准固态聚合物电解质在染料敏化太阳能电池中的应用

－ － 散到导电基底， 经过外电路到达铂对电极（ Pt CE ） ；在对电极 I 3 接受外电路的电子被还原成 I ， 这样就
完成一个光电化学循环过程 。 DSSC 的光电转换过程不同于传统 p-n 结硅太阳能电池， 其转换效率依赖 染料的还原 、 氧化还原电对的还原 于电子在整个光电化学循环过程中各个反应 （ 包括染料电子的注入 、
［ 6］ ［ 4］ ［ 5］ 、 无机纳米粒子 和聚 合
等 。 固化过程中可以加入一种固化剂， 也可以同时添加多种固化剂 。 本文主要 对 以 聚 合 物 作 为 固
化剂的准固态电解质进行介绍 。 根据聚合物的种类， 即电解质的骨架基体的种类不同， 可以对准固态聚 合物电解质进行分类 。 目前， 较好的准固态聚合物电解质骨架基体有：聚丙烯腈 （ PAN ） 、 聚甲基丙烯酸 甲酯（ PMMA ） 、 聚氧乙烯（ PEO ） 、 聚氧丙烯（ PPO ） 和聚偏氟乙烯（ PVDF ） 等 。 为了使聚合物电解质在 DSSC 当中得 到 应 用 并 且 使 其 获 得 高 的 光 电 转 化 效 率， 研究者们大多在以
* DSSC 受到光照时， 处于染料分子基态（ S ） 的电子吸收光能量跃迁到激发态 （ S ） ， 由于激 发 态 染 料 * 染料分子的电子迅速注入到纳米 TiO 2 导带中， 使得染料自身转变成 分子 S 能级处于 TiO 2 的导带之上，
S + 。 被氧化的染料分子（ S + ） 被电解质的氧化还原电对中的 I － 还原再生成 S ；而电子通过 TiO 2 薄膜扩
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DSSC 的结构及工作原理
DSSC 是由染料敏化剂 、 “三明治 ” 纳米多孔二氧化钛薄膜 、 电解质以及对电极 （ CE ） 等构成的一种
20100309 收稿， 2010 0913 接受
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［ 1］ 1991 年， — — 染料敏化太阳能电池 瑞士联邦理工学院的 Grtzel 等 报道了一种全新的太阳能电池 —
（ Dye-Sensitized Solar Cell ， DSSC ） 。 这种电池工艺简单， 制作成本低（ 仅为硅太阳能电池的 1 /5 ～ 1 /10 ） ， 同时， 稳定性测试数据显示这种电池的寿命在 15 ～ 20y 以上， 目前其以液态电解质组装的电池转换效率
准固态电解质是一种介于液态和固态电解质之间的凝胶态电解质 。 它是通过向液态电解质中加入
固化剂， 使液态电解质的流动性大大降低， 但其导电机理仍然与液态电解质一样通过离子导电 。 这样就 解决了液态电解质在溶剂挥发 、 封装困难及稳定性低等问题 。 虽然准固 态 电 解 质 不 能 像 液 态 电 解 质 那 样给离子提供完全自由的运动空间， 但是目前的研究表明， 准固态电解质具有进一步提高离子电导率的 潜力和空间 。 用于固化液态电解质常用的固化剂主要有有机小分子凝胶剂 物
－3 下 3 个方面进行研究工作：1 ） 提 高 聚 合 物 电 解 质 的 离 子 电 导 率， 使 其 离 子 电 导 率 提 高 到 10 S / cm 以
上；2 ） 增强聚合物电解质对 DSSC 多孔 TiO 2 膜的渗透 性；3 ） 加 强 聚 合 物 电 解 质 的 机 械 和 可 加 工 性 能 。 通常通过将两种或两种以 上 的 聚 合 物 共 混 或 者 共 聚、 接枝等方式来提高聚合物的机械性能和导电 性能。
+ － 及背反应） 的速率等 。 背反应是指被氧化的染 料 分 子 S 、 电 解 质 中 的 I 3 与 注 入 到 TiO 2 导 带 中 的 电 子
发生的复合反应 。 只有当背反应的速率小于电子注入 、 染料还原等反应 的 速 率 时 电 子 才 能 传 输 到 导 电 基底形成外电流 生光电流 。
2. 2
聚合物电解质的离子传输机理
聚合物电解质一般是将盐溶于高分子量的聚合物基质当中形成 。 聚合物基质需要能够有效解离盐
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并使其形成自由移动的离子， 尽可能少的形成离子对， 从而提高电解质体系的离子电导 。 聚合物对盐的 溶解能力取决于聚合物链上电子 给 体 基 团 通 过 Lewis 酸 碱 反 应 与 盐 中 阳 离 子 之 间 的 配 位 能 力 。 比 如， PEO 、 PPO 等聚醚类基质通过醚氧基团与盐阳离子 （ 如 Li + ） 之间的络合作用 聚醚类聚合物电解质体系， 而使得盐离解 。 有研究
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准固态聚合物电解质在染料敏化太阳能电池中的应用
王惟嘉 杨 英 郭学益（ 中南大学冶金科学Fra bibliotek工程学院 * 长沙
田庆华
410083 ）
摘
要
将固态或准固态聚合物电解质应用到染料敏化太阳能电池（ DSSC ） 中可以有效解决应用液 态 电
A Review ： Quasisolid State Polymer Electrolytes for Dyesensitized Solar Cell
