Xue Song

New Comb-Like Copolymer for Quasi-Solid Electrolyte Based Dye-Sensitized Solar Cells and Its Effects on Electron Recombination

A comb-like copolymer based on N-propylvinylimidazolium iodide (VImI) and poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (PEGMA) was synthesized. The VImI/PEGMA copolymer was used to prepare quasi-solid electrolytes. The charge transport and interfacial charge transfer of the dye-sensitized solar cells (DSSCs) based on the quasi-solid electrolytes were investigated using photocurrent density-voltage (J-V) curves, ionic conductivities, and impedance spectra. It was found that the copolymer plays an active role in decreasing the electron recombination at TiO2/electrolyte interface and increases the conduction band edge of TiO2. The photovoltaic characteristics of the DSSCs are therefore not determined entirely by the conductivity of the quasi-solid electrolyte. Based on the dependence of the open-circuit voltage on the VImI/PEGMA molar ratio, the decrease of recombination is primarily ascribed to the contribution of VImI segments. In addition, open-circuit voltage decay (OCVD) and photocurrent transient results indicate that the introduction of the copolymer not only extends the electron lifetime but also tunes the energy distribution of the localized electrons. When the VImI/PEGMA molar ratio reaches 5.0 and the mass fraction of copolymer in the quasi-solid electrolyte is 50%, the DSSC yields an energy conversion efficiency of 4.10% under an illumination intensity of 100 mW·cm-2. [Article] doi: 10.3866/PKU.WHXB201202233 www.whxb.pku.edu.cn 物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao) Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28 (5), 1139-1145 May Received: November 21, 2011; Revised: February 1, 2012; Published on Web: February 23, 2012. ∗Corresponding authors. SUN Zhe, Email: zhesun@tjut.edu.cn; Tel: +86-22-60214259. XUE Song, Email: xuesong@ustc.edu.cn; Tel: +86-22-60214250. The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (21003096, 21103123). 国家自然科学基金(21003096, 21103123)资助项目 C Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica 1139 Acta Phys. -Chim. Sin. 2012 Vol.28 1 引 言 染料敏化太阳能电池(DSSCs)是近20年发展起 来的新型“激子”薄膜电池.此类电池不必采用高 纯度半导体或稀土材料,能够同时实现光伏器件的 低成本和高效率. 目前, 染料敏化太阳能电池的实 验室光电转换效率已经达到 12.3%,电池组件效率 也超过8%.染料敏化电池普遍采用液态电解质,电 解液的低粘度和氧化还原电对的高扩散系数保证 了电池内部的有效电荷分离和较高的光电转换效 率. 但是, 基于液态电解质的染料敏化电池在实际 应用中存在难于封装、有机溶剂挥发泄漏等问题, 直接影响了电池的使用寿命. 为解决这些问题, 研 究者已经着手开发固态和准固态电解质,包括有机 空穴传输材料、p型半导体、聚合物电解质、聚合物 凝胶电解质等. 其中, 聚合物凝胶电解质是利用 高分子聚合物对电解液进行凝胶化处理得到的准 固态电解质. 此类电解质虽不具有流动性, 但电荷 输运机制类似于液态电解质,因此在解决电池的长 期使用问题的同时,可以获得与液态电解质近似的 光电转换效率. 目前,准固态电解质中使用的聚合物材料主要 有丙烯酸-乙二醇共聚物,聚氧乙烯,聚偏氟乙烯, 聚甲基硅氧烷等. 这些材料虽然能够对电解质 进行有效地凝胶化, 但聚合物只起到凝胶骨架作 用,对促进电荷分离提高电池性能没有贡献.小分 子咪唑碘盐已被证实能够在TiO2/电解质界面形成 Helmholtz双电层,抑制电子复合从而提高电荷收集 效率. 为此,研究者将咪唑碘盐作为修饰基团引入 聚合物端基或侧链以提高敏化电池的光伏性能. 在本文中, 我们直接将咪唑碘盐引入聚合物主链, 合成了具有梳状结构的乙烯基咪唑碘盐/聚乙二醇 单甲醚甲基丙烯酸酯共聚物,并制备了基于此共聚 物的准固态电解质.在表征共聚物及其电解质结构 的同时,本文着重研究了基于此电解质的敏化电池 的光伏性能与共聚物组成和浓度的关系,利用电化 学阻抗谱分析了准固态电池的电荷输运与界面电 子转移特性,讨论了共聚物对TiO2薄膜的电子寿命 的影响. 2 实验部分 2.1 试剂和仪器 聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMA, Mw约 为300 g·mol-1, Sigma-Aldrich);导电玻璃(FTO, 15 Ω· □,大连七色光太阳能科技开发有限公司); N719染 料((TBA)2-cis-Ru(Hdcbpy)2-(NCS)2, Solaronix, 瑞士); 氯铂酸(H2PtCl6, Sigma-Aldrich). 乙烯基咪唑(VIm), 1-碘丙烷, 偶氮二异丁腈(AIBN), γ-丁内酯(GBL), 碘和碘化锂均为市售分析纯试剂. 共聚物及电解 质的红外光谱采用傅里叶变换红外(FT-IR)光谱仪 (Avatar-370DTGS, Thermo Nicolet公司, 美国)测得. 利用电化学工作站(LK2005B,天津兰立科化学电子 有限公司)分别测定了电解质的电导率和敏化电池