有机染料敏化型太阳能电池及其制备方法技术

技术编号:19830831 阅读:25 留言:0更新日期:2018-12-19 17:25
本发明专利技术公开一种有机染料敏化型太阳能电池,包括有机染料敏化光阳极、复合对电极和凝胶电解质,有机染料敏化光阳极和复合对电极之间注入凝胶电解质。与现有技术相比,本发明专利技术提供的有机染料敏化型太阳能电池及其制备方法,作为敏化剂的D‑π‑A型结构的有机染料具有较强的电子推拉体系,具有较高的摩尔消光系数和较宽的光谱响应范围,其对电极上涂覆的石墨烯/铂复合层和二氧化钛反射层,具有强催化性能和导电性,可以将未被光阳极吸收的太阳光反射回到光阳极并进行二次吸收,减少贵重催化剂的使用量,从而降低成本,其凝胶电解质具有较高的电导率和电化学稳定性,能显著提高电池的短路电流和开路电压,高光稳定性和热稳定性,具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
有机染料敏化型太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及太阳能电池
,特别涉及一种有机染料敏化型太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
随着资源短缺和环境污染问题的日益突出,太阳能作为一种清洁可再生能源越来越受到世人的关注。当前,通过太阳能电池进行光电转换是人类利用太阳能的主要途径之一。在太阳能电池中,硅太阳能电池因其转换率高和技术成熟占据了太阳能电池90%的份额,然而硅系太阳能电池因其工艺复杂,价格昂贵,材料要求苛刻而难以普及。如何提高太阳能电池的光电转换效率并有效的降低其制造成本,成为诸多太阳能电池工作者不断追求的目标。染料敏化太阳电池(DSSC)是模仿光合作用研制出来的新型太阳能电池,具有低成本,易于制造和高效率等优点,极有可能取代传统固态光伏器件,如硅太阳能电池、锑化镉薄膜电池和铜铟镓硒薄膜电池等,成为未来太阳能电池的主导。其中,作为DSSC重要组成部分的染料敏化剂起着关键作用,它们捕获太阳光,并产生激发电子,然后注入到光阳极中,其光电性能对整个DSSC的光电转换效率有着重要的影响。目前,性能最好的染料敏化剂是含贵金属的金属有机敏化剂,如Ru基多吡啶配合物它们具有光捕获能力强,光电转换效率高的优点,然而其价格高和贵金属资源的有限性限制了它的实际应用。同Ru基多吡啶配合物相比,不含贵金属的纯有机染料具有成本低、消光系数高和结构多样的优势。对电极的主要作用是收集和输运电子,即接收电池外回路的电子并把它传递给电解质中的氧化还原反应电子对;吸附并催化I3-;反射透过光。因此,具有良好的导电性和高催化活性的对电极对提高DSSC的光电性能和光电转换效率起着重要作用。目前一般在带有透明导电膜的玻璃上镀上金属铂作为对电极,但是,贵金属铂的使用不仅与染料敏化太阳电池的低成本的初衷相违背,明显局限其大规模生产及应用,而且存在被电解质腐蚀的现象,会导致器件稳定性下降。目前DSSC使用的电解质主要有液体电解质、固体电解质、凝胶电解质三种。液体电解质具有电导率高和接触性能好的优点,但具有漏液等问题;而固体电解质具有电池性能稳定的优势,但是这种全固态电解质本身电导率比较低,另外与多孔TiO2电极的接触不充分,因此制备出的染料敏化太阳能电池光电转换效率比较低;准固态电解质介于液态和全固态电解质之间,有很高的电导率,既能很好地和多孔TiO2电极进行接触,制备出的电池又具有很好的稳定性。
技术实现思路
