染料敏化太陽能電池用瓊脂糖基磁性聚合物電解質的電化學性能

郭學益 易鵬飛 王惟嘉 楊 英

(中南大學冶金科學與工程學院,長沙410083)

染料敏化太陽能電池用瓊脂糖基磁性聚合物電解質的電化學性能

郭學益 易鵬飛 王惟嘉 楊 英*

(中南大學冶金科學與工程學院,長沙410083)

以瓊脂糖為聚合物基質,N-甲基吡咯烷酮為溶劑,磁性納米粒子四氧化三鐵為無機納米顆粒添加劑制備了用于染料敏化太陽能電池(DSSC)的磁性聚合物電解質.通過研究不同小分子表面活性劑,聚乙二醇(PEG200)、曲拉通(Triton X-100)、乙酰丙酮和三者混合的表面活性劑對摻雜有1%(w)Fe3O4的磁性聚合物電解質離子電導率的影響,發現PEG200的加入可有效提高瓊脂糖基磁性聚合物電解質的離子電導率.同時,對不同PEG200濃度添加下的電解質進行離子電導率測試研究發現:當PEG200加入量為61.8%(w)時,電解質具有最佳的離子電導率(2.88×10-3S·cm-1);對染料敏化太陽能電池進行電化學交流阻抗譜(EIS)測試的結果表明:染料敏化太陽能電池的電子壽命和復合電阻隨著PEG200濃度的增加是先增大后減小,最大的電子壽命和復合電阻出現在PEG200濃度為68.3%(w)處.

磁性聚合物電解質;瓊脂糖;納米Fe3O4;PEG200;染料敏化太陽能電池

1 引言

染料敏化太陽能電池(DSSC)是一種新型的太陽能電池,這種電池工藝簡單,原材料豐富,制作成本低(僅為硅太陽能電池的1/5-1/10),能耗少,在大面積工業化生產中具有較大的優勢.1-3同時部分材料可以得到充分的回收,對保護環境具有重要的意義.

電解質在染料敏化太陽能電池中主要起再生染料和傳輸空穴的作用,并且對電池體系的熱力學和動力學特性以及電池的光電性能有很大影響.4目前得到光電轉化效率最高的是液體電解質,光電轉化效率可達10%-12.7%,2,5但液態電解質存在著有機溶劑易揮發、封裝難、易泄漏及長期穩定性差等問題,使其很難廣泛應用和商業化.6使用聚合物電解質是解決液態電解質密封和穩定性等問題的有效途徑之一.聚合物電解質有著較低的蒸汽壓,與納米電極和對電極之間有良好的收縮和填充性能,并有較高的離子導電率和良好的熱穩定性.7因此它被廣泛地運用在染料敏化太陽能電池中.Lan等8采用PAA-PEG作為聚合物固體基質得到效率為5.25%的電池;Wu等9研究開發一種新的熱塑型準固態聚合物電解質體系用于DSSC,其效率可達到7.22%.

在聚合物體系中添加無機納米顆粒一直以來被認為是提高聚合物電解質體系離子電導率的有效方法.10,11因為無機納米顆粒的表面活性很大,其表面含有豐富的羥基,這使得它可以與聚合物基質當中的各個成分形成氫鍵連接而成為電解質體系的固態骨架結構;同時納米粒子的加入可以顯著地增加聚合物的非晶性,有利于離子的傳輸,提高電解質體系離子電導率.12本文選擇磁性納米Fe3O4顆粒作為瓊脂糖聚合物電解質體系的無機添加劑,納米Fe3O4不同于傳統的無機納米顆粒,由于其本身的磁性,在外加磁場的作用下納米Fe3O4與聚合物結合所形成的磁性聚合物會產生定向排列,離子電導率將會顯著提高,13,14不僅如此,磁場作用下定向排列的磁性聚合物電解質具有比無序聚合物電解質更低的界面電阻以及更好的填充性能.

