染料敏化纳米薄膜太阳电池用液晶电解质溶液

摘要

本发明公开了本发明公开了一种染料敏化纳米薄膜太阳电池用液晶电解质溶液，以组分1，2或组分1、2、6为主体组分通过复配或不复配其它四个组分中的一个或几个组分组成电解质溶液，其中组分1为液晶电解质；组分2为电化学可逆性好的氧化还原电对；组分3为暗电流的抑制剂；组分4为与电解质溶液中阳离子作用的含杂原子化合物；组分5为与电解质溶液中I

说明书

技术领域：

本发明属于化学电解质领域，涉及一种染料敏化纳米薄膜太阳电池用液晶电解质溶液。

背景技术：

染料敏化纳米薄膜太阳电池是由瑞士洛桑高等工业学院(EPFL)教授领导的研究小组在1991年首次提出，其在AM1.5模拟日光光照下电池光电转换效率达到7.1％。目前电池光电转换效率已提高到10％～11％，寿命达到20年以上，因此成为近年来国内外研究的热点。染料敏化纳米薄膜太阳电池主要由透明导电玻璃、纳米TiO₂多孔薄膜、敏化染料、电解质和对电极组成。其中，电解质起着再生染料和传输空穴的作用，同时也是影响电池热力学和动力学特性以及光电压性能的重要因素。目前常用的电解质按照存在形态分为液体电解质、准固态电解质、固体电解质。

液晶，即液态晶体，是介于各向同性的液体和完全有序的晶体之间的一种中间状态的物质，它既有液体那样的某种程度的分子运动，又有晶体那样某种程度的有序性，属于固态和液态之间的一种过渡态。其主要是由分子间相互作用力，π-π堆积作用或者是偶极-偶极相互作用形成的。根据形成的条件和组成，液晶可以分为两大类：热致液晶和溶致液晶。溶致液晶是由符合一定结构要求的化合物与溶剂组成的液晶体系，由两种或两种以上的液晶化合物组成，是由于溶剂破坏结晶晶格而形成的。热致液晶是由晶体加热而形成液晶相的化合物。其液晶相是由于加热破坏结晶晶格而形成，并且只能在一定的温度范围内存在。一般是单一组分，但一些均匀混合物在温度变化下也会出现液晶相。

与常规的染料敏化太阳电池用电解质溶液相比，组成液晶的分子的位置取向有序，而这种特殊的微观结构的存在，能够影响染料敏化太阳电池用电解质溶液中氧化还原电对的传输，进而影响电池的性能。

发明内容：

本发明涉及一种染料敏化纳米薄膜太阳电池用液晶电解质溶液，本发明具有相对较高的电导率，良好的电化学可逆性、良好的稳定性、较强的耐紫外线等特征。

本发明是通过以下技术方案实现的：

(1)、组分1：液晶电解质：

作为染料敏化纳米薄膜太阳电池用液晶电解质溶液的主体部分，是呈现液晶态的胆甾醇酯类衍生物，呈现液晶态的胆甾醇卤代化物及其衍生物，呈现液晶态的胆甾醇烷基碳酸酯及其衍生物，呈现液晶态的烷基碳酸酯及其衍生物，呈现液晶态的苯酯及其衍生物，呈现液晶态的Schiff碱及其衍生物，呈现液晶态对氨基联苯衍生物，呈现液晶态的氧化偶氮苯衍生物，呈现液晶态氰基取代联苯衍生物，呈现液晶态的噻吩类衍生物，呈现液晶态的高分子衍生物，呈液晶态的咪唑类离子液体及其衍生物，呈液晶态的吡啶类离子液体及其衍生物，呈液晶态的铵类离子液体及其衍生物，呈液晶态的膦类离子液体及其衍生物，呈液晶态的吡啶类或者S、O取代吡啶类离子液体及其衍生物，呈液晶态的联吡啶类离子液体及其衍生物，呈液晶态的二硫取代吡唑类离子液体及其衍生物，呈液晶态的碱金属羧酸盐及其衍生物，呈液晶态的碱金属膦酸盐及其衍生物，呈液晶态的由碱金属离子与中性配体组成的复合物及其衍生物，离子聚合物液晶包括主链离子聚合物液晶、侧链离子聚合物液晶和离子液体液晶树状聚体。例如1-十二烷基-3-甲基咪唑碘、1-十四烷基-3-甲基咪唑碘、1-十六烷基-3-甲基咪唑碘、1-十八烷基-3-甲基咪唑碘、1-十二烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十四烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十六烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十八烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十四烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-十六烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-十八烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐等。

上述液晶电解质可以单独使用，也可以按照一定比例混合使用，混合的比例视情况而定。

(2)、组分2：电化学可逆性好氧化还原电对；

作为电解质溶液中的氧化还原电对，I₂/I^-多吡啶Co(II/III)或者(SeCN)₂/(SeCN)^-：碘和碘化物，三价钴复合物与二价钴复合物，(SeCN)₂和(SeCN)^-的物质的量之比是任意的，可根据使用情况和太阳光强等因素来确定其比例。