Wang Weijia ，Yang Ying ，Guo Xueyi * ，Tian Qinghua
（ School of Metallurgical Science and Engineering ，Central South University ，Changsha 410083 ） The dye-sensitized solar cells （ DSSC ） provide a promising alternative concept to conventional silicon
式夹心结构 。 在传统的硅太阳能电池中， 电池对光子的吸收以及电荷的分离是同时进行的， 与此不同的 DSSC 中光的捕获和电子传输过程是分开进行的， 是， 其工作原理如图 1 所示 。
图1 Fig. 1
DSSC 的结构及工作原理［7 ］
Schematic representation of a dyesensitized TiO 2 solar cell （ DSSC ） ［7 ］
［ 3］
。 要使被氧化的染料分子 S + 尽 快 的 被 还 原， 从 而 不 与 注 入 到 TiO 2 导 带 中 的 电 子 发
+ 生复合反应（ 背反应） ， 则必须保证氧化还原电对还原染料分子 （ S ） 的速度快于背反应的速 度， 从而产
2
2. 1
准固态聚合物电解质的特性及其离子传输机理
准固态聚合物电解质的特性
Abstract
solar cell. However ，liquid-state DSSC possesses a series of problems ，such as low stability ，hard to be sealed ，etc. Replacing liquid electrolytes by quasi-solid state polymer electrolytes is an approach available to solve such problems. In this paper ，the progress of quasi-solid state polymer electrolytes was reviewed. The structure and working principle of DSSC were introduced. The quasi-solid state polymer electrolytes for DSSC are divided into two types according to the polymer matrix in the electrolytes ， which are mono-polymer matrix electrolytes and composite polymer matrix electrolytes. The performances of solar cells based on these polymer electrolytes were analyzed in detail. The future development of the polymer electrolytes for DSSC was also prospected. Keywords Dye-Sensitized Solar Cell （ DSSC ） ，Polymer Electrolytes ，Quasi-Solid State
解质遇到的封装难 、 稳定性差等问 题， 因 而 近 年 来， 对固态和准固态电解质的研究引起了 广 泛 关 注。本 文 就 介 绍 了 DSSC 的 结 构 及 工 准固态聚合物电解质在 DSSC 中应用的研究进展及 存 在 的 问 题 进 行 了 综 述 。 同 时， 可 将 其 分 为 两 大 类：单 一 聚 合 作原理 。 根据目前 DSSC 准固态聚合物电解质的研 究 发 展 情 况 和 体 系 的 不 同， 物基质和复合聚合物基质准固态聚合物电解质 。 总结了 国 内 外 研 究 人 员 近 几 年 关 于 准 固 态 聚 合 物 电 解 质 在 DSSC 中应用的研究成果， 分析了各种不同种类聚合物基质电解质的 DSSC 的 性 能 参 数， 并对其未来的发展方 向进行了展望 。 关键词 染料敏化太阳能电池 聚合物电解质 准固态
［ 2］ 可达 10% ～ 11% ， 并且这种新型的太阳能电池具有进一步提高效率 、 增强稳定性和降低成本的潜力 。
由于液态电解质可以充分与染料分子以及对电极接触， 保证了染 料 分 子 和 氧 化 还 原 电 对 的 再 生 和 扩散， 因此具有较高的光电转化效率 。 但是液态电解质存在着有机 溶 剂 易 挥 发 、 封 装 难、 易泄漏及长期 稳定性差等问题， 使其很难广泛应用和商业化 。 准固态和固态电解质是 解 决 液 态 电 解 质 的 密 封 和 稳 定 性等问题的有效途径之一 。 为了提 高 DSSC 的 稳 定 性 和 实 用 性， 研究者们已经对各种准固态和固态电 比如， 无机 p 型空穴传输材料 、 有机空穴传输材 料 、 聚 合 物 电 解 质、 室温离子液 解质进行了大量的研究， 体等等 。 在这些研究体系当中， 聚合物电解质具有相对较高的离子 电 导， 同 时 具 有 可 加 工 性， 被认为是 固态光电器件制备成功的一个关键因素 。 本文将对用于 DSSC 的准固态聚合物电解质的研究进展进行 综述 。