[发明专利]钴离子液体氧化还原电对及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池，具体涉及一种钴(III/II)配体离子液体氧化还原电对的制备方法及在染料敏化太阳能电池中的应用，可替代传统的染料敏化太阳能电池中电解质常用的I^-/I₃^-氧化还原电对。

背景技术

在新一代薄膜太阳能电池中，染料敏化太阳能电池因其成本低廉、制作工艺简单、光电转换效率高等优点，被认为是最具市场潜力的太阳能电池之一。(H′Nusbaumer等人J.Phys.Chem.B，2001，105，10461-10464)其中染料敏化太阳能电池中正负极间填充的是含有氧化还原电对的电解质。染料敏化太阳能电池的工作原理是：吸附在电极表面的染料分子在光照射下电子由激发态注入到TiO2导带，而染料分子自身成为氧化态。注入到TiO₂中的电子通过扩散富集到导电玻璃基板，然后进入外电路。处于氧化态的染料分子被电解质还原态的离子(如：I^-)得以再生，而电解质中氧化态的离子(如：I₃^-)扩散至对电极，在Pt电极表面获得电子被还原，完成了一个光电化学反应循环。作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分，目前最常用的氧化还原电对是I₃^-/I^-。它虽然具有电子交换速度快、与光生电子的复合速度慢等优点，但也有很多的缺点：(1)I₂单质有一定的蒸汽压，对电池的稳定性有很大的影响，对电池的封装技术有很高的要求；(2)I₃^-/I^-氧化还原电对对可见光有一定的吸收；(3)对绝大多数金属而言(如Ag，Cu，Al等常见金属)，I₃^-表现出很强的腐蚀性，而对于大面积染料敏化太阳能电池来讲，必须采用银导电网格来降低电池的电阻、提高电流的收集效率，因此对银栅网的保护面临技术壁垒。同时，银栅网的使用又牺牲了大面积电池的有效面积，降低了电池组件窗口面积的转换效率；(4)I₃^-/I^-氧化还原电对的使用限制了电池的开路电压的进一步提高。开发研制新型的非碘氧化还原电对是染料敏化太阳能电池中丞待解决的重要科学问题。(G Oskam等人J.Phys.Chem.B，2001，105，6867-6873；L Sun等人J.Mater，2011，21，10592-10601)使用SCN^-/(SCN)₃^-、SeCN^-/(SeCN)₃^-、Br^-/Br₃^-以及联吡啶钴(III/II)配合物等作为氧化还原电对来替代I₃^-/I^-氧化还原电对越来越多的被研究。

其中联吡啶钴(III/II)的配合物作为新的氧化还原电对对构建无腐蚀性的电解质体系，具有对金属无腐蚀性、对可见光无吸收、同时可调控电压等优点，成为科学家研究的热点。

最近孙立成课题组制备的L-半胱氨酸/L-胱氨酸纯有机氧化还原电对配合N719染料最高光转化效率达到7.7％(参见：Licheng Sun等人，Energy Environ.Sci，2012，DOI：10.1039/c1ee02540f)，但仍不如I₃^-/I^-氧化还原电对的已超过11％的转化效率(参见：Y.Chiba等人，J.Appl.Phys.，2006，45，L638-L640；F.Gao等人，J.Am.Chem.Soc.，2008，130，10720-10728)。课题组用钴(III/II)三联吡啶氧化还原电对，配合染料YD2-o-C8和Y123作为共敏化剂，光电转换效率达到了12.3％(参见：A Yella M 等人，Science.，2011，334，629)。

但是上述技术方案选用的电解质体系仍然是用腈类做溶剂，存在易挥发，电池不易封装，热稳定性差等诸多缺点。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种能应用于染料敏化太阳能电池的钴(III/II)离子液体氧化还原电对，避免了使用挥发性的有机溶剂，保证染料敏化太阳能电池的热稳定性。