为解决以上技术问题,本专利技术提供一种有机染料敏化型太阳能电池及其制备方法,以解决现有含贵金属的有机光敏剂以及Pt电极价格昂贵导致太阳能电池成本高,提高耐电解质腐蚀性、电解质催化活性、光电性能和稳定性以及市场竞争力的问题。本专利技术采用的技术方案如下:一种有机染料敏化型太阳能电池,其特征在于:包括有机染料敏化光阳极、复合对电极和凝胶电解质,所述有机染料敏化光阳极和所述复合对电极之间注入所述凝胶电解质;所述有机染料敏化光阳极为经过D-π-A型结构的有机染料敏化的TiO2电极;所述复合对电极包括导电基底,及依次涂覆在所述导电基底上的石墨烯/铂复合层和二氧化钛反射层;所述凝胶电解质包括双离子液体电解质、凝胶剂、TiO2纳米粒子。优选的,所述D-π-A型结构的有机染料结构式如下:式中R1为H、烷氧基,R2为H、烷氧基、苯乙烯基。优选的,所述D-π-A型结构的有机染料结构式具体为:优选的,所述D-π-A型结构的有机染料由以下步骤制得:(1)供电基团的制备:a、双己氧基三苯胺的制备:将摩尔比为1:1的对碘苯酚和溴代正己烷置于烧瓶反应器中,然后依次加入氢氧化钾和二甲基亚砜,室温下反应20~60min后,将反应液倒入水中,用二氯甲烷萃取,萃取的有机层用蒸馏水洗涤,然后用无水硫酸镁干燥,浓缩,得到中间体A;将氢氧化钾、铜粉和18-冠-6-醚加入双口烧瓶反应器中,然后在N2保护条件下,将摩尔比为1:(2.5~2.8)的苯胺和中间体A经邻二氯苯溶解后加入双口烧瓶反应器中,回流反应18~30h,冷却后过滤,所得滤液经旋蒸除去邻二氯苯后,经过柱层析分离得到中间体B;在冰浴条件下,将三氯氧磷缓慢滴加到盛有N,N-二甲基甲酰胺的烧瓶反应器中,搅拌反应1-2h后,将中间体B经过N,N-二甲基甲酰胺溶解后加入烧瓶反应器中,中间体B与三氯氧磷的摩尔比为1:(9-10),升高反应温度至75-90℃,反应2-3h后,将反应物倒入冰水中,调节PH值至8-9,用二氯甲烷进行萃取,用无水硫酸镁干燥,旋蒸后得到粗产物,将粗产物经过柱层析分离纯化得到双己氧基三苯胺;b、三苯胺单醛的制备:冰水浴下在装有干燥管的三颈瓶中加入干燥的N,N-二甲基甲酰胺,缓慢滴加三氯氧磷,搅拌2小时,得到Vilsmeier试剂,其中N,N-二甲基甲酰胺和三氯氧磷的摩尔比为(10~20)∶1,将三苯胺加入到Vilsmeier试剂中,其中三苯胺和Vilsmeier试剂的摩尔比为1∶(1.1~2),在95-105℃下反应2.5-8小时,产物倒入冰水中,调节PH值至中性,得到沉淀;粗产物经柱层析分离制得三苯胺单醛;c、苯乙烯取代三苯胺单醛的制备:将溴化卞基三苯基膦溶解于干燥的THF中,冰盐浴冷却,氮气保护,然后加入叔丁醇钾,室温下搅拌半小时得到ylide试剂,其中叔丁醇钾与溴化卞基三苯基膦的摩尔比为(1~1.1)∶1;将该ylide试剂滴加到浓度为20~50%三苯胺双醛的THF溶液中,其中三苯胺双醛和ylide试剂的摩尔比为1∶(1~1.5),室温下反应5-10小时,粗产物用无水乙醚萃取,经柱层析分离制备得到苯乙烯取代三苯胺单醛;(2)2-甲基苯并吡喃酮的制备:将邻羟基苯乙酮溶解在烧瓶反应器中的乙酸乙酯中,然后将金属钠加入烧瓶反应器中,室温下反应2-4h后,将反应物过滤得到滤渣,将滤渣置于水中,调节PH值至7-8,室温下搅拌3-6h,再次过滤得到中间体C;将中间体C溶解于烧瓶反应器的醋酸中后,将浓硫酸缓慢加入烧瓶反应器中,回流反应20-40min后,将反应物倒入冰水中,调节PH值至8-9,用二氯甲烷萃取,有机相经无水硫酸镁干燥,旋干溶剂得到2-甲基苯并吡喃酮;(3)光敏染料的合成制备:在N2保护条件下,将步骤二中得到的2-甲基苯并吡喃酮、2-氰基丙酸乙酯、乙酸铵、乙酸和甲苯加入烧瓶反应器中,其中2-甲基苯并吡喃酮与2-氰基丙酸乙酯的摩尔比为1:(1~1.5),回流反应15-18h后,将反应物倒入水中,用二氯甲烷萃取得到粗产物,将粗产物经过柱层析分离纯化得到中间体D;将步骤一制得的供电基团和中间体D,以及哌啶和乙腈投入反应器中,其中双己氧基三苯胺和中间体D的摩尔比为1:1,加热回流6-9h后,反应物经过旋转蒸发除去溶剂后,经过柱层析分离纯化得到所述D-π-A型结构的有机染料。