染料敏化電池的電解質(zhì)課件

染料敏化太陽電池目錄背景太陽能電池染料敏化太陽電池DSCC的電解質(zhì)背景傳統(tǒng)化石能源：不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭可再生能源：風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、潮汐能、太陽能?

能源危機(jī)氣候變暖、南極空洞、生態(tài)失衡、環(huán)境惡化……過度排放的廢水、廢氣、廢渣讓我們的地球不堪重負(fù)。?環(huán)境污染

氣候變暖、南極空洞、生態(tài)失衡、環(huán)境惡化太陽能電池分類前電極太陽電池基本結(jié)構(gòu)染料敏化太陽能電池的結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電玻璃納米多孔TiO2膜染料光敏化劑電解質(zhì)和反電極（對電極）染料敏化太陽能電池的工作原理S+hS*(染料激發(fā))S*S++e-(TiO2)（產(chǎn)生光電流）S++I-S+I3-（染料還原）I3

-+e-(CE)I-（電解質(zhì)還原）ｅ-(Pt)+hν→ｅ-(TiO2)(光電流)A-+hν→A+ｅ-(TiO2)染料敏化太陽能電池工作原理示意圖染料敏化太陽能電池的特點生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；轉(zhuǎn)換效率隨溫度上升而提升；電池兩面均可以吸收光；制備出半透明或不同顏色的電池；制備電池耗能較少，能源回收周期短；光的利用效率高；缺點：有機(jī)染料易變質(zhì)，缺乏長期穩(wěn)定性。我國染料敏化太陽電池的研究歷史我國科研研究小組在90年代中后期開始跟蹤研究該項技術(shù)，中科院和北大等高校率先在該項研究上取得較好的成績。中科院等離子體所、化學(xué)所和理化所的研究小組開展了前期的跟蹤研究，同時于2000年6月，該項研究被中科院列入中科院知識創(chuàng)新項目。2000年10月，“低價、長壽新型光伏電池的基礎(chǔ)研究”項目列入國家重點基礎(chǔ)研究規(guī)劃項目（973計劃），染料敏化納米薄膜太陽電池作為項目研究的主要方向之一。電解質(zhì)體系作用

在DSSC中，電解質(zhì)主要起到充當(dāng)電荷交換媒介的作用，擔(dān)負(fù)著還原染料、輸運載流子完成電池內(nèi)部循環(huán)的作用。電解質(zhì)的分類液態(tài)電解質(zhì)固態(tài)電解質(zhì)準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)根據(jù)電解質(zhì)的狀態(tài)不同Jifu等人研究在乙腈電解質(zhì)溶液中加入異煙酸烯丙酯，電池效率提高26%。Mijeong等人以乙腈為溶劑研究了添加劑硫脲的影響，發(fā)現(xiàn)硫脲作為添加劑可以顯著提高光電流，光電壓略微降低。新型液態(tài)電解質(zhì)—離子液體電解質(zhì)。固定陰離子為I-，對咪唑陽離子進(jìn)行改造；用各種大體積的陰離子來代替常用的I-。

準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)聚合物凝膠電解質(zhì)

聚合物是制備準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)最常用的物質(zhì)。普遍采用共聚的方法或使用聚合物做凝膠劑，這樣就能在準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)體系中增加更多的自由空間，從而使電解質(zhì)的電導(dǎo)率得到提高。目前使用的高分子聚合物主要有聚氧化乙烯、聚乙烯吡啶、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲脂、偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、聚環(huán)氧乙烯等。納米顆粒凝膠電解質(zhì)在電解質(zhì)體系中加入了納米類物質(zhì)，這類物質(zhì)依靠本身特有的性質(zhì)，在電解質(zhì)體系中通過化學(xué)或物理交聯(lián)與小分子凝膠劑或聚合物凝膠劑共同構(gòu)成準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)。無機(jī)納米顆粒凝膠劑主要應(yīng)用于離子液體。這是因為離子液體具有較強(qiáng)的極性，能與無機(jī)納米顆粒表面的羥基形成氫鍵等物理作用而使離予液體固化成凝膠態(tài)。

目前，用于準(zhǔn)固態(tài)太陽能電池電解質(zhì)的無機(jī)納米顆粒凝膠劑主要有納米SiO2、納米TiO2、碳黑、碳納米管等。Lu等發(fā)現(xiàn)了一種新穎的有機(jī)溶液基準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)。在含四丙基銨離子的電解液中加入商業(yè)的氰基丙酸鹽黏合劑，在實驗中使用這種電解質(zhì)的電池獲得了4.2%的光電轉(zhuǎn)換效率。這種方法原料來源豐富、制作方式簡單,為低價快速地生產(chǎn)DSC提供了一個新的思路。

固態(tài)電解質(zhì)①透明或在可見光區(qū)吸收率低；②電子-空穴遷移速度快，能夠快速與氧化態(tài)染料發(fā)生反應(yīng)，提高光電流；③穩(wěn)定性好，光照下對電極材料不具有腐蝕性，不破壞染料的化學(xué)性質(zhì)；④氧化還原電勢與染料能級相匹配；⑤能與TiO2多孔薄膜保持良好界面接觸。固體電解質(zhì)應(yīng)具備的條件是：p型半導(dǎo)體材料最常見的p型半導(dǎo)體材料包括CuI、CuSCN、4CuBr3S(C4H9)2等。特點：電池的光電轉(zhuǎn)換效率衰減快、效率低。主要原因是CuI或CuSCN結(jié)晶速度快、晶體尺寸太大，導(dǎo)致無法實現(xiàn)對TiO2多孔膜的有效填充，因此界面接觸性能差、光生電子與空穴復(fù)合嚴(yán)重。改進(jìn)方法：在TiO2表面進(jìn)行修飾，如表面包覆MgO、ZnO或Al2O3來改善界面電荷傳輸性能；采用脈沖激光法將空穴傳輸材料沉積在TiO2多孔薄膜中，或者引入適當(dāng)?shù)娜軇┓椒▉砀纳乒虘B(tài)電解質(zhì)與多孔光陽極的界面接觸性能沉積CuI的電鏡照片。(a)未添加離子液體；(b)添加離子液體含有I-I3-的全固態(tài)電解質(zhì)

這類電解質(zhì)是I-I3-包含在聚合物或加成化合物的框架內(nèi)形成的固態(tài)電解質(zhì)。聚合物基的全固態(tài)電解質(zhì)常用的聚合物有聚氧乙烯(PEO)、聚丙烯睛(PAN)等。Stergiopoulos等通過在PEO中加入二氧化鈦納米晶抑制PEO的結(jié)晶,其DSC光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了4.2%。王鵬等人報道了用N-甲基-N-丁基吡咯碘鹽，碘與丁二腈形成的室溫塑晶體用于制備全固態(tài)染料敏化太陽能電池，得到超過6.5%的光電轉(zhuǎn)換效率?；诩映苫衔锏墓虘B(tài)復(fù)合電解質(zhì)中科院物理所Qing等制備的具有三維離子傳輸通道的Li(HPN)2，可以實現(xiàn)單離子傳輸，室溫下具有很高的碘離子傳導(dǎo)能力。加入適量S