染料敏化太阳电池电解质材料的制备与性能研究

摘要

染料敏化太阳电池(DSSCs)具有成本低、效率高、制作工艺简单等优势，引起了众多科研工作者和工业界人士的关注。在DSSCs中，离子液体和添加剂作为电解质的重要组成部分，对DSSCs光伏性能的提高起着至关重要的作用。本论文旨在发展环境友好型离子液体的制备方法、开发适用于DSSCs的新型离子液体和添加剂等电解质材料，以期获得高效、稳定的染料敏化太阳电池。主要研究内容如下: 利用高压釜制备了3-甲基苯并噻唑碘(MBTI)和2，3-二甲基苯并噻唑碘(DMBTI)，利用热分析法研究了苯并噻唑环上引入2位甲基对其熔点和热稳定性的影响;利用加热回流法合成了一碘化N-(2-羟乙基)乙二胺盐(HEEDAI);将MBTI、DMBTI、苯并噻唑(BT)、2-甲基苯并噻唑(MBT)和4-叔丁基吡啶(TBP)作为染料敏化太阳电池(DSSCs)电解质溶液中的添加剂，制备了含有不同添加剂的电解质材料;研究了含有不同质量的乙腈(ACN)和3-甲氧基丙腈(MePN)以及不同质量的1，2-二甲基-3-丙基咪唑碘(DMPII)和1-甲基-3-丙基咪唑碘(MPII)电解质材料的性能。并将这些电解质材料应用于DSSCs中，利用超微铂电极和循环伏安法以及电化学阻抗谱法研究电解质材料中不同化合物的阳离子结构、杂环结构和杂原子N和S以及不同电解质组成对I3-和I-的氧化还原行为和铂|电解质界面的影响;并将这些电解质材料组装成DSSCs，测量了光伏性能。 结果表明:利用高压釜合成苯并噻唑碘，操作简便、缩短了反应时间、提高了产率;在苯并噻唑环上引入2位甲基，可以提高苯并噻唑碘的熔点和热稳定性;DMBT+易在电极上形成多层吸附，且DMBT+对I-的束缚力小，因此I-的扩散系数较大;对不同添加剂的研究结果表明，含有碱性N原子的添加剂对DSSCs光伏性能作用优于碱性S原子的添加剂;含有吡啶环结构添加剂(TBP)对DSSCs光伏性能作用优于含有苯并噻唑环的添加剂(MB、MBT、MBTI、DMBTI)，且DMBTI可以作为一种良好的添加剂应用于DSSCs中;HEEDAI作为电解质中的I-源，所组装的离子液体基DSSCs，具有较高的开路电压和填充因子。以DMPII作为I-供体、ACN和MePN的质量混合比为2∶1时，电解质溶液中I3-和I-具有较大的表观扩散系数，且对应的DSSCs具有较高的光电转换效率;当ACN和MePN的质量混合比为2∶1、DMPII和MPII以2∶1混合作为I-源时，DSSCs具有较高的短路电流密度和光电转换效率。 进一步研究了碘化-(2-羟乙基)乙二胺盐(HEEDAIs)和碘化-(2-羟乙基)哌嗪盐(HEPIs)的合成以及热稳定性，并研究了二元离子液体中HEEDAIs和HEPIs对I3-离子和I-离子氧化还原电对的影响。结果表明HEEDAIs可以抑制基体TiO2导带中释放的电子与I3-离子的复合，从而使HEEDAI可以成为染料敏化太阳电池电解液中添加剂4-叔丁基吡啶。电解液组分为0.15mol·L-1 I2，HEEDAI与MPII质量比为1∶4时，由此而组装成的染料敏化太阳电池短路光电流密度为9.36 mA·cm-2，开路光电压为0.67 V，填充因子为0.52，在光照下，染料敏化太阳电池的光电转换效率为3.24％。

目录

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摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 染料敏化太阳电池

1．1．1 染料敏化太阳电池的结构

1．1．2 染料敏化太阳电池的工作原理

1．1．3 染料敏化太阳电池的光电性能参数

1．2 染料敏化太阳电池TiO2光阳极材料

1．3 染料敏化太阳电池对电极材料

1．3．1 Pt对电极材料

1．3．2 碳对电极材料

1．3．3 导电聚合物对电极材料

1．3．4 无机化合物对电极材料

1．4 染料敏化太阳电池电解质材料

1．4．1 有机溶剂电解质

1．4．2 离子液体电解质

1．4．3 添加剂

1．5 本课题的来源、目的、意义及主要的研究内容

第二章 苯并噻唑碘离子液体的合成与光伏性能

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 MBTI的合成

2．2．3 DMBTI的合成

2．3 结果与讨论

2．3．1 MBTI和DMBTI的合成及性质

2．3．2 苯并噻唑碘盐对I3-／I-氧化还原行为的影响

2．3．3 苯并噻唑碘盐对铂|电解质界面的影响

2．3．4 苯并噻唑碘盐对DSSCs光伏性能的影响

2．3．5 苯并噻唑碘盐对DSSCs界面的影响

2．4 本章小结

第三章 碘化羟乙基乙二胺离子液体的合成与性能评价

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 一碘化N-(2-羟乙基)乙二胺盐(HEEDAI)的合成

3．3 结果与讨论

3．3．1 HEEDAI对I3-／I-氧化还原行为的影响

3．3．2 HEEDAI对DSSCs光伏性能的影响

3．4 本章小结

第四章 苯并噻唑碘离子液体作为电解质添加剂的光伏性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂与测试方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 苯并噻唑及其碘盐对I3-／I-氧化还原行为的影响

4．3．2 苯并噻唑及其碘盐对铂电极|电解质界面的影响

4．3．3 苯并噻唑及其碘盐对DSSCs光伏性能的影响

4．4 本章小结

第五章 二元离子液体及混合溶剂的光伏性能

5．1 引言

5．2 实验部分

5．3 结果与讨论

5．3．1 不同比例ACN和MePN对I3-和I-的氧化还原行为的影响

5．3．2 不同比例ACN和MePN对DSSCs各界面的影响

5．3．3 不同比例ACN和MePN对DSSCs光伏性能的影响

5．3．4 不同比例DMPII和MPII对I3-和I-的氧化还原行为的影响

5．3．5 不同比例DMPII和MPII对不同界面的影响

5．3．6 不同比例DMPII和MPII对DSSCs光伏性能的影响

5．4 本章小结

第六章 二元离子液体电解质中碘化二胺盐的特性

6．1 引言

6．2 实验

6．2．1 实验药品及材料合成

6．2．2 实验测试

6．2．3 染料敏化太阳电池的组装

6．3 结果与讨论

6．3．1 HEEDAI和HEPI的热分析

6．3．2 二元离子液体中HEEDAI和HEPI对I3-和I-氧化还原电对的影响

6．3．3 染料敏化电池的光伏性能

6．4 本章小结

第七章 全文总结与未来工作展望

7．1 全文总结

7．2 未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的科研成果