优选的,所述石墨烯/铂复合层中铂纳米粒子的质量分数为10~35%;所述二氧化钛反射层是由含有掺杂二氧化钛微球的纳米二氧化钛复合浆料构成;所述导电基底为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。优选的,所述双离子液体电解质包括摩尔比为1:(0.5~1.5)的锍阳离子液体和二乙基甲基锍碘离子液体;所述锍阳离子液体中的阳离子为[(CH3)2SC4H9]+,阴离子为[N(SO2CF3)2]-、[C(SO2CF3)3]-,[PF6]-、[(C2F5)3PF3]-中本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种有机染料敏化型太阳能电池,其特征在于:包括有机染料敏化光阳极、复合对电极和凝胶电解质,所述有机染料敏化光阳极和所述复合对电极之间注入所述凝胶电解质;所述有机染料敏化光阳极为经过D‑π‑A型结构的有机染料敏化的TiO2电极;所述复合对电极包括导电基底,及依次涂覆在所述导电基底上的石墨烯/铂复合层和二氧化钛反射层;所述凝胶电解质包括双离子液体电解质、凝胶剂、TiO2纳米粒子。

【技术特征摘要】
1.一种有机染料敏化型太阳能电池,其特征在于:包括有机染料敏化光阳极、复合对电极和凝胶电解质,所述有机染料敏化光阳极和所述复合对电极之间注入所述凝胶电解质;所述有机染料敏化光阳极为经过D-π-A型结构的有机染料敏化的TiO2电极;所述复合对电极包括导电基底,及依次涂覆在所述导电基底上的石墨烯/铂复合层和二氧化钛反射层;所述凝胶电解质包括双离子液体电解质、凝胶剂、TiO2纳米粒子。2.根据权利要求1所述的有机染料敏化型太阳能电池,其特征在于:所述D-π-A型结构的有机染料结构式如下:式中R1为H、烷氧基,R2为H、烷氧基、苯乙烯基。3.根据权利要求1或2所述的有机染料敏化型太阳能电池,其特征在于所述D-π-A型结构的有机染料结构式具体为:4.根据权利要求3所述的有机染料敏化型太阳能电池,其特征在于:所述D-π-A型结构的有机染料由以下步骤制得:(1)供电基团的制备:a、双己氧基三苯胺的制备:将摩尔比为1:1的对碘苯酚和溴代正己烷置于烧瓶反应器中,然后依次加入氢氧化钾和二甲基亚砜,室温下反应20~60min后,将反应液倒入水中,用二氯甲烷萃取,萃取的有机层用蒸馏水洗涤,然后用无水硫酸镁干燥,浓缩,得到中间体A;将氢氧化钾、铜粉和18-冠-6-醚加入双口烧瓶反应器中,然后在N2保护条件下,将摩尔比为1:(2.5~2.8)的苯胺和中间体A经邻二氯苯溶解后加入双口烧瓶反应器中,回流反应18~30h,冷却后过滤,所得滤液经旋蒸除去邻二氯苯后,经过柱层析分离得到中间体B;在冰浴条件下,将三氯氧磷缓慢滴加到盛有N,N-二甲基甲酰胺的烧瓶反应器中,搅拌反应1-2h后,将中间体B经过N,N-二甲基甲酰胺溶解后加入烧瓶反应器中,中间体B与三氯氧磷的摩尔比为1:(9-10),升高反应温度至75-90℃,反应2-3h后,将反应物倒入冰水中,调节PH值至8-9,用二氯甲烷进行萃取,用无水硫酸镁干燥,旋蒸后得到粗产物,将粗产物经过柱层析分离纯化得到双己氧基三苯胺;b、三苯胺