【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于太陽能電池，具體涉及一種纖維凝膠染料敏化太陽能電池及其制備方法。
技術介紹
1、可穿戴設備快速增長的用電需求與內置電池有限電量供應之間的矛盾日益加劇，其對柔性和長續航能力的發展需求，推動了柔性能量轉換器件的發展。可穿戴光伏器件利用清潔的太陽能為設備提供持續的電力供應而成為重要的候選對象。其中，纖維染料敏化太陽能電池具有質量輕、柔性好、便于與日常衣物集成等優點，是極具應用前景的可穿戴光伏器件。但是基于液態電解質的電池存在電解液泄漏的安全隱患，并且液態電解質易揮發，影響器件穩定性。采用高分子凝膠電解質將液態溶劑束縛在高分子網絡內使之不再流動，避免了電解液揮發、泄漏等問題。因此，構建基于凝膠電解質的纖維染料敏化太陽能電池是實現兼具高光伏性能、高安全性和穩定性的可穿戴電源解決方案。
2、但是，高粘度、低浸潤性的凝膠電解質難以有效浸潤具有復雜微結構的纖維電極，因此無法形成緊密穩固的纖維電極/凝膠電解質界面。纖維電極與凝膠電解質之間不緊密地接觸，極大阻礙了界面上的電荷轉移和傳輸，導致嚴重的電子復合，難以實現高光電轉換效率。并且，較弱的界面結合力嚴重影響了纖維太陽能電池在形變時的穩定性。尤其是在可穿戴應用涉及到的多種動態形變場景中，不穩定的界面極易被破壞，造成電池光伏性能大幅衰減甚至失效。因此，亟需開發一種構建緊密穩固纖維電極/凝膠電解質界面的策略，實現兼具高光電轉換效率、穩定性和安全性的纖維凝膠染料敏化太陽能電池。
技術實現思路
1、針對無法形成緊密穩固的纖維電極/凝
2、本專利技術提供一種形成緊密穩固纖維電極/凝膠電解質界面的策略，設計具有低粘度的電解質前驅液和具有多孔道結構的纖維電極，保證電解質對纖維電極的充分浸潤，使二者形成緊密接觸；利用前驅液中活性單體的聚合反應，在纖維電極上原位形成凝膠電解質，得到具有交織結構的纖維電極/凝膠電解質界面。該界面增大了電極與電解質的接觸面積，提高了界面結合強度，保證了電池在形變下的穩定性；該界面還促進了高效的界面電荷轉移和快速的離子傳輸，減少了電子復合，提升了電池的光電轉換效率，最終實現了兼具高光伏性能、穩定性和安全性的纖維凝膠染料敏化太陽能電池。
3、本專利技術提供的高性能纖維凝膠染料敏化太陽能電池的制備方法，具體步驟如下：
4、步驟(1)：在以i-/i3-為氧化還原電對的電解液中加入多元醇、多元異氰酸酯和催化劑，通過磁力攪拌使其混合均勻，得到低粘度的電解質前驅液；
5、步驟(2)：將多根初級纖維對電極平行排列，一端固定不動，另一端固定在旋轉電機上，經電機以一定轉速加捻一段時間后在初級纖維對電極之間產生微米級的孔道，得到具有多孔道結構的纖維對電極；
6、步驟(3)：將多孔道纖維對電極纏繞在纖維光陽極上，并一起裝入柔性透明封裝管，注入步驟(2)得到的低粘度的電解質前驅液，用熱熔膠封住封裝管的管口，將電池置于恒溫恒濕箱，待電解質前驅液完成聚合反應后，得到纖維凝膠染料敏化太陽能電池。
7、進一步地，步驟(1)中以i-/i3-為氧化還原電對的電解液由溶劑、碘化鋰、碘單質、1,2-二甲基-3-丙基碘化咪唑鎓和4-叔丁基吡啶組成。其中，溶劑選自乙腈、丙腈、丁腈、戊腈、戊二腈或3-甲氧基丙腈中的一種或幾種；碘化鋰的濃度為0.02–0.95m，碘單質的濃度為0.02–0.20m，1,2-二甲基-3-丙基碘化咪唑鎓的濃度為0.1–1.0m，4-叔丁基吡啶的濃度為0.2–1.5m。
8、進一步地，步驟(1)中所述的多元醇包括低分子量聚酯(例如聚己二酸乙二醇酯、聚乙二酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯)和低分子量聚醚(例如聚乙二醇)中的一種或兩種或兩種以上的組合。多元醇在使用前需要先進行除水處理，在溫度為100–120℃，壓力為0.1–0.3kpa下除水1–6h。多元醇的質量分數為5％–50％。多元醇的分子量為2,000–20,000。
9、進一步地，步驟(1)中所述的多元異氰酸酯選自異佛爾酮二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯、二苯基甲烷二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯三聚體中的一種或兩種或兩種以上的組合。多元異氰酸酯中的異氰酸根與多元醇中的羥基的摩爾比為1:1–2:1。其中，三官能度的多元異氰酸酯與雙官能度的多元異氰酸酯的摩爾比為1:0–0:1。
