基于离子液体的染料敏化太阳能电池型电解质的开发

摘要

离子液体以其独特的电化学性质，在染料敏化太阳能电池方面的应用引起了人们的极大的关注。染料敏化太阳能电池由于制造工艺简单、成本相对低，被视为传统太阳能电池的理想替代品，具有巨大的工业应用前景。而在染料敏化太阳能电池中，电解质的稳定性和电解质的高导电性直接关系到电池的光电性能，离子液体由于导电率高、热稳定性好、不易挥发等优点，用来制备准固态或全固态电解质无疑是一种理想的选择。
　　 本论文以碘化1-烷基-3-甲基咪唑鎓盐为前驱体，通过阴离子交换反应分别合成了二元离子液体PMImI（1-propyl-3-methylimidazolium iodide）和EMImSCN（1-ethyl-3-methyl imidazolium thiocyanate），并运用了FT-IR、ESI-MS、1H-NMR以及TG-DSC表征了这两种离子液体的结构，运用IC进一步表征了其纯度。结果表明：两种离子液体的纯度分别达到97．21％、98．24％。在此基础上首次以PEO（聚环氧乙烯）和此二元离子液体为原料，用PMImI取代传统的碘盐，采用溶液铸膜的方法制备高分子电解质。通过改变这种电解质各组份的含量成功制备出一系列高分子电解质。依次运用FT-IR、XRD和EIS对此电解质进行了表征。结果表明：电解质具有“化合物”的稳定结构；加入离子液体可以明显减弱PEO的结晶度；电解质的最佳导电率达到1．63×10-4 S．m-1。最后根据不同的电解质成功组装出a、b、c、d、e、f六种固态染料敏化太阳能池，使用电流-电压曲线来表征这些电池的光伏性能。结果表明：六种电池中，除电池f未检测到电流信号外，其余五种电池均检测到电流信号。在对电池没有作任何优化的情况下，电池c获得最大开路电压为：0．746 V；电池e获得最大短路电流为：8．67 mA．cm-2；电池a获得最大填充因子：62．57％；电池d获得最大转换效率为：1．85％。而在对电池优化的情况下，电池的填充因子和转换效率分别高达73．20％和4．02％。
　　 该固态聚合电解质膜可以从根本上解决传统染料敏化太阳能电池的封装和露液的问题。由于离子液体和PEO均为热稳定性较好的物质，故在户外具有良好的热稳定性，开发这种高分子电解质膜对于染料敏化太阳能电池的实用化具有战略意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 染料敏化太阳能电池的结构和原理

1.2.1 染料敏化太阳能电池的结构

1.2.2 染料敏化太阳能电池的原理

1.3 DSC中常见的液态电解质

1.3.1 有机溶剂液态电解质

1.3.2 离子液体基液态电解质

1.4 可用于染料敏化太阳能电池的离子液体

1.4.1 单一离子液体作电解质

1.4.2 二元离子液体作电解质

1.5 离子液体在固态及准固态电解质中的应用

1.5.1 凝胶电解质

1.6 本论文的选题目的、意义及研究的主要内容

1.6.1 本论文的选题目的

1.6.2 本论文的选题意义

1.6.3 本论文的研究的主要内容

第二章 实验部分

2.1 主要的实验仪器与试剂

2.2 试验方法

2.2.1 红外光谱法(FT-IR)

2.2.2 氢谱(1H-NMR)

2.2.3 质谱(ESI-MS)

2.2.4 热重差热分析(TG-DSC)

2.2.5 离子色谱(IC)

2.2.6 X射线衍射(XRD)

2.2.7 电化学阻抗谱(EIS)

2.2.8 电池性能测试

第三章 二元离子液体的合成与结构表征

3.1 二元离子液体的合成与提纯

3.1.1 1-丙基-3-甲基咪唑碘(PMImI)合成

3.1.2 离子液体EMImSCN的合成与提纯

3.2 二元离子液体的结构表征

3.2.1 PMImI结构表征

3.2.2 EMImSCN的结构表征

3.3 本章小结

第四章 二元离子液体的纯度分析

4.1 标准样品的离子色谱

4.1.1 NaI标准样品色谱曲线

4.1.2 KSCN标准样品色谱曲线

4.2 离子液体样品的离子色谱及其纯度确定

4.2.1 PMImI的色谱曲线及其纯度确定

4.2.2 EMImSCN的色谱曲线及其纯度确定

4.3 本章小结

第五章 高分子电解质的制备及性能表征

5.1 高分子电解质的制备

5.2 高分子电解质的FT-IR分析

5.3 高分子电解质的XRD分析

5.4 高分子电解质的EIS分析

5.5 本章小结

第六章 固态染料敏化太阳能电池的制备及性能测试

6.1 光电阳极的制备

6.1.1 二氧化钛料浆的制备

6.1.2 导电玻璃切割

6.1.3 二氧化钛膜电极的制备

6.1.4 染料配制

6.1.5 二氧化钛膜着色

6.2 光电阴极的制备

6.3 电池的组装

6.4 电池的测试

6.5 本章小节

结论

本论文的创新之处

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