由于納米Fe3O4顆粒粒徑小,表面能大,易發生團聚,影響它在聚合物中的均勻分散.因此,為了增加納米Fe3O4顆粒與聚合物的界面結合力,提高納米Fe3O4顆粒的分散能力,需要對納米Fe3O4顆粒的表面進行改性,加入表面活性劑能使納米Fe3O4顆粒的表面能態降低,消除納米Fe3O4顆粒的表面電荷,提高納米Fe3O4顆粒與有機相的親和力,減弱粒子的表面極性,15-18使得納米Fe3O4顆粒在聚合物體系里保持穩定,不易出現聚沉、團聚,從而有效地提高聚合物電解質的性能.

本文嘗試了四種不同的表面活性劑:聚乙二醇(PEG200)、曲拉通(Triton X-100)、乙酰丙酮和三者混合的表面活性劑.將其加入1%(w)的磁性納米Fe3O4顆粒摻雜的瓊脂糖基聚合物電解質中,通過電化學性能的測試找到最適合此體系的表面活性劑.同時改變Fe3O4納米顆粒摻雜的瓊脂糖聚合物電解質中分散劑聚乙二醇(PEG200)的濃度,考察了不同PEG200濃度對磁性聚合物電解質離子電導率及其相應染料敏化太陽能電池電化學性能的影響.

2 實驗部分

2.1 實驗試劑

TiO2(P25,20-30 nm,Degussa AG),導電玻璃(30 Ω·□-1,FTO),染料(N719,蘇州中晟化工有限公司),納米Fe3O4(99.5%,20 nm,Aladdin Chemistry Co.Ltd);瓊脂糖(AG,分子量:3000-5000,生化試劑)、N-甲基吡咯烷酮(NMP,化學純)、聚乙二醇(PEG200,化學純)均為上海國藥集團化學試劑有限公司產品;碘化鋰(LiI,99%,Acros Organics);碘(I2,分析純,湖南匯虹試劑有限公司);曲拉通(Triton X-100,化學純,汕頭市西隴化工廠);乙酰丙酮(分析純,天津市福晨化學試劑廠).

2.2 磁性聚合物電解質溶液的制備

根據已有研究結果[3]，按多元Logistic回歸模型中樣本容量的計算方法，利用2013年第五次國家衛生服務調查重慶農村地區的相關數據，失訪率為50%，計算樣本容量為270例。實際共抽糖尿病患者496例。利用Epidata錄入問卷調查數據，數據整理和分析采用統計工具軟件Stata 11.0。

2.2.1 不同表面活性劑改性下磁性聚合物電解質溶液的制備

將2%(w)的瓊脂糖加入5 gN-甲基吡咯烷酮中在80°C恒溫水浴下磁力攪拌4 h,之后加入0.034 g的LiI和0.0018 g的I2到以上體系,在常溫下磁力攪拌4 h,制成瓊脂糖基聚合物電解質體系.向聚合物電解質體系中加入不同小分子表面活性劑各0.1 mL,分別為空白、PEG200、曲拉通、乙酰丙酮和混合活性劑(0.04 mL PEG200,0.03 mL曲拉通和0.03 mL乙酰丙酮),常溫磁力攪拌4 h.最后,加入1%(w)的納米Fe3O4顆粒,超聲分散2 h(KQ-700DE數控超聲清洗器,昆山市超聲儀器有限公司),得到不同表面活性劑改性的瓊脂糖基磁性聚合物電解質溶液.

2.2.2 不同PEG200濃度添加下磁性聚合物電解質溶液的制備

將2%(w)的瓊脂糖加入5 g N-甲基吡咯烷酮中在80°C恒溫水浴下磁力攪拌4 h,之后加入0.034 g的LiI和0.0018 g的I2到以上體系在常溫下磁力攪拌4 h,制成瓊脂糖基聚合物電解質體系.然后,向以上溶液體系中加入不同含量的PEG200,分別為0、0.05、0.1、0.15、0.2、0.25 mL(含量分別為0%、35.0%、 52.1%、61.8%、68.3%、72.9%(w,下同),計算公式為: mPEG200/(mAG+mPEG200+mFe3O4),常溫磁力攪拌4 h.最后,加入1%的納米Fe3O4顆粒,超聲分散2 h(KQ-700DE數控超聲清洗器,昆山市超聲儀器有限公司),得到不同含量PEG200改性的瓊脂糖基磁性聚合物電解質溶液.

