基于paapeg热固性凝胶电解质的准固态染料敏化太阳能电池研究

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1、摘要摘要1991年M.Gratzel教授在Nature上首次报道了新型染料敏化太阳能电池（DSSC），引起了研究人员的广泛兴趣。经过十几年的研究，DSSC最高光电转换效率已经达到11%，然而，由于液体电解质存在易泄漏、挥发及其它潜在的不稳定因素，导致DSSC长程稳定性较差。针对液体电解质上述缺陷，本文提出基于PAA-PEG热固性凝胶电解质（TSGE）的准固态染料敏化太阳能电池研究课题，并对如下几个方面展开了研究：--(1)电解液溶剂组分在DSSC中不仅起到溶解I/I3氧化还原电对的作--用，由于其与I/I3及TiO2纳米晶膜间还存在电子给体-受体相互作用，溶剂组分相关物理

2、性质特别是给电子数大小对DSSC光电性能如Voc和Isc等均有较大影响。文中选择具有合适给电子数的GBL、NMP及PC为基本溶剂组分，由GBL与NMP及PC组成不同给电子数大小的混合溶剂，来研究溶剂组分给电子数大小对DSSC光电性能的影响。研究发现Voc随混合溶剂给电子数增大而增大，Isc则相反。当混合溶剂含30vol.%NMP、70vol.%GBL，给电子数为20.79时，DSSC光电转换效率可以达到5.73%，这一数值较未优化的含纯GBL液体电解质DSSC光电转换效率提高了14%。继续往上述组分中添加0.4MPY，可使DSSC光电转换效率进一步提高到6.70%。(2)

3、TSGE基体必须与电解液间存在某种相互作用，才能使其在电解液中充分溶胀形成凝胶电解质。由溶剂组分对DSSC光电性能的影I基于PAA-PEG热固性凝胶电解质的准固态染料敏化太阳能电池研究响研究中发现含给电子数较大溶剂组分的DSSC光电性能较优，而依据Lewis酸碱性理论，给电子数越大，Lewis碱性越高。鉴于此，文中选择具有三维网络结构的酸性聚合物PAA-PEG为基体，通过基体与电解液间的酸碱作用使其在电解液中溶胀形成TSGE。研究发现通过调节不同给电子数的GBL与NMP及PC混合溶剂组分，可以得到不同吸液倍率、离子电导率的TSGE，其中含液体电解质优化组分（30vol.%

4、NMP、70vol.%GBL和0.4MPY）TSGE的QS-DSSC光电转换效率可以达到4.74%。(3)作为凝胶电解质离子导电载体的NaI/I2在TSGE中不仅起到提供--I/I3氧化还原电对的作用，其对TSGE吸液倍率、离子电导率和+QS-DSSC光电性能均有影响。低浓度的溶剂化Na离子与PAA-PEG基体间的络合作用提供了电解液往基体中渗透的另一个--驱动力。通过I2用量的改变可以调节I/I3比例、TSGE离子电导率及QS-DSSC光电性能。综合考虑这些因素，当电解液中含0.5MNaI，0.05MI2时，QS-DSSC光电性能可达到较优值。(4)由于PAA为亲水性聚

5、合物，虽为酸性聚合物，但其即使在Lewis碱性有机电解液中也不溶胀，因此基体另一两亲性聚合物PEG组分的性质对TSGE性能将产生重要影响。研究发现，当PEG分子量及用量增大时，TSGE内部渐形成多孔网络结构，随着这种网络结构的形成，TSGE吸液倍率逐步提高，离子电导率也随之增大。在低吸液倍率的TSGE中，离子迁移主要依靠聚合物基体链段松弛运动来实现，此方式迁移速率较低，对应的离子电导率也较低。II摘要在高吸液倍率的TSGE中，离子迁移主要通过凝胶网络内溶剂通道中跳跃或扩散来实现，此方式迁移速率较高，对应离子电导率也较高。随着吸液倍率的逐渐增大，TSGE由坚硬的刚凝胶变为软

6、凝胶，与QS-DSSC两电极界面接触性能逐步改善，从而提高其光电性能。文中通过调节PEG分子量大小及用量来改变TSGE基体微观结构、吸液倍率和离子电导率。经过系列优化后，QS-DSSC光电性能可以达到6.10%。由于PAA-PEG基体高度稳定的三维网络结构，TSGE具有较佳的稳定性，QS-DSSC长程稳定性也优于DSSC。(5)在传统凝胶电解质中，均存在胶凝剂部分或全部溶解于溶剂组分中，阻碍离子扩散迁移，降低离子导电性能。同时，传统凝胶电解质耐盐性较差，高浓度的碘盐往往导致胶凝剂与电解液发生相分离，使凝胶电解质崩塌。鉴于此，文中设计了热固性-闭合微孔新型凝胶电解质（MPG

7、E）。通过基体某一组分的微相分离作用，在均相凝胶电解质内部形成大量互不贯通的闭合微孔结构，闭合微孔内可保存大量低粘度电解液，微孔壁在这种环境下可充分溶胀形成凝胶，离子通过凝胶内溶剂通道在微孔间及整个MPGE中快速迁移。这种新颖结构凝胶电解质有效提高了耐盐性和离子导电性。文中往PAA-PEG基体中渗透吡咯单体形成凝胶并原位合成PPy，形成PAA-PEG-PPy三元基体，通过难溶性聚合物PPy在凝胶内部的微相分离，形成大量闭合微孔结构。MPGE耐盐性和离子导电性均高于TSGE，且可使维持QS-DSSC正常光电转换过程III基于PA