染料敏化太阳能电池电解质的研究——研究生开题报告

指导老师：孟舒献 副教授学生：陈思

2013 年 7 月 9 日

主要内容

课题来源及意义

染料敏化太阳能电池工作原理及相关参数简述

染料敏化太阳能电池电解质研究进展

主要工作方法及任务

课题来源及意义 能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础。目

前，全球能源行业正面临着能源枯竭与环境保护的双重压力。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的天然清洁能源，成为最有希望的新能源之一。

图 1 2000~2011 年全球太阳能安装量

课题来源及意义

图 2 太阳能发电厂

课题来源及意义

1991 年瑞士洛桑高等工业学院的 Grätzel 教授在DSSC 的研究中取得了突破性进展，在太阳光下，其光电转换效率达 7.1% （ AM1.5 ）。

图 3 染料敏化太阳能电池 (Dye-sensitized solar cell ， DSSC)

课题来源及意义

图 4 染料敏化太阳能电池结构示意图

电解质（ electrolyt

e）• 提供电子• 传输电荷• 再生染料

图 6

课题来源及意义 2011 年， Grätzel 组的 Aswani Yella 等人利用 Co

（Ⅱ /Ⅲ ）三（联吡啶） - 基氧化还原电对电解质，结合 D-π-A 结构锌卟啉染料（ YD2-o-C8 ），使 DSSC 的效率高达 12.3% ，相对于 I3 － / I －液态电解质的效率（ 9.4% ）有显著提高。

Aswani Yella, Hsuan-Wei Lee, Hoi Nok Tsao, etal.Porphyrin-Sensitized Solar Cells with Cobalt(II/III)–Based Redox Electrolyte Exceed 12 Percent Efficiency[J]. Science, 2011(334):629-633

图 5

DSSC 工作原理及相关参数简述

图 7 DSSC 的工作原理图

DSSC 工作原理及相关参数简述

短路电流 (Isc )

开路电压 (Voc )

填充因子 (ff )

光电转换效率(η )

图 8 DSSC 性能参数

DSSC 的电解质研究进展

（一）液态电解质（ liquid

electrolyte ）（ 1 ）有机溶剂液体电解质

（ 2 ）离子液体基液体电解质

DSSC 的电解质研究进展

（二） 固态电解质 (solid

electrolyte)

（ 1 ）无机 p- 型半导体材料

（ 2 ）有机空穴传输材料

（ 3 ）导电高聚物和固态复合电解质

DSSC 的电解质研究进展

（三）准固态电解质 (quasi-solid

electrolyte)/ 凝胶电解质（ gel

electrolyte ）（ 1 ）有机小分子准固态电解质

（ 2 ）无机纳米粒子准固态电解质

（ 3 ）凝胶聚合物电解质

DSSC的电解质研究进展——凝胶聚合物电解质

凝胶聚合物电解质（ Gel Polymer Electrlyte ）

聚丙烯腈 (PAN)

聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)

聚氧乙烯 (PEO)

聚氧丙烯 (PPO)

聚偏氟乙烯 (PVDF)

偏氟乙烯和六氟丙烯的共聚物（ PVDF-HFP ）

C

F

C

F F

CF3

mC

F

H2C

F

n

H2C

HC

CN

n H2C C

C

n

CH3

O CH3

O

OH2C

H2C OH

nO

HC

H2C OH

n

CH3

图 9

DSSC的电解质研究进展——凝胶聚合物电解质 Voc=0.751V ， Jsc=16.260

mA/cm2 ， FF=0.6841 ， η=8. 35%>7.9%(liquid)

Hongsheng Yang, Oliver A. Ileperuma, Masaru Shimomura, Kenji Murakami. Effect of ultra-thin polymer membrane electrolytes on dye-sensitized solar cells [J] . Solar Energy Materials & Solar Cells 93 (2009) ： 1083–1086.

图 10

DSSC的电解质研究进展——凝胶聚合物电解质

Peng Wang ， Shaik M. Zakeeruddin ， Ivan Exnarb ， Michael Grätzel. High efficiency dye-sensitized nanocrystalline solar cells based on ionic liquid polymer gel electrolyte [J] . Chem Commun, 2002,2(24):2972-2973.

η=5.13% ≈ ηliquid

图 11

Peng Wang ， Shaik M. Zakeeruddin ， Michael Grätzel. Solidifying liquid electrolytes with fluorine polymer and silica nanoparticles for quasi-solid dye-sensitized solar cells [J].J.Fluorine.Chem.2004,125(8):1241-1245.

DSSC的电解质研究进展——凝胶聚合物电解质

图 13图 12 η=6.7%<η 液 =6.8%

（ AM1.5 ）

（四）卟啉敏化太阳能电池的电解质DSSC的电解质研究进展

Vanessa Armel, Jennifer M. Pringle, Maria Forsyth, etal. Ionic liquid electrolyte porphyrin dye sensitised solar cells[J]. Chem.Commun., 2010, 46,3146–3148.

图 15图 14

（四）卟啉敏化太阳能电池的电解质DSSC的电解质研究进展

Vanessa Armel, Jennifer M. Pringle, Pawel Wagner, etal. Porphyrin dye-sensitised solar cells utilising a solid-state electrolyte[J]. Chem.Commun., 2011, 47,9327–9329.

图 16

η(A1)=3.1%η(A2)=4.2%η(A3)=4.8%

（ AM1.5 ）

主要工作方法及任务

聚合物凝胶电解质的制备方法： 将聚合物制成膜后于液态电解质中活化形成凝胶电解

质

聚合物凝胶剂加入到液态电解质中进行交联。

简易电解液： LiI+I2+ 乙腈

主要工作方法及任务

表 1 常用聚合物凝胶剂的部分性质

主要工作方法及任务表 2 常用有机增塑剂的部分物理常

数

主要工作方法及任务

图 17 烷基咪唑碘类离子结构式

表 3 1- 甲基 -3- 烷基咪唑碘中烷基脂肪链的长度对 DSSC 性能的影响

潘旭 , 戴松元 , 王孔嘉 , 史成武 , 郭力 . 染料敏化纳米薄膜太阳电池中离子液体基电解质的研究进展 [J]. 物理化学学报 , 2005,21(6):697-702.

主要工作方法及任务

图 18 凝胶电解质中加入不同含量 TiO2 纳米颗粒的暗电流（扫描速度为 10mV/s ）

Zhipeng Huo, Songyuan Dai, Kongjia Wang, et al. Nanocomposite gel electrolyte with large enhanced charge transport properties of an I 一 /I3

一 redox couple for quasi-solid-state dye-sensitized solar cells[J]. Solar Energy Materials & Solar Cells:91(2007)1959–1965.

主要工作方法及任务

图 19 PVdF –HFP 聚合物膜的 SEM 图（ a ： PVdF –HFP 含量为 10% ， b ： a 的放大图；

c ： PVdF –HFP 含量为 5% ， d ： c 的放大图）

主要工作方法及任务

图 20 凝胶电解质

主要工作方法及任务

2013/6—2013/12 ：提高 PVDF-HFP 基凝胶电解质的效率，同时寻找更好的聚合物。同时，完善实验室的电池封装工艺，研究关于电解质的电化学测试方法；

2014/1—2014/6 ：研究凝胶电解质的离子液体添加剂。

2014/7—2014/12 ：研究纳米颗粒添加剂。

2015/1—2015/4 ：整理数据，撰写毕业论文。

2015/5——2015/7 ：毕业答辩。

谢谢！