全固态染料敏化太阳能电池电解质的研究

对全固态电解质的研究一直是染料敏化太阳能电池领域的难点和热点。在各类全固态电解质中，纳米复合咪唑碘基离子聚合物电解质具有廉价高效的优点，展现了良好的应用前景。但是这种电解质还存在着一些问题：1）电导率有待进一步提高；2）纳米颗粒在电解质中团聚导致电导率随放置时间的延长而下降；3）电解质的导电动力学过程尚不清楚；4）对所组装电池的暗反应缺乏研究。本项目拟设计合成含有酯基、氰基等极性基团做侧链的咪唑碘基离子聚合物，并采用含有酯基、氰基等极性基团的包覆剂对纳米颗粒进行包覆，借助极性基团对碘盐的电离来提高电解质的电导率，利用极性基团的相似相容，增加纳米颗粒在电解质中的相容性，防止团聚，以得到高电导率高稳定性的电解质；拟采用电化学等表征方法，并借助数学推理和理论计算的手段研究电解质的导电机理和电池内部暗反应机理。

本项目以纳米复合离子聚合物电解质为研究对象，目的在于提高固态电解质的电导率、提高纳米复合电解质的稳定性、研究导电机理及对电池内部电子复合过程（暗反应）展开研究，所选取的离子聚合物是通过2,3-二氯丙酸甲酯和羰基二咪唑季铵化反应得到，离子聚合物的羰基作为极性基团，有助于电导率的提高。为了进一步提高电导率及电解质的稳定性，用二氧化硅纳米颗粒添加入电解质中进行复合，其大小为7nm和12nm两种，同时纳米颗粒用硅烷偶联剂（KH-550和KH-570）进行表面改性，改性一方面可以抑制二氧化硅的团聚，提高稳定性；另一方面KH-550和KH-570端基所带的极性基团可以促进碘盐的电离，增加电导率。7nm-KH570的电导率达到了1.8 mScm-1，而12 nm-KH570的电导率甚至达到了3 mScm-1，远高于之前报道的0.151 mS cm-1的电导率。电解质在常温下放置2000h后，电导率几乎不变，说明了电解质具有良好的稳定性。采用电化学法和拉曼光谱研究了电解质的导电机理，发现在这种体系中，当碘的浓度低时物理迁移占主导，而随着碘浓度的增加，离子之间的电子交换逐渐占主导地位。通过在电解质中加入异烟酸烯丙酯（AIN, allyl isonicotinate），可以明显的抑制暗反应，并用密度泛函（DFT）理论对AIN的作用机理进行了解释。所组装的全固态染料敏化太阳能电池的光电转化效率达到了5-6%，在85 ºC放置1000小时，效率保持原来的92%。.除此之外，我们还做了以下两个工作：（一）制备了聚己二酸季戊四醇酯（PAAPE），并以PAAPE为基础制备了准固态电解质。最优的电解质在25 ºC达到了4.03 ms cm-1的电导率。相应的电池达到了6.81的转化效率。（二）制备了阴离子为羧酸根和芳环共轭的离子液体。所设计的离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑苯甲酸(EMIB)和1-乙基-3-甲基咪唑异烟酸(EMIIN) (它们的阴离子中羧酸根和芳环为p-π共轭结构)。通过优化电解质的组成, EMIB基电解质达到了1.43 mS•cm-1的电导率, 而EMIIN基电解质的电导率为1.63 mS•cm-1。进一步将这两种电解质组装成电池, 测得EMIB基电池的效率为2.85%, EMIIN基电池的效率为4.30%.