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绿色新型聚合物基准固态薄膜太阳电池器件的应用基础研究
发布日期: 2020-03-17  访问量:

江西南昌市红谷滩新区南昌航空大学

项目简介

1、课题来源与背景染料敏化薄膜太阳电池(DSSC)是由光敏化剂(染料)、二氧化钛多孔膜、电解质(含氧化还原电对)、铂对电极及导电基板组成的夹层结构。其基本原理是:染料分子受光激发后,产生电子和空穴,电子通过二氧化钛导带传递到导电玻璃,空穴通过电解质传递到对阴极,接通外电路,产生了光电流。DSSC电池的特点十分突出:(1)电池制作的主要工艺是简单的浸泡、适度的烧结和大面积丝网印刷,制造技术简单,容易大规模生产,制作成本是硅太阳能电池的1/51/10;(2)材料使用量少,主要半导体材料TiO2的来源丰富、性能稳定,电池中的导电基板可以回收使用,电池制作过程不会造成环境污染和资源浪费,被认为是“清洁生产”和“软”绿色新能源光伏器件;(3)性能稳定,使用寿命预计15年以上,理论光电转化效率超过30%,还有很大的提升空间。由于上述优良的性能,DSSC具有较强的竞争力和更为良好的应用前景,成为近年研究的热点。2、研究目的与意义目前,DSSC的研究也面临着一些亟需解决的问题,诸如电解质界面接触不良和电导率偏低,使液体电解质易挥发和泄漏,光电转换效率不高等等。因此,新型高效准固态DSSC的开发研究迫在眉睫。为达到这一目标,需从两方面着手:(1)实现高效准固态聚合物电解质的制备,并提高光伏器件的稳定性;(2)设计新型离子液体聚合物电解质作为碘源,提高电解质的氧化还原反应性能以及导电性;(3)开发新型的导电聚合物凝胶电解质,提高催化活性,进一步降低电池器件成本,提高效能。3、主要论点与论据目前,准固态电解质制备的方法之一是以纳米粒子固化液体电解质。国际上大部分准固态电解质是采用聚合物做基体固化液体电解质。2001,Kubo第一个报道了以聚合物凝胶作电解质的准固态DSSC,其转换效率达到5.9%,展现出了较好应用前景,随后有关准固态和固态聚合物电解质的研究迅速兴起。Ren报道了采用PEO作为基体的准固态DSSC,转换效率达到3.6%。近期,Komiya用丙烯醇对PEO改性,形成共聚物,获得了三维聚合物网络凝胶电解质,得到8.1%的光电转换效率,与采用液体电解质的光电转换效率接近。国内研究课题组康俊杰等人设计一种含有季胺盐侧链的聚硅氧烷,并用它来固化EC/PC混合溶剂,得到7.7%的转化效率。中科院化学所在准固态电解质研究中也取得较好的进展,DSSC转化效率超过6%。此外,制备聚合物电解质另一个重要的方法就是将聚合物前驱体与液体电解质相混合,进行原位聚合,Kaneko报道的含有I/I3的聚多糖电解质,其转换效率达到7%。聚合物凝胶电解质克服了液体电解质易泄漏及固体电解质电导率低的缺陷,具有良好的应用前景。在聚合物凝胶电解质基础上引入高分子导电聚合物(如聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯),利用其的高电导率以及对电解质中的I-/I3-体系具有催化作用等优点,从而提高凝胶电解质性能。此外,现有染料敏化薄膜太阳电池多采用铂金对电极,增加了电池的制作成本。而铂金对电极对电解质系统中的氧化还原反应催化作用也有限,这限制了器件效率的进一步提高。申请人发现导电聚合物除了导电性能极佳,成本低,且对于I-/I3-的氧化还原反应具有很好的催化性能。因此,将新型导电聚合物引入薄膜太阳电池器件可提高电池效能,大幅降低器件制作成本。4、创见与创新(1)国内外首次提出了以新型聚合物凝胶为基础,制备准固态电解质,解决现有DSSC器件电解质易泄漏的问题,从而实现准固态薄膜太阳电池研发的创新思想。(2)创新性的提出将导电聚合物如聚吡咯、聚苯胺等以原位聚合的方式引入凝胶,形成具有特殊功能的复合基体,改善准固态DSSC器件的性能。导电聚合物的引入提高了聚合物凝胶电解质的电荷传输性能,加强氧化还原对与聚合物凝胶的匹配性。(3)国内外首次发现聚吡咯、聚苯胺等导电聚合物材料对I-/I3-氧化还原对具有较强的催化作用,据此申请人以这类聚合物为基础制备了新型复合对电极材料,替代传统贵金属铂金电极,取得良好效果。(4)国内外首次合成新型离子液体作为电解质体系的碘源和溶剂,取代传统的乙腈液体电解质,解决电解质的易挥发、稳定性差、氧化还原速率不高等问题。(5)针对准固态新型凝胶电解质体系,Flory理论的基础上发展了适用于凝胶基体的负载理论,阐明了凝胶基体材料的负载规律。以此为基础,探明了新型凝胶的电导率温度依赖关系。