材料性质与制备..docVIP

聚离子液体电解质的合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用 摘要：染料敏化太阳能电池 (Dye-Sensitized Solar Cells，简称 DSSC）由于结构简单、易于制造、成本低廉、制备过程无污染等优点，成为近几年来太阳能领域研究的热点。本文介绍了染料敏化太阳能电池（DSSC）的结构、工作原理、电解质和聚离子液体电解质等方面，并对 DSSC 的发展前景进行展望。 关键词：染料敏化太阳能电池、电解质、聚离子液体电解质、前景 引言 离子液体(ILs，ionic liquids)是一类完全由阴、阳离子组成，在室温或接近室温下呈液态的有机熔融盐。由于离子液体几乎不挥发(蒸汽压接近于零)，并且具有优良的化学稳定性、热稳定性，能够被循环利用等优点，被称为“绿色溶剂”。作为一种新型的溶剂、介质、催化剂及“软材料”， 离子液体在有机合成、分离过程中日益发挥其独特的作用。由于其具有可忽略的蒸汽压、良好的电导性、较高的热稳定性和化学稳定性以及宽的电化学窗口等独特的性质，离子液体为研究开发高效、清洁、节能的新工艺及新过程带来了新的机遇。 近年来，离子液体的研究受到人们越来越多的关注。为了满足各种特殊用途的需要，合成具有某些特殊性质的离子液体，如低的熔点、相对适中的粘度、高的电导率的离子液体已经逐渐成为该领域的研究热点。离子液体在生物传感器、气体分离、锂电池、燃料电池等领域已经得到应用。尤其在染料敏化太阳能电池领域，得到了广泛的研究和使用。DSSC结构 染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cell， DSSC)1所示。染料敏化电池料敏化太阳电池是一种“三明治”式的夹心结构，主要由半导体氧化物纳米薄膜(如二氧化钛)、电解质(通常为I3-/I-氧化还原对)以及阴极材料(铂电极)组成。 图1 DSSC的结构 2.DSSC工作原理 太阳光照射染料分子使其处于激发态，激发态的染料分子迅速将电子注射到纳米TiO2 的导带中去，电子在TiO2 膜中传输后在导电基片上富集并通过外电路流向阴极，释放出电子的氧化态染料分子被I3-/I-中的电子供体I-还原而回到基态实现染料的再生，同时I-被氧化成I3-，生成的I3-再在阴极处得到电子重新生成I-，从而完成一个循环过程。其中电解质中的氧化还原对起到传送电子的作用，它们在电解质中的扩散速度对电池的性能有着重要影响。 3.染料敏化太阳电池的分类 根据目前的研究情况，染料敏化太阳电池可以分为 3 类：液体电解质电池溶胶-凝胶电解质电池和固态电解质电池这3种电池的光阳极都采用纳米多孔TiO2半导体薄膜，染料光敏化剂主要也是以钌为中心离子的配合物，反电极主要利用铂电极或具有单分子层的铂电极,3种电池的主要区别在于电池中电解质的不同。 在DSSC中，电解质体系除了起到染料再生和传输电荷的作用外，还将引起二氧化钛、染料及氧化还原电对能级的改变，导致体系的热力学及动力学特性的变化，从而对电池的光电压和光电转化效率产生很大的影响。电解质体系中起关键作用的因素是氧化还原电对，理想的氧化还原电对应需满足：① 能快速地与阴极电子发生氧化还原反应，以减少电子在阴极的积累；② 对阳极半导体导带中的光电子有低的反应活性，以减少暗反应的发生；③ 具有与染料能级匹配的氧化还原电势，以能迅速还原氧化态染料，从而减少注入电子与氧化态染料间的反向复合。按照电解质的物理状态可分为：液态电解质、准固态电解质和固态电解质。 3.1 液态电解质 液态电解质按其成分不同又可分为有机溶剂液态电解质和离子液体电解质。有机溶剂液态电解质主要由氧化还原电对、有机溶剂和添加剂组成。目前广泛使用的氧化还原电对是I-/I3-，但它与染料的能级不是很匹配，应用它作电解质的氧化还原电对时，将会造成0.6 eV的电压损失。后来有人报道用多吡啶Co(Ⅱ/Ⅲ)化合物电对取代I-／I3-3.2 准固态电解质 应用于DSSC的有机胶凝小分子一般含有酰胺键、羟基、胺基等极性基团或长脂肪链，通过氢键、π-π键、静电引力、范德华力以及疏水性作用以实现对液态电解质的凝胶化。利用小分子凝胶剂固化液态电解质并不会对电池的光电效率产生太大影响。2004年，德国和瑞士的研究者用山梨醇的衍生物(D-MDBS)固化有机溶剂液态电解质，得到6.1％ 3.3 固态电解质 染料敏化太阳电池用固态电解质的研究十分活跃，研究较多的是有机空穴传输材料和无机 p 型半导体材料。 3.3.1有机空穴传输材料 有机空穴传输材料主要是 OMeTAD、P3HT、P3OT、PDTI、PTPD 等取代三苯胺类的衍生物和聚合物噻吩和吡咯等芳香杂环类衍生物的聚合物U.Bach 等人用取代三苯胺类的衍生物（如 OMeTAD）作为染料敏化太阳电池的有机空穴传输材料，并加入掺杂剂N（PhBr）3SbC