博士论文染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状(4)

咪唑类阳离子不但可以吸附在纳米TiO2颗粒的表面，而且也能在纳米多孔膜中形成稳定的Helmholz层，阻碍了I3-离子与纳米TiO2膜的接触，有效地抑制了导带电子与电解质溶液中I3-离子在纳米TiO2颗粒表面的复合，从而大大提高了电池的填充因子、输出功率和光电转换效率。此外，由于咪唑类阳离子的体积大于碱金属离子的体积，因此增大碘盐中阳离子的体积，会导致阳离子对I-的束缚力减弱。这样，一方面可提高碘盐在有机溶剂中的溶解度，从而可提高I-的浓度；另一方面因阳离子对I-的束缚力减弱，I-的还原活性和在有机溶剂中的迁移速率将会增强。两者均有利于提高氧化态染料Ru(III)再生为基态Ru(II)的速率，使得在连续光照条件下，基态Ru(II)仍能保持高浓度，而有利于光的吸收和染料的稳定。所以咪唑类阳离子在染料敏化纳米薄膜太阳电池中的应用是十分重要的。

简要介绍资料的主要内容,以获得更多的关注

1.6.3 添加剂

染料敏化纳米薄膜太阳电池电解质溶液中的常用添加剂有4-叔丁基吡啶(TBP)和N-甲基苯并咪唑(NBI)等。H. Kusama43,44等对这两种添加剂对电池性能的影响作了详细的讨论。 N

N4-叔丁基吡啶(TBP)N-甲基苯并咪唑(NBI)

图1.7 常用添加剂的结构式

由于4-叔丁基吡啶可以通过吡啶环上的N与TiO2膜表面上不完全配位的Ti配合，阻碍了导带电子在TiO2膜表面与溶液中I3-复合，可明显提高太阳电池的开路电压、填充因子和光电转换效率。在吡啶环上引入叔丁基等大体积基团，以增大导带电子与溶液中I3-在TiO2膜表面复合的空间位阻，从而减小导带电子与I3-的复合速率，此外，叔丁基的给电子诱导效应强，可促进吡啶环上的N与TiO2膜表面上不完全配位的Ti配合43。另外也有研究组发现在有咪唑类阳离子形成的Helmholz层存在下，4-叔丁基吡啶主要是通过减少Dye—Ru(II)—NCS I2-、Dye—Ru(III)—NCS I2-、Dye—Ru(II)—NCS I2和Dye—Ru(II)—NCS I3-的等中间态的浓度，来加速I-被氧化态染料的氧化，抑制其与导带电子的复合，从而加快染料的再生，促进光的吸收。

H. Kusama44等详细研究了20多种苯并咪唑衍生物在以I3-/I-为氧化还原电对的电解质中对光电转化的影响，结果发现苯并咪唑衍生物的加入能提高电池的开路电压、填充因子，但同时会降低短路电流。他们的研究表明苯并咪唑基团上3位的N原子的局部电荷密度越大，更容易吸附在电极上有自由的路易斯酸的部位，从而抑制了暗电流的产生，根据式1.13就可以理解此过程伴随着开路电压的升高。从另外一个角度也可以理解，由于苯并咪唑衍生物吸附在电极上，使得电极的平带电位上升，假设衍生物的加入并不影响电解质的氧化还原电位，根据式

1.15也可发现开路电压是增高的。

Voc = |VFB -Vred| (1.15)

VFB为电极TiO2的平带电位，Vred为电解质的氧化还原电位。

1.7 准固态电解质的研究进展

1.7.1 准固态电解质研究的目的和意义

从效率的角度考虑，液体电解质由于其扩散速度较快比固体电解质具有一定

简要介绍资料的主要内容,以获得更多的关注

第一章 染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及研究现状

的优势，但液态电解质存在许多缺点45,46,47如：①液态电解质的存在易导致敏化染料的脱附；②溶剂会挥发，导致染料加速降解；③密封程序复杂，密封剂可能与电解质反应；④由扩散控制的载流子迁移速度慢，在高强度光照下光电流变得不稳定；⑤离子迁移的不可逆性也不能完全排除，因为除了氧化还原循环之外的其他反应不可能完全避免。因此，许多科学家在染料敏化纳米晶太阳电池的固态化方面进行了大量的研究工作。

