[发明专利]一种具有多组分的超分子凝胶电解质、制备方法及其应用

说明书

技术领域

    本发明属于化学、化工、材料及物理技术的交叉领域，涉及一种可用于染料敏化太阳电池和量子点太阳电池等领域的多组分超分子凝胶电解质材料及其应用，特别是一种超分子凝胶电解质及其在染料敏化太阳电池和量子点太阳电池中的应用。

背景技术

随着不可再生能源的日益枯竭与能源消耗的持续增加，发展新能源及新能源材料是人类面临的重大课题。太阳能以其绿色、安全、长寿以及资源相对广泛和充足的优点，被认为是最重要的新能源之一。

1991年瑞士洛桑高工（EPFL）Gr?tzel领导的研究小组，利用联吡啶钌(Ⅱ)配合物染料和纳米多孔二氧化钛（TiO₂）薄膜制备了染料敏化太阳电池（DSC），并且获得了7.1%的光电转换效率（Oregan, B.; Gr?tzel, M., et al. Nature, 1991, 353: 737）。这一突破性研究进展为太阳电池的发展和应用树立了一座里程碑。

典型的DSC是由纳米多孔半导体薄膜、染料敏化剂、氧化还原电解质、阴极材料和导电基底构成的，其中电解质作为其重要组成部分，对电池的效率和稳定性等有着重要的影响作用。液态电解质因其具有扩散速率快、良好的浸润性、成分易设计和调节、光电转换效率高等特点而被广泛应用。2011年，Gr?tzel小组又将DSC的研究工作向前推进了一步，获得了光电转换效率为12.3%的液态电解质DSC（Yella A., Zakeeruddin S. M., Gr?tzel M., et al. Science, 2011, 334: 629）。虽然利用液态电解质可以获得较高的光电转换效率，但仍旧存在一些不可避免的问题，即容易导致TiO₂的表面吸附的染料脱落。同时，液态电解质自身不稳定易发生变化，且有机溶剂易挥发，造成电池封装困难，降低了电池的稳定性，限制了DSC的商业化应用。

为了解决DSC的封装和泄漏问题，提高电池的稳定性，准固态电解质应运而生。准固态电解质是指在液态电解质中添加胶凝剂分子，并在一定条件下通过物理相互作用或者通过化学反应交联，形成空间网络结构，液态电解质作为分散介质填充在该网络结构中，使得准固态电解质表观呈固态。准固态电解质的机械强度和力学性能介于液态和固态电解质之间，导电机理与液态电解质相同，因此具有良好的电化学性能。目前用来凝胶化液态电解质的胶凝剂主要包括有机聚合物胶凝剂、无机纳米颗粒以及有机小分子胶凝剂。

（1）    聚合物胶凝剂

聚合物凝胶电解质通常是通过聚（丙烯酸）（Wu J. H., et al. Macromolecular Rapid Communications, 2000, 21: 1032）、聚乙二醇（Gong J., et al. Renew. Energy, 2012, 39: 419; Kim Y. J., et al. Advanced Materials, 2004, 16: 1753）、聚环氧乙烷（Liu Y., et al. Journal of Power Sources, 2004, 129: 303）、聚丙烯酸丁酯（Kim J. H., et al. Solid State Ionics, 2005, 176: 579）、偏氟乙烯-共-六氟丙烯（PVDF-HFP）（Wang P., et al. Chemical Communications, 2002: 2972）等胶凝剂凝胶化液态电解质而获得，通常具有低蒸汽压、机械强度较高和热不可逆性等特点。

（2）    无机纳米颗粒