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染料敏化太阳能电池(DSCs)是一种新型的光电化学器件,近年来受到了广泛的关注。它主要包括三个部分:吸附有染料的多孔光阳极,电解质和对电极。其中,电解质是DSCs中不可或缺的重要组分,它起着再生染料和传输电荷的作用。目前较常用的电解质是含有I3-/I-氧化还原电对的液体电解质,它具有非常高的光电转换效率。然而有机溶剂的使用也存在着一定的局限性,如溶剂易挥发、泄露,造成电池的稳定性下降和寿命降低等。本论文主要针对上述问题开展新型固态、准固态电解质的研究,并取得了如下研究成果:
一、制备了LiI/乙酰胺相转变电解质。对于LiI/乙酰胺固态电解质体系来讲,它们的熔点在50℃左右,因此具有相转变性质。直接将其应用于DSCs,在80℃光电转换效率达到1.5%。进一步采用纳米SiO2作为这种固体电解质的结晶抑制剂可以在很大程度上改善多孔电极与固态电解质的界面接触性能,提高电池的光电转换效率,并讨论了相应的机理。通过优化,在室温和75℃分别获得了0.3%和4.2%的效率。该相转变电解质的优势在于它同时具有固体电解质和液体电解质的优点,即在高温工作时具有较高的电导率和光电转换效率,在低温时不易挥发泄露,稳定性较好,因此,具有非常好的应用前景。
二、基于水凝胶材料-聚甲基丙烯酸-β-羟乙酯,制备了准固态电解质。该电解质用于固态DSCs中的光电转换效率达到7.5%,相当于同等条件下液体电解质效率的97%。该聚合物凝胶电解质具有与液体电解质类似的电导率,且稳定性较高,适合于DSCs的大规模实际应用。研究表明,溶剂的组成对凝胶的形成以及电池的效率有很大的影响。
三、采用新型的小分子凝胶剂-谷氨酸十二烷基酯来固化液体电解质,所得到的凝胶电解质具有触变性和相转变行为,有利于电解质的灌注和器件的封装。该凝胶电解质电导率高,扩散系数大,用它组装的DSCs光电转换效率达到7.1%。
四、针对量子点敏化太阳能电池的特点,提出以超吸水材料聚丙烯酰胺为骨架,以多硫化物为氧化还原介质,制备了水凝胶电解质,并将其应用在CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池中,获得了4.0%的光电转换效率。研究表明,聚合物骨架对水有很强的吸附作用,能有效地抑制水的挥发和泄露,对于提高量子点敏化太阳能电池的稳定性有很大的促进作用。