2.3 表征方法

2.3.1 磁性聚合物電解質表面形貌的掃描電鏡(SEM)測試

不同PEG200濃度添加下的磁性聚合物電解質的表面形貌是通過JSM-6360LV高低真空掃描電鏡(SEM)(日本電子)來觀測的.掃描電鏡測試下聚合物電解質膜樣的制備:在載玻片上滴加配置好的電解質溶液,放入烘箱在80°C下烘4 h.得到電解質膜,放入干燥器中.

2.3.2 磁性聚合物電解質的離子電導率的測試

瓊脂糖基聚合物電解質的離子電導率測試是在電化學工作站CHI604D(上海辰華儀器有限公司)上在室溫下完成的,頻率范圍為10 Hz-1 MHz,擾動電壓為10 mV.離子電導率測試的樣品制備如下:在Pt電極上滴加配置好的聚合物電解質溶液,放入烘箱,80°C下烘烤一定時間至電解質變粘稠,之后將另一塊Pt電極蓋在上面,用夾子夾緊,放入烘箱80°C下烘2 h.取出放入干燥器中,待測.

離子電導率可以通過以下公式進行計算:

其中,L是聚合物電解質膜的厚度;A是電解質膜接觸到鉑電極的面積;Rb是聚合物電解質的體電阻.

2.3.3 染料敏化太陽能半電池交流阻抗的測試

為了更直接地了解不同濃度PEG200改性的磁性瓊脂糖電解質對染料敏化太陽能電池內部TiO2/電解質界面,以及對光陽極TiO2內部電子輸運的影響,我們將一系列磁性聚合物電解質滴加到未敏化的TiO2光陽極上,烘烤后加蓋對電極制成未敏化的電池進行電化學交流阻抗測試.我們將未敏化的電池定義為半電池.不同小分子改性的染料敏化太陽能電池的電化學交流阻抗(EIS)測試是在電化學工作站CHI604D上完成,頻率范圍是0.05-0.1 MHz,所加的擾動電壓是10 mV,所加偏壓為-0.8 V.交流阻抗樣品制備如下:將制備好的聚合物電解質溶液滴加在未敏化的的光陽極上,控制電解質溶液在80°C下烘烤使溶劑揮發,當電解質溶液濃縮成粘稠狀時加上Pt電極,用夾子將兩部分夾緊.再將此半電池在烘箱中80°C下繼續烘烤2 h,取出放入干燥器中,待測.

3 結果與討論

3.1 不同分散劑改性的磁性聚合物電解質的離子電導率分析

圖1所示為不同分散劑對聚合物電解質離子電導率的影響.從圖中可以看出,聚合物電解質中乙酰丙酮作為分散劑時,電解質離子電導率最高,為2.52×10-3S·cm-1;其次是添加混合活性劑的電解質,再次為含PEG200的電解質;向聚合物電解質中加入曲拉通會降低其離子電導率.

通過分析三種分散劑的分子結構可知,PEG200為短鏈分散劑,曲拉通為長鏈分散劑(C34H62O11).由于熵排斥能的大小主要取決于高分子化合物的鏈長,鏈越長,熵排斥能越高,質點越穩定.但鏈太長卻會在粒子表面發生折疊而產生壓縮空間位阻層或引起架橋絮凝,19所以PEG200能有效提高電解質的電導而曲拉通會降低其電導;而當乙酰丙酮做為表面活性劑時,我們發現含有乙酰丙酮的聚合物電解質溶液的顏色會從沒有加活性劑時的棕紅色逐漸變淡至基本無色.產生此現象的原因在于乙酰丙酮會與碘發生類似丙酮與碘的碘化反應,20反應方程式為:

乙酰丙酮的加入使得聚合物電解質中的I2變成I-,電解質中的I-離子增加有利于電子的傳輸,離子電導率將會提升.而I2的消耗使得溶液的顏色變淡,完全吻合了實驗現象.但同時,由于I2的減少,光電反應(I2+e-→I-3)的速度急劇降低,可能導致整個染料敏化太陽能電池的光電循環速度減緩,使其光電性能不理想,因此乙酰丙酮添加的聚合物電解質不適合用于染料敏化太陽能電池.