从实用的角度考虑，用固体电解质替代液体电解质将是染料敏化太阳能电池发展的趋势。顾名思义，固体电解质即不加任何溶剂，而以有机固体、染料、无机材料（TiO2）组成固态电池。然而，直到目前为止，全固态染料敏化纳米晶太阳电池转换效率仍然不高。通过计算表明，阻碍高效率的固态染料敏化纳米晶太阳应用主要有两个方面48,49：①TiO2 与空穴传输层之间的界面电荷复合率高；②空穴传输材料本身的导电率很低。科研工作者一般都从这两个角度进行改进研究，其中借鉴锂离子固态电解质被认为是解决问题的有效途径36。而准固态电解质介于液态电解质和固态电解质之间，它可以较好地避免液体电解质中溶剂易挥发的缺点，也可以克服全固态电解质中空穴传输材料本身的导电率低的问题，目前准固态电解质的研究引起了研究者的极大兴趣。对于准固态电解质的研究主要是改变不同的胶凝剂，包括小分子凝胶、高分子等其它的胶凝剂。

1.7.2以小分子凝胶为固化剂的准固态电解质

能用于胶凝有机溶剂的有机小分子胶凝剂很多，但在太阳能电池中应用的有机小分子胶凝剂的报道并不多。常用的是含有酰胺键和长脂肪链的有机小分子，通过酰胺键之间的氢键和在有机液体中伸展开的长脂肪链之间的分子间力，使液体电解质固化形成准固态的溶胶—凝胶电解质50,51。因为这些小分子凝胶在被加热的时候可以呈液体状态，冷却的时候又可转化成凝胶状，所以在升高温度的时候容易使电解质进入多孔电极中。

2001年Yanagida小组报道了4种有机凝胶小分子化合物3-6用来胶凝液态电解质52。他们所用得液态电解质的组成成分为0.6 mol/dm-3 1,2-二甲基-3-丙基咪唑碘(DMPII)、0.1 mol/dm-3 I2、0.1 mol/dm-3 LiI、1 mol/dm-3 4-叔丁基吡啶(TBP)和3-甲氧基丙腈(MePN)，通过改变脂肪链的长度和胶凝剂的加入量等方法，得到了胶凝温度分别为47-49℃、58-60℃、61-63℃和85-87℃的溶胶—凝胶准固态电解质，详细地比较了四种不同胶凝分子的存在对电池光电转化性能及寿命的影响。由表1.2可以很清楚地发现胶凝剂的引入对电池的光电转化性能没有很大的影响，却大大提高了电池寿命。

简要介绍资料的主要内容,以获得更多的关注

化合物 3

O

H化合物 4

OOHN

H

化合物 5

O化合物 6

NOHNO

表1.2 在不同电解质存在下的电池的不同参数比较（AM 1.5）50

电解质

液体电解质

Gel 3

Gel 4

Gel 5

Gel 6 VOC / V 0.622 0.625 0.632 0.640 0.623 JSC / mA cm-2 11.1 10.9 11.1 11.1 11.2

-3FF 0.674 0.658 0.658 0.634 0.664 -3 注：电解质的组成为：0.6 mol/dm DMPII、0.1 mol/dm I2、0.1 mol/dm LiI、1

mol/dm-3 TBP，溶剂为3-甲氧基丙腈 (MePN)

有机小分子凝胶还可以胶凝基于离子液体的液态电解质。Yanagida等人53利用化合物3作为胶凝剂，研究了基于不同碳链的离子液体7的液体电解质。表

1.3为基于不同碳链长度的离子液体电解质的太阳能电池的光电性质。从表中数据可以看出，当选用6个碳的离子液体作为电解质的溶剂时，电池的转换效率最高。然后在这种电解质里加入40g L-1的化合物3后，效率基本保持不变。优化后的太阳能电池的光电转化效率可达5%。由此得到同样的结论，有机凝胶的加入不仅不影响光电转化效率而且提高了寿命（见图1.8）。当然基于离子液体的液体太阳能电池的寿命本身就要比基于有机溶液的液体太阳能电池要好。

N

R

R = C3-C9

化合物 7NI-

H

OOO / % 4.66 4.46 4.62 4.49 4.67 -3

简要介绍资料的主要内容,以获得更多的关注

第一章 染料敏化纳米晶太阳能电池的历史发展及 …… 此处隐藏：3700字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……