准固态电解质在染料敏化太阳电池中的应用

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染料敏化太阳电池(DSSC)因其工艺简单、成本低廉、且具有较高光电转换效率等优点而备受关注与研究。电解质作为DSSC的核心部分,影响着电池内部电子传输与染料再生过程,从而影响电池的光电性能与稳定性。目前基于液态电解质的DSSC效率已经超过14%,但由于液态电解质存在溶剂易泄露、挥发等问题,导致器件封装困难及工作寿命缩短,限制了DSSC的工业化进程。为解决上述问题,本文制备了一系列准固态电解质,从其微观结构、机械性能、热稳定性能、DSSC内部电子动力学及光电性能等方面进行了详细研究。主要研究内容如下:1.利用N,N’-1,3-丙二基双月桂酰胺作为凝胶剂,分别与共凝胶剂己二胺、己二酸混合,制备成两种超分子凝胶电解质Gel 1与Gel 2,并对两种凝胶电解质微观结构及热力学性能进行表征,分析不同微观结构对电解质中离子扩散及电池光电性能的影响。同时,利用强度调制光电压谱/光电流谱(IMVS/IMPS)、循环伏安法(CV)与电化学阻抗谱(EIS)详细研究了不同准固态电解质中酸/碱对器件中电子传输与复合动力学过程的影响。结果表明,在基于己二胺作为共凝胶剂的超分子凝胶电解质(Gel 1)中,由于电解质中Li+与N,N’-1,3-丙二基双月桂酰胺中的酰胺基团相互作用,降低了Li+在TiO2薄膜上的吸附,并导致TiO2导带边负移,从而有助于器件的开路电压的提升。而在己二酸作为共凝胶剂的准固态凝胶电解质体系(Gel 2)中,由于酸性条件下电离产生的H+可吸附于TiO2表面,使得TiO2的导带边位置正移,从而加大了电子注入动力,使得其准固态DSSC的短路电流大于对应液态电解质DSSC,并最终获得了5.89%的光电转换效率,略高于对应液态DSSC的效率(5.82%)。此外,在稳定性测试中,较液态DSSC,基于两种超分子凝胶电解质的准固态DSSC均表现出良好的稳定性。2.利用Fe3+与均苯三甲酸,通过配位作用,制备出一种新型的Fe-TMA金属凝胶电解质并应用到DSSC中。该金属凝胶微观结构呈现多孔疏松状结构,这有利于电解质中离子的扩散。同时,研究发现金属凝胶吸附不同浓度的液态电解质,对其所组装的器件的光电性能具有影响作用,主要体现在TiO2导带边的移动与电解质/TiO2界面处电子复合程度的不同。随着所吸附液态电解质浓度的增加,TiO2导带边先负移后正移,而电子复合程度也先减弱后加剧。最终,通过优化电解质的浓度,获得了效率为5.31%的准固态DSSC。3.利用聚乙烯醇肉桂酸酯(PVCi)作为聚合物单体,2-羟基-2-甲基苯丙酮作为光引发剂,制备出一种工艺简单、固化迅速、溶胀率高的紫外光引发聚合物凝胶。通过吸附液态电解质,制备成准固态电解质。该聚合物呈现多孔的微观结构,利于电解质中离子的扩散。同时,利用热重分析仪(TGA)对聚合物进行热稳定性测试。结果表明,制备的聚合物的起始降解温度高达130℃,可有效抑制器件运行过程中溶剂的挥发,从而使得准固态电池在加速老化过程中表现良好的稳定性。利用瞬态PL谱与EIS对基于该准固态电解质的DSSC中染料的再生能力及电化学性能进行研究,阐述了该准固态电解质的微观结构对电池界面电子传输及光电转换性能的影响机制。
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