聚合物A使電解質(zhì)固化，即得。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)所述的單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)在染料敏化太陽能電池中作為電解質(zhì)的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單陰離子傳導(dǎo)聚合物固態(tài)電解質(zhì)及其制備方法，以及該固態(tài)電解質(zhì)在染料敏化太陽能電池中的應(yīng)用，屬于電解質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于由聚合物A、碘單質(zhì)和無機(jī)納米粒子，按重量比1∶0～0.2∶0～0.5組成。該固態(tài)電解質(zhì)制備工藝簡(jiǎn)單，電解質(zhì)中不含任何液態(tài)成份，能徹底解決了液態(tài)電解質(zhì)面對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)、實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的易泄漏、不易密封的問題，同時(shí)能改善固態(tài)電解質(zhì)的界面擴(kuò)散滲透和界面接觸。該固態(tài)電解質(zhì)的單陰離子傳導(dǎo)性質(zhì)可以消除陽離子的不利影響，有效提高電解質(zhì)中氧化還原對(duì)的傳輸速率。應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到5.5％以上，電解質(zhì)固化與電池組裝可同步在線完成，適合于大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)過程。
文檔編號(hào)H01G9/028GK102522204SQ20121000609
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者王桂強(qiáng), 禚淑萍 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)