染料敏化電池之電解質

染料敏化太陽電池目錄背景太陽能電池染料敏化太陽電池DSCC的電解質背景傳統(tǒng)化石能源：不可再生、環(huán)境污染、能源枯竭可再生能源：風能、地熱能、水能、潮汐能、太陽能等?

能源危機氣候變暖、南極空洞、生態(tài)失衡、環(huán)境惡化……過度排放的廢水、廢氣、廢渣讓我們的地球不堪重負。?環(huán)境污染

氣候變暖、南極空洞、生態(tài)失衡、環(huán)境惡化太陽能電池分類前電極太陽電池基本結構染料敏化太陽電池

染料敏化太陽電池（dye-sensitizedsolarcell，DSSC）全稱為染料敏化納米薄膜太陽電池，是模擬自然界中的光合作用原理，采用吸附染料的納米多孔TiO2半導體膜作為光陽極，并選用適當?shù)难趸€原電解質，用鍍鉑的導電玻璃作為光陰極。中國首個染料敏化太陽電池示范電站染料敏化太陽能電池的結構透明導電玻璃納米多孔TiO2膜染料光敏化劑電解質和反電極（對電極）染料敏化太陽能電池的工作原理S+hS*(染料激發(fā))S*S++e-(TiO2)（產(chǎn)生光電流）S++I-S+I3-（染料還原）I3

-+e-(CE)I-（電解質還原）ｅ-(Pt)+hν→ｅ-(TiO2)(光電流)A-+hν→A+ｅ-(TiO2)染料敏化太陽能電池工作原理示意圖染料敏化太陽能電池的特點生產(chǎn)工藝簡單，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；轉換效率隨溫度上升而提升；電池兩面均可以吸收光；制備出半透明或不同顏色的電池；制備電池耗能較少，能源回收周期短；光的利用效率高；缺點：有機染料易變質，缺乏長期穩(wěn)定性。染料敏化太陽電池的發(fā)展歷史1991年，瑞士M.Gr?tzel等人基于自然界中的光合作用原理，提出了一種新型的以染料敏化二氧化鈦納米薄膜為光陽極的光伏電池，稱為M.Gr?tzel電池。1993年M.Gr?tzel等人再次報道了光電轉換效率達10%的染料敏化納米太陽能電池，2001年效率達到了10%～11%，短路電流密度為20.53mA/cm2，開路電壓為720mV。1997年，這種M.Gr?tzel電池已經(jīng)應用于電致變色器件。1998年，M.Gr?tzel等人進一步研制出全固態(tài)M.Gr?tzel電池，使用固體有機空穴傳輸材料替代了液體電解質,單色光光電轉換效率最大達到33%，從而引起了全世界的關注。目前，DSSCs的光電轉化效率已能穩(wěn)定在13％以上，壽命能達15～20年，且其制造成本僅為硅太陽能電池的1/5～1/10。我國染料敏化太陽電池的研究歷史我國科研研究小組在90年代中后期開始跟蹤研究該項技術，中科院和北大等高校率先在該項研究上取得較好的成績。中科院等離子體所、化學所和理化所的研究小組開展了前期的跟蹤研究，同時于2000年6月，該項研究被中科院列入中科院知識創(chuàng)新項目。2000年10月，“低價、長壽新型光伏電池的基礎研究”項目列入國家重點基礎研究規(guī)劃項目（973計劃），染料敏化納米薄膜太陽電池作為項目研究的主要方向之一。電解質體系作用

在DSSC中，電解質主要起到充當電荷交換媒介的作用，擔負著還原染料、輸運載流子完成電池內部循環(huán)的作用。電解質的分類液態(tài)電解質固態(tài)電解質準固態(tài)電解質根據(jù)電解質的狀態(tài)不同

液態(tài)電解質組成部分:有機溶劑、氧化還原電對和添加劑。常用的有機溶劑:腈類(如乙腈、甲氧基丙腈等)、酯類(碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯和γ-丁內酯等)。有機溶劑的特點：具有較寬的電化學窗口，不易導致染料的脫附和降解，凝固點低，適用的溫度范圍寬；具有較高的介電常數(shù)和較低的粘度，能滿足無機鹽在其中溶解和離解的要求，且溶液具有較高的電導率。優(yōu)點：液體電解質黏度低、滲透性好、電導率高，與納晶多孔薄膜有良好的界面接觸。缺點：存在易揮發(fā)、泄露等問題，影響電池的穩(wěn)定性；密封工藝復雜。有機溶劑電解質Jifu等人研究在乙腈電解質溶液中加入異煙酸烯丙酯，電池效率提高26%。Mijeong等人以乙腈為溶劑研究了添加劑硫脲的影響，發(fā)現(xiàn)硫脲作為添加劑可以顯著提高光電流，光電壓略微降低。新型液態(tài)電解質—離子液體電解質。固定陰離子為I-，對咪唑陽離子進行改造；用各種大體積的陰離子來代替常用的I-。

準固態(tài)電解質聚合物凝膠電解質

聚合物是制備準固態(tài)電解質最常用的物質。普遍采用共聚的方法或使用聚合物做凝膠劑，這樣就能在準固態(tài)電解質體系中增加更多的自由空間，從而使電解質的電導率得到提高。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)、聚環(huán)氧乙烯等。

目前應用于染料敏化太陽能電池的有機小分子凝膠劑主要包括糖類衍生物、氨基酸類化合物、酰氨(脲)類化合物、聯(lián)(并)苯類化合物等。KuboW等采用含有酰胺鍵和長脂肪鏈的有機小分子作為膠凝劑，通過改變脂肪鏈的長度和膠凝劑的加入量等方法，得到了膠凝溫度不同的溶膠-凝膠態(tài)電解質，光電轉換效率可達到5.91%。缺點：低穩(wěn)定性，高選擇性，導致它不能被廣泛應用。有機小分子凝膠電解質納米顆粒凝膠電解質在電解質體系中加入了納米類物質，這類物質依靠本身特有的性質，在電解質體系中通過化學或物理交聯(lián)與小分子凝膠劑或聚合物凝膠劑共同構成準固態(tài)電解質。無機納米顆粒凝膠劑主要應用于離子液體。這是因為離子液體具有較強的極性，能與無機納米顆粒表面的羥基形成氫鍵等物理作用而使離予液體固化成凝膠態(tài)。

目前，用于準固態(tài)太陽能電池電解質的無機納米顆粒凝膠劑主要有納米SiO2、納米TiO2、碳黑、碳納米管