对于I₂/I^-氧化还原电对而言，作为电解质溶液中的碘化物，可以是金属碘化物，如NaI、KI、LiI、RbI₂、MgI₂、BaI₂、AlI₃、CrI₃、SnI₄等金属碘化物；有机阳离子及其衍生物的碘化物，如各种有机铵离子及其衍生物的碘化物，各种有机季铵离子及其衍生物的碘化物；各种有机杂环离子如咪唑、取代咪唑、吡啶、取代吡啶、噻唑、取代噻唑等及其衍生物的碘化物。

对于(SeCN)₂/(SeCN)^-氧化还原电对而言，作为电解质溶液中的硒氰化物，可以是金属硒氰化物，如NaSeCN、KSeCN、LiSeCN、Rb[(SeCN)^-]₂、Mg[(SeCN)^-]₂、Ba[(SeCN)^-]₂、Al[(SeCN)^-]₃、Cr[(SeCN)^-]₃、Sn[(SeCN)^-]₄等金属硒氰化物；有机阳离子及其衍生物的硒氰化物，如各种有机铵离子及其衍生物的硒氰化物，各种有机季铵离子及其衍生物的硒氰化物；各种有机杂环离子如咪唑、取代咪唑、吡啶、取代吡啶、噻唑、取代噻唑等及其衍生物的硒氰化物。

上述金属碘化物或者硒氰化物、有机阳离子及其衍生物的碘化物或者硒氰化物可以单独使用，也可以任意比例混合使用，而且以混合使用效果更好，可方便地控制染料敏化纳米薄膜太阳电池的光电流、光电压、填充因子和输出功率。

(3)、组分3：暗电流抑制剂；

作为电解质溶液中暗电流抑制剂，可以是各种一元或多元杂环化合物(主要是O、N、S等杂环)及其衍生物，多元醇、多元硫醇、多元胺、多元羧酸、EDTA及其衍生物，其中以吡啶和取代吡啶及其衍生物、二联吡啶及其衍生物、三联吡啶及其衍生物、邻菲罗啉及其衍生物(其中呈固态的可配成溶液)直接处理光阳极或作为电解质溶液中的组分而制得的染料敏化纳米薄膜太阳电池的性能最好，是很好的暗电流抑制剂。

上述暗电流抑制剂可以单独使用，也可以以任意比例混合使用。

(4)组分4：与电解质溶液中阳离子作用的含杂原子化合物；

作为电解质溶液中的碘化物或者硒氰化物中阳离子的配合剂，可以是各种一元或多元杂环化合物(主要是O、N、S杂环)及其衍生物，多元醇、多元硫醇、多元胺、多元羧酸、EDTA及其衍生物，其中以吡啶和取代吡啶及其衍生物、二联吡啶及其衍生物、三联吡啶及其衍生物、邻菲罗啉及其衍生物、冠醚(杂原子可以是O、N、S的任意组合)及其衍生物、穴醚(杂原子可以是O、N、S的任意组合)及其衍生物作为电解质溶液中的组分而制得的染料敏化纳米薄膜太阳电池的性能最好。

上述碘化物或硒氰化物中阳离子配合剂可以单独使用，也可以以任意比例混合使用。

冠醚及其衍生物、穴醚及其衍生物可以提高碱金属碘化物的溶解度，使溶液电导率提高。

(5)组分5：与电解质溶液中I₂作用的含杂原子化合物；

目前的氧化还原电对以I₂/I^-，作为电解质溶液中的碘化物中I₂的配合剂，可以是各种一元或多元杂环化合物(主要是O、N、S杂环)及其衍生物，多元醇、多元硫醇、多元胺、多元羧酸、EDTA及其衍生物，其中以吡啶和取代吡啶及其衍生物、二联吡啶及其衍生物、三联吡啶及其衍生物、邻菲罗啉及其衍生物、冠醚(杂原子可以是O、N、S的任意组合)及其衍生物、穴醚(杂原子可以是O、N、S的任意组合)及其衍生物作为电解质溶液中的组分而制得的染料敏化纳米薄膜太阳电池的性能最好。

上述碘化物中I₂的配合剂可以单独使用，也可以以任意比例混合使用。

吡啶和取代吡啶及其衍生物、联吡啶及其衍生物、冠醚及其衍生物可以提高染料敏化纳米薄膜太阳电池的效率。

(6)组分6：常规有机溶剂或者是室温离子液体；在染料敏化纳米薄膜太阳电池用液晶电解质溶液中，常规的有机溶剂可以是乙腈、戊腈、戊二腈、3-甲氧基丙腈等腈类或者是碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和γ-丁内酯等酯类。离子液体可以是1-丙基-3-甲基咪唑碘、3-乙基-1-甲基咪唑三氟甲磺酰胺、3-乙基-1-甲基三氟乙酸等离子液体，或者其它的咪唑类、吡啶类、膦类、胺类等离子液体。其中以咪唑类的离子液体为最好，可以提高电解质溶液的电导率，从而可以减少在染料敏化纳米薄膜太阳电池的欧姆降。