单醛的制备:冰水浴下在装有干燥管的三颈瓶中加入干燥的N,N-二甲基甲酰胺,缓慢滴加三氯氧磷,搅拌2小时,得到Vilsmeier试剂,其中N,N-二甲基甲酰胺和三氯氧磷的摩尔比为(10~20)∶1,将三苯胺加入到Vilsmeier试剂中,其中三苯胺和Vilsmeier试剂的摩尔比为1∶(1.1~2),在95-105℃下反应2.5-8小时,产物倒入冰水中,调节PH值至中性,得到沉淀;粗产物经柱层析分离制得三苯胺单醛;c、苯乙烯取代三苯胺单醛的制备:将溴化卞基三苯基膦溶解于干燥的THF中,冰盐浴冷却,氮气保护,然后加入叔丁醇钾,室温下搅拌半小时得到ylide试剂,其中叔丁醇钾与溴化卞基三苯基膦的摩尔比为(1~1.1)∶1;将该ylide试剂滴加到浓度为20~50%三苯胺双醛的THF溶液中,其中三苯胺双醛和ylide试剂的摩尔比为1∶(1~1.5),室温下反应5-10小时,粗产物用无水乙醚萃取,经柱层析分离制备得到苯乙烯取代三苯胺单醛;(2)2-甲基苯并吡喃酮的制备:将邻羟基苯乙酮溶解在烧瓶反应器中的乙酸乙酯中,然后将金属钠加入烧瓶反应器中,室温下反应2-4h后,将反应物过滤得到滤渣,将滤渣置于水中,调节PH值至7-8,室温下搅拌3-6h,再次过滤得到中间体C;将中间体C溶解于烧瓶反应器的醋酸中后,将浓硫酸缓慢加入烧瓶反应器中,回流反应20-40min后,将反应物倒入冰水中,调节PH值至8-9,用二氯甲烷萃取,有机相经无水硫酸镁干燥,旋干溶剂得到2-甲基苯并吡喃酮;(3)光敏染料的合成制备:在N2保护条件下,将步骤二中得到的2-甲基苯并吡喃酮、2-氰基丙酸乙酯、乙酸铵、乙酸和甲苯加入烧瓶反应器中,其中2-甲基苯并吡喃酮与2-氰基丙酸乙酯的摩尔比为1:(1~1.5),回流反应15-18h后,将反应物倒入水中,用二氯甲烷萃取得到粗产物,将粗产物经过柱层析分离纯化得到中间体D;将步骤一制得的供电基团和中间体D,以及哌啶和乙腈投入反应器中,其中双己氧基三苯胺和中间体D的摩尔比为1:1,加热回流6-9h后,反应物经过旋转蒸发除去溶剂后,经过柱层析分离纯化得到所述D-π-A型结构的有机染料。5.根据权利要求4所述的有机染料敏化型太阳能电池,其特征在于:所述石墨烯/铂复合层中铂纳米粒子的质量分数为10~35%;所述二氧化钛反射层是由含有掺杂二氧化钛微球的纳米二氧化钛复合浆料构成;所述导电基底为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。6.根据权利要求1、4或5任一项所述的有机染料敏化型太阳能电池,其特征在于:所述双离子液体电解质包括摩尔比为1:(0.5~1.5)的锍阳离子液体和二乙基甲基锍碘离子液体;所述锍阳离子液体中的阳离子为[(CH3)2SC4H9]+,阴离子为[N(SO2CF3)2]-、[C(SO2CF3)3]-,[PF6]-、[(C2F5)3PF3]-中的一种或两种以上。7.根据权利要求6所述的有机染料敏化型太阳能电池,其特征在于:所述双离子液体电解质还包括碘化锂、碘、4-叔丁基吡啶和溶剂;所述溶剂为3-甲氧基丙酯、碳酸丙二酯或碳酸乙烯酯中的一种。8.一种权利要求1-7任一项所述的有机染料敏化型太阳能电池的制备方法,其特征在于包括以下步骤:步骤一、制备有机染料敏化光阳极:将20nm的二氧化钛胶体丝网印刷在洁净的FTO玻璃上,放入马弗炉分别在150...

【专利技术属性】
技术研发人员:沈荣存
申请(专利权)人:南京楚卿电子科技有限公司
类型:发明
国别省市:江苏,32

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