染料敏化电池之电解质专题讲座PPT.ppt

染料敏化太阳染料敏化太阳电电电电池池 目 录录 背景 太阳能电电池 染料敏化太阳电电池 dscc的电电解质质 背景 传统传统 化石能源：不可再生、环环境污污染、能源枯竭 可再生能源：风风能、地热热能、水能、潮汐能、太阳能等 能源危机 气候变暖、南极空洞、生态失衡、环境恶化过度排放的废水、废气、废渣 让我们的地球不堪重负。 环环境污污染 气候变变暖、南极空洞、生态态失衡、环环境恶恶化 太阳能电电池分类类 前电极 太阳电池基本结构 染料敏化太阳电电池 染料敏化太阳电池（dye-sensitized solar cell，dssc）全 称为染料敏化纳米薄膜太阳电池 ，是模拟自然界中的光合作 用原理，采用吸附染料的纳米多孔tio2半导体膜作为光阳极， 并选用适当的氧化还原电解质，用镀铂的导电玻璃作为光 阴极。 中国首个染料敏化太阳电池示范电站 染料敏化太阳能电电池的结结构 透明导电玻璃 纳米多孔tio2膜 染料光敏化剂 电解质和反电极（对电极） 染料敏化太阳能电电池的工作原理 s + h s*(染料激发发) s* s+ + e- (tio2)（产产生光电电流 ） s+ + i- s + i3-（染料还还原） i3 -+ e-(ce) i-（电电解质还质还 原） -(pt)+h-(tio2)(光电电流) a-+ha+-(tio2) 染料敏化太阳能电池工作原理示意图 染料敏化太阳能电电池的特点 生产工艺简单 ，易于大规模工业化生产； 转换 效率随温度上升而提升； 电池两面均可以吸收光； 制备出半透明或不同颜色的电池； 制备电 池耗能较少，能源回收周期短； 光的利用效率高； 缺点：有机染料易变质 ，缺乏长期稳定性。 染料敏化太阳电电池的发发展历历史 v 1991年，瑞士m.grtzel等人基于自然界中的光合作用原理，提出了一种 新型的以染料敏化二氧化钛纳 米薄膜为光阳极的光伏电池，称为 m.grtzel电池。 v 1993年m.grtzel等人再次报道了光电转换 效率达10%的染料敏化纳米太 阳能电池，2001年效率达到了10%11%，短路电流密度为 20.53ma/cm2，开路电压为 720mv。 v 1997年，这种m.grtzel电池已经应 用于电致变色器件。 v 1998年，m. grtzel等人进一步研制出全固态m. grtzel电池，使用固体 有机空穴传输 材料替代了液体电解质,单色光光电转换 效率最大达到33% ，从而引起了全世界的关注。 v 目前，dsscs的光电转 化效率已能稳定在13以上，寿命能达1520年 ，且其制造成本仅为 硅太阳能电池的1/51/10。 我国染料敏化太阳电池的研究历史 v 我国科研研究小组在90年代中后期开始跟踪研究该项 技术，中科院和 北大等高校率先在该项 研究上取得较好的成绩。 v 中科院等离子体所、化学所和理化所的研究小组开展了前期的跟踪研 究，同时于2000年6月，该项 研究被中科院列入中科院知识创 新项目 。 v 2000年10月，“低价、长寿新型光伏电池的基础研究” 项目列入国家重 点基础研究规划项目（973计划），染料敏化纳米薄膜太阳电池作为 项目研究的主要方向之一。 电电解质质体系 作用 在dssc中，电解质主要起到充当电荷交换媒介的作用，担 负着还原染料、输运载流子完成电池内部循环的作用。 电电解质质的分类类 液态电态电 解质质 固态电态电 解质质 准固态电态电 解质质 根据电电解质质 的状态态不同 液态电态电 解质质 组组成部分:有机溶剂、氧化还原电对 和添加剂。 常用的有机溶剂剂: 腈类 (如乙腈、甲氧基丙腈等) 、酯类 (碳酸乙烯酯 、碳 酸丙烯酯 和-丁内酯等)。 有机溶剂剂的特点：具有较宽 的电化学窗口，不易导致染料的脱附和降解 ，凝固点低，适用的温度范围宽 ；具有较高的介电常数和较低的粘度， 能满足无机盐在其中溶解和离解的要求，且溶液具有较高的电导 率。 优优点：液体电解质黏度低、渗透性好、电导 率高，与纳晶多孔薄膜有良 好的界面接触。 缺点：存在易挥发 、泄露等问题 ，影响电池的稳定性；密封工艺复杂。 