圖1 不同表面活性劑對聚合物電解質離子電導率的影響Fig.1 Effect of different surfactans on ionic conductivity of polymer electrolyte

3.2 不同PEG200濃度下瓊脂糖磁性聚合物電解質表面形貌分析

圖2是不同含量PEG200改性下的聚合物電解質的掃描電鏡(SEM)圖,從圖中可以看出,當PEG200含量小于61.8%時,電解質表面較為平滑,無明顯的大顆粒、孔洞等缺陷,納米Fe3O4顆粒和PEG200之間的相互作用不明顯;但在PEG200含量為61.8%和68.3%時,電解質中出現球狀物,可能是由于PEG200與納米Fe3O4顆粒表面羥基形成氫鍵作用,包覆于納米Fe3O4顆粒表面,形成空間位阻作用,阻止納米顆粒的相互團聚,使電解質有良好的分散性和穩定性.21,22當PEG200含量進一步提升到72.9%時,電解質表面出現孔洞這是由于當PEG200含量較大時,分子鏈之間相互纏繞,磁性納米顆粒的分散性降低出現團聚和孔洞,影響了電解質的表面形貌.

3.3 不同PEG200濃度下瓊脂糖磁性聚合物電解質離子電導率的分析

圖2 不同含量PEG200改性的聚合物電解質的掃描電鏡(SEM)圖Fig.2 Scanning electron microscopy(SEM)images of polymer electrolyte with different contents of PEG200 wPEG200/%:(a)0,(b)35.0,(c)52.1,(d)61.8,(e)68.3,(f)72.9

圖3 PEG200含量對聚合物電解質離子電導率的影響Fig.3 Effect of different PEG200contents on ionic conductivity of polymer electrolyte

圖3所示為聚乙二醇含量對聚合物電解質離子電導率的影響,從圖中可以看出,隨著聚乙二醇含量的增加,聚合物電解質的離子電導率不斷增加,當聚乙二醇含量為61.8%時,其離子電導率到達最大值2.88×10-3S·cm-1.之后隨著聚乙二醇含量的增加,離子電導率將會降低并逐漸趨于穩定.出現這樣的規律是因為當加入少量PEG200時,納米Fe3O4表面與PEG200作用,PEG200分子之間的位阻作用有利于納米Fe3O4的分散,因此隨著PEG200濃度增加,磁性粒子在聚合物電解質中的分散性會更好,從而使得聚合物電解質離子電導率增加;當PEG200加入量過大時,如圖2所示,PEG200分子鏈之間會互相纏繞,使得顆粒聚集而沉降,阻礙了納米Fe3O4分散,從而使得電解質體系的離子電導率降低.

3.4 不同PEG200濃度下的瓊脂糖基磁性聚合物電解質染料敏化半電池交流阻抗的分析

圖4 不同含量PEG200改性的聚合物電解質的EIS圖Fig.4 EIS of polymer electrolytes with different contents of PEG200(a)Bode plots;(b)Nyquist plots

圖5 PEG200含量對TiO2/電解質界面電荷復合電阻R2的影響Fig.5 Effect of PEG200contents on combination resistance (R2)of TiO2/electrolyte interface

圖4是不同含量聚乙二醇改性的EIS圖.從圖4 (a)可以看出,不同含量聚乙二醇改性的半電池的Bode圖的峰值都集中在約1 Hz-1000 Hz的中頻部分,此部分反映的是TiO2/電解質界面的電化學性質.23-25圖4(b)中中頻部分半圓起止位置所對應的阻抗差值即為TiO2薄膜/電解質界面的復合電阻(R2). R2的大小是用來衡量電子在該界面發生復合反應的難易程度.26-28圖5是TiO2/電解質界面電荷復合電阻R2與PEG200濃度的關系圖,從圖中可以看出隨著PEG200濃度的增加TiO2/電解質界面電荷復合電阻R2先增加后減低,這說明TiO2導帶電子與I-3之間的電子復合隨著PEG200濃度的增加先變得更難然后變容易,從而可能會使DSSC的開路電壓先增加后減小.24

根據EIS理論,在Bode圖當中(圖4(a))中頻區域特征峰峰值位頻率(ω)的倒數等于電子壽命(τ).29通過ω=τ-1我們可以計算得到TiO2多孔膜當中電子壽命與PEG200濃度的關系圖,如圖6所示.

