染料敏化太阳能电池中离子液体基凝胶复合电解质膜的性能及优化

【摘要】：染料敏化太阳能电池(DSSC)由于其具有制作工艺简单、理论转换效率高、成本低、寿命长等优点,有可能成为未来太阳能电池的主导。电解质是影响DSSC光电效率的主要因素。其中凝胶复合电解质兼具液态电解质与固态电解质的优点,解决了液态电解质不稳定、易挥发、易降解、密封难等缺点以及固态电解质导电率低的不足。因此,凝胶复合电解质已成为这一领域研究的热点。 本文采用“两步法”制备出离子液体1-乙酸乙酯基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EAMIM]BF4),加入非质子溶剂PC、DMC对其改性。采用原位聚合法向其引入烯类单体MMA、HEMA,制备出一系列含离子液体的凝胶复合电解质膜。通过红外,电化学工作站、热重等手段考察离子液体及凝胶复合电解质的结构、电导率、稳定性及热稳定性。研究表明,离子液体的电导率在30℃时达到1.48×10-3S·cm-1；用PC/DMC的混合物溶剂对其进行改性,电导率先增大后减小,最大电导率达到12.48×10-3S·cm-1。凝胶复合电解质膜PHEMA-PC/DMC-[EAMIM]BF4、PMMA-PC/DMC-[EAMIM]BF4的离子电导率均随着温度的升高而增大,相同条件下,前者电导率比后者小；但就稳定性而言,前者比后者更稳定。两者的热稳定性良好,最大热失重均在300℃以上。 在凝胶复合电解质PMMA-PC/DMC-[EAMIM]BF4中加入KI和I2(提供I-/I3-氧化还原电对),将其组装成染料敏化太阳能电池。考察了凝胶复合电解质膜的热稳定性及PMMA质量分数、温度等对凝胶复合电解质膜电导率的影响,测试了含不同电解质的DSSC的光电性能参数,并对不同电解质的DSSC的光电性能进行了分析比较。研究表明,在25℃下,当PMMA质量分数为10%时,DSSC用凝胶复合电解质膜PMMA-PC/DMC-[EAMIM]BF4电导率为4.15×10-3S·cm-1；电导率随PMMA质量的增加而减小,随温度的升高而增大,并且凝胶复合电解质的导电行为符合Arrhenius方程；PMMA质量分数为10%的凝胶电解质组装的DSSC,在100mW/cm2的模拟太阳光照射下,测得电池的开路电压为0.69V,短路电流密度为6.440mA/cm2,总的光电转换效率为2.94%。 用纳米TiO2及铁掺杂纳米TiO2对PMMA-PC/DMC-[EAMIM] BF4、以及由MMA、HEM A单体共混形成P(MMA-HEMA)-PC/DMC-[EAMIM] BF4凝胶复合电解质膜进行改性,并组装染料敏化太阳能电池,分别进行光电性能的测试。结果表明,凝胶复合电解质中纳米TiO2粒子的加入能提高DSSC的光电转化效率；铁掺杂TiO2改性的PMMA基凝胶复合电解质在100mW/cm2的模拟太阳光照射下,测得电池的开路电压为0.710V,短路电流密度为7.100mA/cm2,总的光电转换效率为3.08%。 【关键词】：离子液体 凝胶复合电解质膜 染料敏化太阳能电池 纳米TiO_2 电导率 光电转换效率
【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 前言11
• 1.2 染料敏化太阳能电池(DSSC)11-15
• 1.2.1 染料敏化太阳能电池(DSSC)国内外发展动态11-12
• 1.2.2 染料敏化太阳能电池性能参数12-13
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池的结构13-14
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池的工作原理14-15
• 1.3 染料敏化太阳能电池电解质研究进展15-22
• 1.3.1 液态电解质15-17
• 1.3.2 固态电解质17-18
• 1.3.3 凝胶复合电解质膜概述18-22
• 1.4 本研究工作的目的和主要内容22-23
• 1.5 创新点23-24
• 第二章 含离子液体[EAMIM]BF_4凝胶复合电解质膜的制备和性能研究24-39
• 2.1 前言24
• 2.2 实验部分24-28
• 2.2.1 实验仪器和试剂24-26
• 2.2.2 离子液体[EAMIM]BF_4的制备26
• 2.2.3 含不同烯类单体凝胶复合电解质膜的制备26-27
• 2.2.4 离子液体和凝胶复合电解质膜性能测试27-28
• 2.3 结果与讨论28-38
• 2.3.1 温度及非质子溶剂对[EAMIM]BF_4电导率的影响28-30
• 2.3.2 离子液体[EAMIM]BF_4与凝胶复合电解质膜的红外光谱分析30-33
• 2.3.3 [EAMIM]BF_4含量及聚合物基质对凝胶复合电解质膜电导率的影响33-34
• 2.3.4 温度对凝胶复合电解质膜电导率的影响34-36
• 2.3.5 放置时间对凝胶复合电解质膜电导率的影响36-37
• 2.3.6 凝胶复合电解质膜的热稳定性37-38
• 2.4 小结38-39
• 第三章 DSSC用凝胶复合电解质膜的制备及应用39-49
• 3.1 前言39
• 3.2 实验部分39-42
• 3.2.1 实验仪器和试剂39-40
• 3.2.2 DSSC用凝胶复合电解质膜的制备40
• 3.2.3 染料敏化太阳能电池的制备40-42
• 3.2.4 性能测试42
• 3.3 结果与讨论42-47
• 3.3.1 PMMA质量分数对凝胶复合电解质膜电导率的影响42-43
• 3.3.2 温度对凝胶复合电解质膜电导率的影响43-44
• 3.3.3 KI浓度对电解质电导率的影响44-45
• 3.3.4 PMMA质量分数对DSSC光电效率的影响45-47
• 3.4 小结47-49
• 第四章 DSSC用凝胶复合电解质膜的改性研究49-58
• 4.1 前言49
• 4.2 实验部分49-52
• 4.2.1 实验试剂与仪器49-51
• 4.2.2 纳米TiO_2及铁掺杂纳米TiO_2溶胶的制备51
• 4.2.3 DSSC用凝胶复合电解质膜的改性51
• 4.2.4 TiO_2电极的制备及含凝胶复合电解质DSSC的组装·51-52
• 4.2.5 性能测试52
• 4.3 结果与讨论52-57
• 4.3.1 凝胶复合电解质膜电导率的稳定性52-53
• 4.3.2 Fe~(3+)掺杂TiO_2凝胶红外光谱分析53-54
• 4.3.3 Fe~(3+)掺杂TiO_2溶胶-凝胶形貌分析54-55
• 4.3.4 PMMA基凝胶复合电解质组装的DSSC光电性能比较·55
• 4.3.5 P(MMA-HEMA)基凝胶电解质组装的DSSC光电性能比较55-57
• 4.4 小结57-58
• 第五章 总结与展望58-60
• 5.1 总结58-59
• 5.2 展望59-60
• 参考文献60-68
• 致谢68-69

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