基于氰基联苯功能化咪唑型有机离子晶体固态染料敏化太阳能电池的研制

【摘要】：离子液体具有较低的蒸气压、较高的离子电导率、较宽的电化学窗口等优点。另外，离子液体的可设计性使得我们可以通过简单地调整阴、阳离子组合或者嫁接适当的官能团而获得特定需要的离子液体。 染料敏化太阳能电池（DSSC）因其高效率、低成本、易制备的特点引起了人们的广泛关注。电解质作为DSSC的一个重要组成部分对电池性能的影响较大。目前基于有机溶剂电解质的液态电池存在易挥发和泄漏、毒性较大、长期使用稳定性差等缺点。因此，基于准固态和固态的电解质DSSC的受到广泛关注。 由于目前应用到DSSC中的离子液体电解质仍然属于液体材料，并没有从根本上解决液态电解质带来的问题。本课题将咪唑离子液体基团接枝到氰基联苯上，制备了功能化的咪唑型有机离子晶体，并进一步应用于固态DSSC电池的研究。 本论文的主要研究内容和结论概括如下： （1）合成了有机离子晶体[CnBIm][X]（n=2、4、6，X=Br、BF4或TFSI），并利用红外、核磁、质谱、热分析等分析手段对化合物进行了表征。所合成离子晶体均具有较高的热分解温度，其良好的热稳定性可以满足制备器件对材料的基本需求。以1-乙基-3-甲基咪唑碘盐（EMII）为基质，通过掺杂各类离子晶体和碘单质来制备能用于DSSC的固态电解质，并对其进行一系列的测试，包括电导率、热性能和离子扩散系数。进一步利用上述离子晶体电解质材料成功制备了固态DSSC，其光电性能的测试结果表明，在60°C、模拟太阳可见光0.5光强下电池的光电转换效率最高为6.41%。对电池的工作机理研究表明其较高的转化效率是由于掺杂离子晶体的电解质具有光散射性能，能改善染料敏化TiO2的光捕获效率。利用1-丙基-3-甲基咪唑碘盐（PMII）作为晶体抑制剂，能够进一步提高电池的性能，在45°C、模拟太阳可见光0.5光强下电池的光电转换效率可达到6.55%。同时，离子晶体固态DSSC在工作温度范围内显示出了良好的稳定性。 （2）合成了有机离子晶体[C11AIm][X]（A=M或B，X=Br、BF4或TFSI），并用红外、核磁、质谱、TGA、DSC等进行了表征。各类离子晶体均具有较高的热分解温度，且随着烷基链长度及阴离子的变化，可获得不同的结晶形态及固化温度。将其掺杂到EMII/PMII中制备出室温固态电解质，以此制得的固态电池在室温下最高可达到1.52%的光电转换效率。将进一步研究电解质在高温下的热稳定性及电池组在不同条件下的光电性能，从而优化器件性能。 【关键词】：有机离子晶体 染料敏化太阳能电池 固态电解质 结晶形态
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 离子液体简介10-11
• 1.2 离子液体基染料敏化太阳能电池（DSSC）简介11-24
• 1.2.1 电池结构及工作原理13-15
• 1.2.2 电池性能评价参数15-18
• 1.2.3 离子液体作为 DSSC 用液态电解质的应用研究18-20
• 1.2.4 离子液体作为 DSSC 用准固态和固态电解质的应用研究20-24
• 1.3 联苯及其衍生物简介24
• 1.4 本论文的研究内容设计24-25
• 1.5 本论文的创新之处25-26
• 第二章 离子晶体固态电解质在 DSSC 中的应用26-50
• 2.1 实验部分26-37
• 2.1.1 实验材料与仪器26-27
• 2.1.2 离子晶体的制备27-29
• 2.1.3 固态 DSSC 的制备29-30
• 2.1.4 表征及测试方法30-37
• 2.2 结果与讨论37-49
• 2.2.1 离子晶体性能表征37-38
• 2.2.2 离子晶体电解质性能表征38-41
• 2.2.3 离子晶体/EMII 体系固态 DSSC 性能表征41-46
• 2.2.4 离子晶体/EMII/PMII 体系固态 DSSC 性能表征46-49
• 2.3 本章小结49-50
• 第三章 长链离子晶体的制备、表征及结晶形态对电解质的影响研究50-64
• 3.1 引言50
• 3.2 实验部分50-60
• 3.2.1 实验材料与仪器50-51
• 3.2.2 长链离子晶体的制备51-53
• 3.2.3 固态 DSSC 的制备53-54
• 3.2.4 表征及测试方法54-60
• 3.3 结果与讨论60-63
• 3.3.1 长链离子晶体性能表征60-61
• 3.3.2 长链离子晶体电解质性能表征61-63
• 3.3.3 长链离子晶体/EMII/PMII 体系固态 DSSC 性能表征63
• 3.4 本章小结63-64
• 第四章 总结与展望64-66
• 4.1 总结64
• 4.2 展望64-66
• 参考文献66-73
• 硕士期间发表论文73-74
• 致谢74-75

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