在染料敏化纳米薄膜太阳电池用液晶电解质溶液中，有机溶剂、离子液体在某些情况下并不是必须的组分，在特定情况下又是必须的组分，它们可以单独使用，也可以混合使用。

(7)组分7：改善电池紫外性能的化合物；

作为电解质溶液中的紫外吸收剂，主要吸收波长为200-400nm的紫外光，可以是水杨酸酯类、二苯甲酮类、苯并三唑类、苯并咪唑类、苯并噻唑类、镍螯合物类、受阻胺类等紫外吸收剂，其中以苯并咪唑类为最好，制得的染料敏化纳米薄膜太阳电池的耐紫外性能佳。

上述紫外吸收剂可以单独使用，也可以以任意比例混合使用，以与太阳光匹配。

本发明的电解质溶液可以作为染料敏化纳米薄膜太阳电池的电解质溶液应用，也可以作为其它种类的太阳电池以及非太阳电池中的电解质溶液。

本发明的优点：

本发明的电解质溶液，具有相对较高的电导率，良好的电化学可逆性、良好的稳定性、较强的耐紫外线，能提高太阳电池的效率，增加太阳电池寿命，并且本身性能稳定，对环境友好。

具体实施方式：

实施例1

每dm³的溶液中，各组分的含量分别为：

组分2：碘化锂：0.1mol·dm^-3

碘：0.1mol·dm^-3

组分3：苯并咪唑：0.5mol·dm^-3

组分4：0

组分5：

组分6：0

组分7：0

其余的溶液体积均为组分1-液晶电解质：1-十二烷基-3-甲基咪唑碘；

实施例2

每dm³的溶液中，各组分的含量分别为：

组分2：碘化锂：0.1mol·dm^-3

碘：0.1mol·dm^-3

1-丙基-3-甲基咪唑碘：0.5mol·dm^-3

组分3：苯并咪唑：0.5mol·dm^-3

组分4：0

组分5：苯并咪唑：0.5mol·dm^-3

组分6：0

组分7：0

其余的溶液体积均为组分1-液晶电解质：1-十二烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐；

实施例3

每dm3的溶液中，各组分的含量分别为：

组分2：碘化锂：0.1mol·dm^-3

碘：0.1mol·dm^-3

1，2-二甲基-3-丙基基咪唑碘：0.5mol·dm^-3

组分3：苯并咪唑：0.5mol·dm^-3

组分4：0

组分5：0

组分7：0

其余的溶液体积均为组分1-液晶电解质：1-十二烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和组分6-有机溶剂：3-甲氧基丙腈。其中3-甲氧基丙腈占整个溶液质量分数小于10％。

实施例4

每dm³的溶液中，各组分的含量分别为：

组分2：碘化锂：0.1mol·dm^-3

碘：0.1mol·dm^-3

组分3：苯并咪唑：0.5mol·dm^-3

组分4：0

组分5：0

组分7：0

其余的溶液体积均为组分1-液晶电解质：1-十二烷基-3-甲基咪唑碘和组分6-有机溶剂：3-甲氧基丙腈。其中3-甲氧基丙腈占整个溶液质量小于10％。

实施例5

每dm³的溶液中，各组分的含量分别为：

组分2：碘化锂：0.1mol·dm^-3

碘：0.1mol·dm^-3

组分3：苯并咪唑：0.5mol·dm^-3

组分4：0

组分5：0

组分7：0

其余的溶液体积均为组分1-液晶电解质：1-十二烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和组分6-离子液体：1-丙基3-甲基三氟甲基磺酸盐。其中1-丙基3-甲基三氟甲基磺酸盐占整个溶液质量小于10％。

实施例6

每dm3的溶液中，各组分的含量分别为：

组分2：碘化锂：0.1mol·dm^-3

碘：0.1mol·dm^-3

1，2-二甲基-3-丙基基咪唑碘：0.5mol·dm^-3

组分3：0

组分4：苯并咪唑：0.5mol·dm^-3

组分5：0

组分6：0

组分7：0

其余的溶液体积均为组分1-液晶电解质：胆甾醇乙酸酯。

实施例7

每dm³的溶液中，各组分的含量分别为：

组分2：碘化锂：0.1mol·dm^-3

碘：0.1mol·dm^-3

1，2-二甲基-3-丙基基咪唑碘：0.5mol·dm^-3

组分3：0

组分4：0

组分5：4-叔丁基吡啶：0.5mol·dm^-3

组分7：0

其余的溶液体积均为组分1-液晶电解质：胆甾醇乙酸酯和组分6-有机溶剂：3-甲氧基丙腈。其中：3-甲氧基丙腈所占整个溶液的质量分数低于10％。