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染色灵敏新能源电池里的运用

发布时间:2018-01-19 11:00:24浏览次数:1116次

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      1有机小分子凝胶电解质

  应用于染料敏化太阳能电池的有机小分子凝胶剂主要包括糖类衍生物、氨基酸类化合物、酰氨(脲)类化合物、联(并)苯类化合物等。相对于高分子聚合物来说,小分子凝胶剂的分子量比较小,一般都在1000以下。小分子凝胶剂一般都含有酰胺键、羟基、胺基等极性基团或长脂肪链。

  在有机溶剂中,凝胶分子之间通过氢键,π-π键、静电引力、范德华力以及疏水性相互作用使液态电解质凝胶化。具体操作是先将小分子凝胶剂加入到液态电解质中,加热到一定温度使电解质保持液态,然后再趁热将其注入到两个电极之间,这样就能保证电解质与纳米TiO2薄膜之间的充分接触,等温度下降到室温后,液态电解质就会变成准固态。需要特别提到的是,用小分子凝胶剂凝胶液态电解质,凝胶化后电池的效率并不明显下降。

染色灵敏新能源电池里的运用

  利用有机小分子凝胶剂固化液态电解质做出来的DSSC具有良好的光电性能。日本的Wataru Kubo等人最早开始将小分子凝胶剂用在准固态电解质的制备上,1998年,他们用氨基酸类化合物来凝胶液态电解质,制得的DSSC在100 mW/ cm 2的光强下光电转换效率超过3 %.2001年,他们用四种小分子凝胶剂固化液体电解质,其中液态电解质的组成为:016 mol/ L1 ,2 -二甲基- 3 -丙基咪唑碘、011 mol/ L I2、011 mol/ L LiI、1 mol/ L 4 -叔丁基吡啶,溶剂为3 -甲氧基丙腈。所使用的四种凝胶剂如1所示,做出来的DSSC性能见。

  1用四种凝胶剂做出来的准固态DSSC的性能

  2双(3 ,4 -二甲基-二苯亚甲基山梨醇)材料、化工使用有机小分子凝胶电解质做出来的DSSC的确具有很好的光电性能,但后来研究者发现这种准固态电解质并不是很稳定,随着时间的延长,电解质体系中的溶剂仍会挥发,于是人们开始将目光投向离子液体电解质。离子液体电解质不挥发,并且具有较大的温度稳定范围、较好的化学稳定性及较宽的电化学窗口。

  虽然使用小分子凝胶剂做出来的太阳能电池具有很高的效率,但小分子凝胶剂分子之间只是依靠比较弱的分子间力形成不稳定的物理交联。所以这种电解质往往机械性能很差,而且这种准固态电解质是热可逆性的,在比较高的温度下还会变成液态电解质。这样一来,电池的稳定性就会下降,寿命就会降低。

  2聚合物凝胶电解质

  聚合物是制备准固态电解质最常用的物质,一般来说,这类聚合物包括高分子聚合物和低分子聚合物,这两种聚合物各有优缺点。高分子聚合物形成的空间网络结构比较稳定,机械强度比较好;但同时电解质体系的粘度较大,导电性差,而且电解质与TiO2膜的亲和性不好,造成电解质与TiO2膜之间的阻抗升高。低聚物形成的准固态电解质虽然机械性能稍差,但这类电解质往往具有很高的电导率,做出来的电池具有较高的光电转化效率。

  用高分子聚合物来制备准固态电解质时通常还需要加入起交联或增塑作用的小分子。目前使用的高分子聚合物主要有聚氧化乙烯( PEO)、聚乙烯吡啶、聚丙烯腈(PAN)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、偏氟乙烯和六氟丙稀的共聚物P(VDF - HFP)、聚环氧丙烷等。但是为了提高聚合物的导电性和机械性能,人们通常采用两种或多种高分子共聚的方法。聚合物本身是长链状结构,在准固态电解质中,聚合物链之间形成相互交联的三维网络结构,这种结构之间的支撑力是原子共价键,所以这种结构要比小分子凝胶剂形成的结构稳定得多,而且这种准固态电解质往往是热不可逆性的。

染色灵敏新能源电池里的运用

  用聚合物来制备准固态电解质一般有两种方法:一是像使用小分子凝胶剂一样将聚合物加到液态电解质当中进行反应,产生交联,生成准固态电解质;二是先将聚合物成膜,然后再吸收液态电解质变成准固态电解质。

  目前在DSSC领域,各国的研究者们竞相把高分子聚合物用在准固态电解质上。起初,研究者们虽然在高分子聚合物中加入了一些增塑类的小分子,但电池的效率始终上不去,究其原因,是因为在这种电解质中导电离子的迁移不是像在液态电解质中通过自由空间(free volume)传输,而是借助于导电离子与高分子链上的一些原子发生路易斯酸-碱作用或高分子链的运动进行的,具有这种导电方式的电解质电导率低,不能满足实际需要。

  因此在后来的研究中,研究者们普遍采用共聚的方法或使用低分子聚合物做凝胶剂,这样就能在准固态电解质体系中增加更多的自由空间,从而使电解质的电导率得到提高。

  在国外,日本的Sakaguchi将高分子聚合物同小分子交联剂结合,在不增加聚合物用量的情况下可以达到很好的凝胶效果。2004年,韩国的Dong2Won Kim等人先将丙烯腈(AN)和丙烯酸甲脂(MMA)共聚成膜,然后浸泡在液态电解质当中,最后做出来的DSSC在100 mW/ cm 2光强下Jsc、Voc、η分别为6127 mA cm - 2、0172 V、214 %.

  制作这种DSSC时,先在吸附染料后的电极上形成一层聚合物膜,然后将电极和膜一起浸泡在液态电解质中。用这种聚合物制得的DSSC在100 mW/ cm2光强下Jsc、Voc、FF分别为1418 mA/ cm 2、0178V、0170 ,光电转换效率高达811 %.

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