10、進一步地，步驟(1)中所述催化劑選自胺類催化劑(例如雙二甲氨基乙基醚、五甲基二乙烯三胺、二甲基環己胺)和有機金屬催化劑(例如二月桂酸二丁基錫)中的一種或兩種或兩種以上的組合。催化劑與多元醇的質量比為1:100–1:50。
11、進一步地，步驟(1)中所述的電解質前驅液粘度為5–1,500mpa·s。
12、進一步地，步驟(2)中所述的初級纖維對電極選自鉑絲、碳納米管纖維、碳纖維、石墨烯纖維中的一種。其中，初級纖維對電極的直徑為20–80μm，所用根數為1–50根。
13、進一步地，步驟(2)中所述旋轉電機轉速為100–1,000rad/min，加捻時間為10–200s。
14、進一步地，步驟(2)中所述的多孔道纖維對電極的直徑為50–200μm，電極上的微米級孔道尺寸為1–10μm。
15、進一步地，步驟(3)中所述的纖維光陽極為表面生長有二氧化鈦納米管陣列并吸附染料分子的鈦絲。將鈦絲浸沒在陽極氧化電解液中，在一定溫度和外加電壓下在其表面生長二氧化鈦納米管陣列，隨后依次進行高溫退火處理、浸泡染料溶液，得到纖維光陽極。其中，鈦絲的直徑為0.1–1.0mm；陽極氧化電解液含有氟化銨(質量分數為1％–5％)、水(質量分數為5％–10％)和乙二醇(質量分數為85％–94％)，施加的電壓為40–80v，反應溫度為40–60℃，反應時間為1–8h；得到的二氧化鈦納米管陣列的高度為10–40μm，納米管外徑為120–360nm，內徑為80–300nm；退火程序為：由室溫升至400–600℃，升溫速率為2–18℃/min，在恒定溫度下保持0.5–5.0h，自然冷卻至室溫；染料溶液中的溶劑為乙腈和叔丁醇的混合溶劑(體積比為1:0.5–1:2)，染料分子為二-四丁銨-雙(異硫氫基)-雙(2,2’-聯吡啶-4,4’-二羧基)釕(ii)(n719)，染料濃度為0.1–0.5mm，浸泡時間為12–72h。
16、進一步地，步驟(3)中柔性透明封裝管的材料選自聚乙烯、乙烯與其他單體的共聚物、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚碳酸酯中的一種；塑料管內徑為0.4–2.0mm，管壁厚為0.2–1.0mm。
17、進一步地，步驟(3)中恒溫恒濕箱的設定參數為：溫度為30–80℃，濕度為0％–20％。電池在恒溫恒濕箱中的放置時間為6–24h。
18、與現有技術相比，本專利技術的積極進步效果在于：
19、(1)本專利技術設計了低粘度的電解質本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種纖維凝膠染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述以I-/I3-為氧化還原電對的電解液由溶劑、碘化鋰、碘單質、1,2-二甲基-3-丙基碘化咪唑鎓和4-叔丁基吡啶組成；其中，溶劑選自乙腈、丙腈、丁腈、戊腈、戊二腈或3-甲氧基丙腈；碘化鋰的濃度為0.02–0.95M，碘單質的濃度為0.02–0.20M，1,2-二甲基-3-丙基碘化咪唑鎓的濃度為0.1–1.0M，4-叔丁基吡啶的濃度為0.2–1.5M。
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述多元醇為低分子量聚酯或低分子量聚醚；多元醇在使用前需要先進行除水處理，處理溫度為100–120℃，壓力為0.1–0.3Kpa，時間1–6h；多元醇的質量分數為5％–50％；多元醇的分子量為2,000–20,000。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述的多元異氰酸酯選自異佛爾酮二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯、二苯基甲烷二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯三聚體中；多元異氰酸酯中的異氰酸根
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述催化劑選自胺類催化劑和有機金屬催化劑；催化劑與多元醇的質量比為1:100–1:50；所述電解質前驅液粘度為5–1,500mPa·s。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述的初級纖維對電極選自鉑絲、碳納米管纖維、碳纖維、石墨烯纖維；初級纖維對電極的直徑為20–80μm，數量為1–50根。