有机溶剂电剂电 解质质 jifu等人研究在乙腈电 解质溶液中加入异烟酸烯丙酯，电池效率提高26%。 mijeong等人以乙腈为 溶剂研究了添加剂硫脲的影响，发现 硫脲作为添加剂 可以显著提高光电流，光电压 略微降低。 新型液态电态电 解质质离子液体电电解质质。 固定阴离子为i-，对咪唑阳离子进行改造； 用各种大体积的阴离子来代替常用的i-。 准固态电态电 解质质 聚合物凝胶电电解质质 聚合物是制备准固态电 解质最常用的物质。普遍采用共聚的方法或使用聚 合物做凝胶剂，这样 就能在准固态电 解质体系中增加更多的自由空间，从而 使电解质的电导 率得到提高。 目前使用的高分子聚合物主要有聚氧化乙烯、聚乙烯吡啶、聚丙烯腈 、聚 甲基丙烯酸甲脂、偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物)、聚环氧乙烯等。 目前应用于染料敏化太阳能电池的有机小分子凝胶剂主要包括糖类衍生物 、氨基酸类化合物、酰氨(脲)类化合物、联(并)苯类化合物等。 kubow等采用含有酰胺键和长脂肪链的有机小分子作为胶凝剂，通过改 变脂肪链的长度和胶凝剂的加入量等方法，得到了胶凝温度不同的溶胶-凝胶 态电 解质，光电转换 效率可达到5.91%。 缺点：低稳定性，高选择 性，导致它不能被广泛应用。 有机小分子凝胶电电解质质 纳纳米颗颗粒凝胶电电解质质 在电解质体系中加入了纳米类物质，这类 物质依靠本身特有的性质，在电 解质体系中通过化学或物理交联与小分子凝胶剂或聚合物凝胶剂共同构成准 固态电 解质。 无机纳米颗粒凝胶剂主要应用于离子液体。这是因为离子液体具有较强的 极性，能与无机纳米颗粒表面的羟基形成氢键 等物理作用而使离予液体固化 成凝胶态。 目前，用于准固态太阳能电池电解质的无机纳米颗粒凝胶剂主要有纳米 sio2、纳米tio2、碳黑、碳纳米管等。 lu等发现 了一种新颖的有机溶液基准固态电 解质。在含四丙基铵离子的 电解液中加入商业的氰基丙酸盐黏合剂，在实验 中使用这种电解质的电池 获得了4.2%的光电转换 效率。 这种方法原料来源丰富、制作方式简单简单 , 为为低价快速地生产产dsc提供了一个新的思路 。 固态电态电 解质质 透明或在可见光区吸收率低； 电子-空穴迁移速度快，能够快速与氧化态染料发生反应，提高光电流 ； 稳定性好，光照下对电 极材料不具有腐蚀性，不破坏染料的化学性质； 氧化还原电势 与染料能级相匹配； 能与tio2多孔薄膜保持良好界面接触。 固体电电解质应质应 具备备的条件是： 固态电态电 解质质 p型半导导体材料 最常见的p型半导导体材料包括cui、cuscn、4cubr3s ( c4h9)2等。 特点：电池的光电转换 效率衰减快、效率低。主要原因是cui或cuscn 结晶速度快、晶体尺寸太大，导致无法实现对 tio2多孔膜的有效填充，因 此界面接触性能差、光生电子与空穴复合严重。 改进进方法：在tio2表面进行修饰，如表面包覆mgo、zno 或al2o3来改善界 面电荷传输 性能；采用脉冲激光法将空穴传输 材料沉积在tio2多孔薄膜中， 或者引入适当的溶剂方法来改善固态电 解质与多孔光阳极的界面接触性能 沉积cui 的电镜 照片。( a) 未添加离子液体；( b)添加离子液体 有机空穴传输传输 材料 常见有机空穴传输 材料的结构 存在的问题问题 ：填充不充分，光电转换 效率仍然偏低。 对于有机空穴传输材料，目前的研究主要集中在三苯胺类和噻 吩类这两类材料的修饰上, 如:通过引入拉电子和供电子基团来调 节能级, 并改善材料的结晶性。 含有i-i3-的全固态电态电 解质质 这类电 解质是i-i3-包含在聚合物或加成化合物的框架内形成的固态电 解质 。 聚合物基的全固态电解质 常用的聚合物有聚氧乙烯(peo)、聚丙烯睛(pan)等。stergiopoulos等通 过在peo中加入二氧化钛纳 米晶抑制peo的结晶, 其dsc光电转 化效率达到 了4.2% 。王鹏等人报道了用n-甲基-n-丁基吡咯碘盐，碘与丁二腈形成的室 温塑晶体用于制备全固态染料敏化太阳能电池，得到超过6.5%的光电转换 效 率。 基于加成化合物的固态复合电