离子液体电解质的研制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(DSSCs)具有效率高、容易制作、成本低等众多优点，引起了科学界和工业界极大的关注。但电解质中有机溶剂及其他液态组分的挥发与泄露、界面电子复合等因素制约了染料敏化太阳能电池的稳定性和效率的进一步提高。
　　 本论文主要研究了离子液体（ILs）体系下的凝胶电解质的制备、功能性离子液体与界面修饰材料的的设计合成以及它们在染料敏化太阳能电池中的应用。研究的内容主要包括以下几个方面:
　　 (1)设计合成了两种光化学稳定的聚离子液体(Poly(ILs))，包括聚(1-丁基-3-乙烯基咪唑溴化盐)([PBVIm][Br])和聚(1-丁基-3-乙烯基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐)([PBVIm][TFSI])，将它们溶解于室温离子液体电解质中形成IL/Poly(ILs)准固态电解质。在标准的测试条件下，组装的“solvent-free”准固态电池效率最高为4.4％。该电池能有效克服传统有机溶剂和液态电解质容易挥发和泄露的问题，有望用于准固态染料敏化太阳能电池的制备。
　　 (2)利用原位聚合离子液体单体1-丁基-3-乙烯基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([BVIm][TFSI])制备准固态染料敏化太阳能电池。研究了碘含量对凝胶的电导率和I3-的扩散速率的影响。基于原位聚合凝胶电解质的电池在标准测试条件下，效率最高为5.01％。
　　 (3)设计合成了苯并咪唑功能化的离子液体添加剂，并应用于染料敏化太阳能电池中。热失重分析表明这种添加剂具有很高的热稳定性。结合光电流-电压曲线、电化学阻抗谱、塔菲尔曲线及电池的稳定性测试等分析手段，对制作的电池进行了电学性能表征。在AM1.5和光强50mW/cm2的测试条件下，制作的电池效率最高为7.79％。这类新型的离子液体添加剂有望取代传统的添加剂用于染料敏化太阳能电池的制备。
　　 (4)设计合成了一种具有光散射作用的N-6-(4-氰基联苯-4'-氧)己基苯并咪唑(NCHB)，用于修饰染料敏化太阳能电池(DSSCs)的TiO2光阳极，并应用于离子液体电解质和全固态电解质染料敏化太阳能电池。这种表面修饰材料除了具有添加剂的功能外，还能抑制了电子复合速率、优化了电解质的电导率并增强了TiO2光阳极的光捕获效率，因此对TiO2光阳极进行表面修饰能明显电池性能。在标准测试条件下，制作的离子液体基和全固态的电池效率分别为6.63％和5.82％。这种新颖的界面修饰方法可用于其它不含有传统添加剂的染料敏化太阳能电池的制备。

目录

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第一章 文献综述

1．1 引言

1．2 染料敏化太阳能电池的研究背景及其工作原理

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工作原理

1．2．3 染料敏化太阳能电池的性能表征

1．3 染料敏化太阳能电池的研究进展

1．3．1 二氧化钛光电极

1．3．2 敏化剂

1．3．3 添加剂、共吸附剂及界面修饰材料

1．3．4 电解质

1．3．5 氧化还原电子对

1．3．6 对电极

第二章 本论文的目的及意义

第三章 “solvent-free'’离子液体／聚离子液体凝胶电解质制备及其在染料敏化太阳能电池的应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料和试剂

3．2．2 不同侧链的聚离子液体[PRVIm][Br]和[PRVIm][TFSI]的合成

3．2．3 离子液体的合成与表征

3．2．4 聚离子液体[PBVIm][Br]和[PBVIm][TFSI]的合成与表征

3．2．5 离子液体电解质及凝胶电解质的制备

3．2．6 电池制作

3．2．7 测试与表征

3．3 结果和讨论

3．3．1 不同侧链的聚离子液体的合成及表征

3．3．2 聚离子液体[PBVIm][Br]和[PBVIm][TFSI]的合成及表征

3．3．3 离子液体电解质及凝胶电解质的表征

3．3．4 基于离子液体电解质及凝胶电解质的电池性能表征

3．4 结论

第四章 原位热聚合制备凝胶电解质及其在染料敏化太阳能电池中的应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料和试剂

4．2．2 离子液体单体的合成与表征

4．2．3 离子液体混合物的制备

4．2．4 电池制作

4．2．5 测试与表征

4．3 结果和讨论

4．3．1 I2含量对原位热聚合凝胶电解质的电导率和I3迁移率的影响

4．3．2 I2含量对原位热聚合凝胶电解质的拉曼光谱研究

4．3．3 基于原位热聚合凝胶电解质的电池性能表征

4．4 结论

第五章 离子液体添加剂的设计合成及其在染料敏化太阳能电池中的应用

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 材料和试剂

5．2．2 苯并咪唑功能化的离子液体添加剂的合成

5．2．3 离子液体电解质的制备及电池制作

5．2．4 测试与表征

5．3 结果和讨论

5．3．1 苯并咪唑功能化的离子液体添加剂的化学结构与热失重(TGA)分析

5．3．2 苯并咪唑功能化的离子液体添加剂及其电解质的粘度和电导率测试

5．3．3 各种添加剂与I2作用的拉曼光谱研究

5．3．4 基于分别含有挥发性溶剂的和离子液体的电解质的电池的塔菲尔曲线研究

5．3．5 基于挥发性溶剂和离子液体电解质电池的电化学阻抗谱图研究

5．3．6 基于挥发性溶剂和离子液体电解质电池的性能及表征

5．4 结论

第六章 具有光散射功能的氰基联苯功能化的苯并咪唑化合物的制备及在染料敏化太阳能电池中的应用

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 材料和试剂

6．2．2 氰基联苯功能化苯并咪唑化合物的合成

6．2．3 离子液体电解质和固体电解质的制备及电池制作

6．2．4 测试与表征

6．3 结果和讨论

6．3．1 氰基联苯功能化苯并咪唑化合物的结构分析

6．3．2 氰基联苯功能化苯并咪唑化合物的热力学分析

6．3．3 氰基联苯功能化苯并咪唑化合物的光谱学分析

6．3．4 离子液体电解质和固体电解质的电导率测试

6．3．5 氰基联苯功能化苯并咪唑化合物阳极修饰材料对电池的光学作用研究

6．3．6 氰基联苯功能化苯并咪唑化合物阳极修饰对离子液体基染料敏化太阳能电池性能的影响

6．3．7 氰基联苯功能化的苯并咪唑化合物阳极修饰对固体染料敏化太阳能电池性能的影响

6．4 结论

第七章 全文总结

7．1 全文小结

7．2 创新点

7．3 存在的问题与展望

参考文献

在读期间发表或录用论文目录(2009.09-2012.06)

致谢