圖6 PEG200含量對光陽極中電荷電子壽命的影響Fig.6 Effect of PEG200contents on electron lifetime of electron charges in photoanode

由圖4知,隨著PEG200濃度的增加,其特征峰峰值頻率從PEG200含量0.0%時的117.2 Hz降低到PEG200含量68.3%時的81.38 Hz,再升高到PEG200含量72.9%時的97.66 Hz.從圖6中可以看出,隨著PEG200加入量的增加,電子壽命先增加后降低,并且當PEG200加入量為68.3%時,電子壽命最高.電子壽命的增加表明TiO2導帶的準費米能級增加,從而提高開路電壓,30,31可見向磁性聚合物電解質中加入PEG200可能會一定程度上增加其開路電壓,提高染料敏化太陽能電池的性能,且最大開路電壓可能出現在PEG200含量為68.3%處.

4 結論

考察了納米Fe3O4顆粒含量為1%(w)時,不同表面活性劑改性的瓊脂糖基磁性聚合物電解質的電導性能以及不同PEG濃度添加下瓊脂糖磁性聚合物電解質的電化學性能.實驗表明,加入不同表面活性劑時,其電解質離子電導率變化趨勢為乙酰丙酮＞混合表面活性劑＞PEG200＞無表面活性劑＞Triton X-100.但由于乙酰丙酮會與I2發生碘化反應,消耗了電解質中的氧化還原電對,不利于染料敏化太陽能電池的光電轉換.我們選用PEG200作為本體系的表面活性劑.在不同濃度PEG200添加下,隨著PEG200濃度的增加,聚合物電解質的離子電導率是先增加后降低,最大離子電導率(2.88×10-3S·cm-1)出現在61.8%(w)時;隨著PEG200濃度增加染料敏化太陽能半電池的電子壽命和復合電阻均呈現出先增加后降低的趨勢,最大值均出現在68.3%(w)處.

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September 15,2011;Revised:December 12,2011;Published on Web:December 30,2011.?

.Email:muyicaoyang@hotmail.com;Tel:+86-731-88877863.

Electrochemical Properties of an Agarose-Based Magnetic Polymer Electrolyte in Dye-Sensitized Solar Cells

GUO Xue-Yi YI Peng-Fei WANG Wei-Jia YANG Ying*
(School of Metallurgical Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,P.R.China)

In order to enhance the dispersion of Fe3O4nanoparticles in polymer electrolytes for dyesensitized solar cell(DSSC)applications,the ionic conductivity of the polymer electrolytes with different small molecular surfactants was studied.The surfactants used were polyethylene glycol(PEG200),Triton X-100,acetyl acetone,and mixture of these three active agents at 1%(w)doping concentration of Fe3O4nanoparticles in electrolyte.Comparison of the electrochemical properties of Fe3O4-doped polymer electrolytes containing different surfactants showed that PEG200was suitable for modifying Fe3O4nanoparticles to disperse in agarose-based polymer electrolytes.When the mass fraction of PEG200was 61.8%(w),the electrolyte had excellent conductivity(2.88×10-3S·cm-1).Electrochemical impedance spectra (EIS)revealed that when the concentration of PEG200increased,the electron lifetime and combination resistance of a dye-sensitized solar cell increase initially and then decreasd.The longest electron lifetime and the largest combination resistance were achieved when the concentration ofPEG200was 68.3%(w).

Magnetical polymer electrolyte;Agarose;Nano-Fe3O4;PEG200;Dye-sensitized solar cell

10.3866/PKU.WHXB201112302

O646

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(61006047).

國家自然科學基金(61006047)資助項目