7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述旋轉電機轉速為100–1,000rad/min，加捻時間為10–200s；所述多孔道纖維對電極的直徑為50–200μm，電極上的微米級孔道尺寸為1–10μm。
8.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述的纖維光陽極為表面生長有二氧化鈦納米管陣列并吸附染料分子的鈦絲；由如下方法得到：將鈦絲浸沒在陽極氧化電解液中，在一定溫度和外加電壓下在其表面生長二氧化鈦納米管陣列，隨后依次進行高溫退火處理、浸泡染料溶液，得到纖維光陽極；其中，鈦絲的直徑為0.1–1.0mm；陽極氧化電解液含有質量分數為1％–5％的氟化銨、質量分數為5％–10％的水和質量分數為85％–94％的乙二醇，施加的電壓為40–80V，反應溫度為40–60℃，反應時間為1–8h；得到的二氧化鈦納米管陣列的高度為10–40μm，納米管外徑為120–360nm，內徑為80–300nm；退火程序為：由室溫升至400–600℃，升溫速率為2–18℃/min，在恒定溫度下保持0.5–5.0h，自然冷卻至室溫；染料溶液中的溶劑為乙腈和叔丁醇的混合溶劑，兩者體積比為1:0.5–1:2，染料分子為二-四丁銨-雙(異硫氫基)-雙(2,2’-聯吡啶-4,4’-二羧基)釕(II)(N719)，染料濃度為0.1–0.5mM，浸泡時間為12–72h。
9.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述柔性透明封裝管的材料選自聚乙烯、乙烯與其他單體的共聚物、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚碳酸酯；塑料管內徑為0.4–2.0mm，管壁厚為0.2–1.0mm；所述恒溫恒濕箱的設定參數為：溫度為30–80℃，濕度為0％–20％；電池在恒溫恒濕箱中的放置時間為6–24h。
10.一種由權利要求1-9之一所述制備方法得到的纖維凝膠染料敏化太陽能電池。
...【技術特征摘要】
1.一種纖維凝膠染料敏化太陽能電池的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述以i-/i3-為氧化還原電對的電解液由溶劑、碘化鋰、碘單質、1,2-二甲基-3-丙基碘化咪唑鎓和4-叔丁基吡啶組成；其中，溶劑選自乙腈、丙腈、丁腈、戊腈、戊二腈或3-甲氧基丙腈；碘化鋰的濃度為0.02–0.95m，碘單質的濃度為0.02–0.20m，1,2-二甲基-3-丙基碘化咪唑鎓的濃度為0.1–1.0m，4-叔丁基吡啶的濃度為0.2–1.5m。
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述多元醇為低分子量聚酯或低分子量聚醚；多元醇在使用前需要先進行除水處理，處理溫度為100–120℃，壓力為0.1–0.3kpa，時間1–6h；多元醇的質量分數為5％–50％；多元醇的分子量為2,000–20,000。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述的多元異氰酸酯選自異佛爾酮二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯、二苯基甲烷二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯三聚體中；多元異氰酸酯中的異氰酸根與多元醇中的羥基的摩爾比為1:1–2:1；其中，三官能度的多元異氰酸酯與雙官能度的多元異氰酸酯的摩爾比為1:0–0:1。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述催化劑選自胺類催化劑和有機金屬催化劑；催化劑與多元醇的質量比為1:100–1:50；所述電解質前驅液粘度為5–1,500mpa·s。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中所述的初級纖維對電極選自鉑絲、碳納米管纖維、碳纖維、石墨烯纖維；初級纖維對電極的直徑為20–80μm，數量為1–50根。
7.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步...
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