高相轉變溫度的離子凝膠電解質基準固態染料敏化太陽電池

桃 李 霍志鵬,* 王 露 戴松元,,*(中國科學院等離子體物理研究所,中國科學院新型薄膜太陽電池重點實驗室,合肥3003;華北電力大學,北京市新型薄膜太陽電池重點實驗室,北京006)

高相轉變溫度的離子凝膠電解質基準固態染料敏化太陽電池

桃 李1霍志鵬1,*王 露1戴松元1,2,*
(1中國科學院等離子體物理研究所,中國科學院新型薄膜太陽電池重點實驗室,合肥230031;2華北電力大學,北京市新型薄膜太陽電池重點實驗室,北京102206)

染料敏化太陽電池(DSC)以其低價、高效等優勢,成為學術界和工業界的研究熱點.傳統液態電解質由于易揮發、易泄漏等問題,導致基于液態電解質的電池難以保持長期穩定,影響光伏技術的應用.本文合成了N,N'-1,5-戊二基雙月桂酰胺,將其作為有機小分子膠凝劑(LMOG)膠凝離子液體電解質(ILE)制備了離子凝膠電解質(IGE)并組裝成準固態電池(QS-DSCs).差示掃描量熱測試顯示該凝膠電解質的相轉變溫度(Tgel)為104.7°C,具有良好的本征熱穩定性.利用循環伏安法、電化學阻抗譜、調制光電壓/光電流譜分別研究了液態電池和準固態電池內部電子傳輸和復合動力學過程.結果表明,凝膠電解質的三維網絡結構加速了TiO2光陽極/電解質界面電子與電解質中I3-的復合過程,使電子壽命降低,導致準固態電池的光電轉換效率略低于液態電池.在AM 1.5(100 mW·cm-2)及50°C條件下的加速老化測試結果顯示,持續老化1000 h后其光電轉換效率(η)無衰減,而液態電池的光電轉換效率衰減為初始值的86%,表明準固態電池具有良好的光熱穩定性.

染料敏化太陽電池;準固態;電解質;有機小分子膠凝劑;N,N'-1,5-戊二基雙月桂酰胺

1 引言

在過去的幾十年,可再生綠色能源如氫能,風能和太陽能被廣泛開發和利用.在這些可再生能源中,太陽能是一種最有效、持久的可替代傳統化石燃料的能源.太陽能需通過光伏器件將其轉換為可用的電能.染料敏化太陽電池(DSC)作為第三代新型太陽電池,因其具有高效、低廉、制作過程相對簡單等特點,受到了科研工作者和商業界的廣泛關注.1,2穩定性是一切光伏技術的先決條件,決定著光伏技術的應用范圍.目前,基于液態電解質的DSC的光電轉換效率已經達到了13%,3但液態電解質中使用的有機溶劑通常會發生揮發和泄漏,這是影響電池器件長期穩定性的關鍵因素之一.為了解決上述問題,無機/有機空穴半導體材料以及聚合物凝膠電解質被引入至DSC中.但是,這些材料的使用又衍生出新的問題,如電解質材料與納米晶半導體材料存在界面接觸問題仍需要進一步的解決.因此,基于有機小分子膠凝劑(LMOGs)的準固態電池引起了研究者的廣泛關注.在合適的溫度下,LMOGs可以通過氫鍵,范德華力、π-π鍵等非共價鍵進行自組裝,在此過程中形成三維網絡結構,從而將液態溶劑固化,并形成表觀呈固態的凝膠.當環境溫度超過其相轉變溫度(Tgel)時,凝膠會由固態轉變為液態,而當環境溫度低于Tgel時,體系呈固態.據報道,一些有機小分子化合物,如12-羥基硬脂酸,4苯基酰胺衍生物,5十四烷基溴化銨,6以及山梨醇衍生物,7等已被作為LMOGs并應用于準固態DSC(QSDSC)中.

本文合成了N,N'-1,5-戊二基雙月桂酰胺,并將其作為小分子膠凝劑膠凝基于1-甲基-3-己基苯并咪唑碘(HMII)的離子液體電解質(ILE),獲得了新型離子凝膠電解質(IGE).并對基于離子凝膠和離子液體電解質的DSC內部光陽極和電解質界面處的電子傳輸和復合過程進行了詳細的研究.此外,還檢測了準固態電池在AM 1.5(100 mW·cm-2)、50°C下的加速光熱老化性能.

2 實驗部分

2.1 電解質及電池的制備

N,N'-1,5-戊二基雙月桂酰胺和1-甲基-3-己基苯并咪唑碘按照先前文獻8,9方法合成,并用核磁共振氫譜(1H NMR)進行表征(如圖S1和圖S3(參見Supporting Information).離子液體電解質是將0.35 mol· L-1碘(I2:99%,Aldrich),0.02 mol·L-1無水碘化鋰(LiI: 99%,Aldrich)和0.5 mol·L-1N-甲基苯并咪唑(NMBI: 99%,Aldrich)溶解于HMII中制備而成的;在ILE中添加5%(w)(vs ILE)的N,N'-1,5-戊二基雙月桂酰胺,加熱至115°C并持續攪拌,待膠凝劑完全溶解后自然降至室溫,得到IGE.

納米TiO2多孔薄膜電極根據文獻10方法制備,膜厚約為11.3 μm.按照文獻11方法制備電池,其有效面積為0.16 cm2.準固態電池的制備過程見Supporting Information.

2.2 性能表征

稱量5-7 mg的IGE樣品至鋁盤中并密封,采用差示掃描量熱儀(DSC-Q2000,TA公司,美國),在氮氣(氣流量為50 mL·min-1)吹掃下,以10°C·min-1的速率將樣品由25°C加熱至140°C,測量IGE的凝膠-溶液的相轉變溫度;利用電化學工作站(Autolab 320,Metrohm公司,瑞士)測量不同電池的循環伏安特性12和電化學阻抗譜.循環伏安法是采用兩電極體系,以半徑為5 μm的鉑超微圓盤電極(CHI107, CH InstrumentsInc公司,美國)為工作電極,半徑為1 mm的鉑圓盤電極作為對電極和參比電極,在5 mV·s-1的掃描速率下測量的;電化學阻抗譜是在暗態條件下測量的,測量頻率范圍為10 mHz-1 MHz,設定偏壓為-0.6 V,正弦擾幅10 mV;強度調制光電壓/光電流譜(IMVS/IMPS)13的測試在可控強度調制光譜儀(IM6e,Zahner公司,德國)上完成的,光源由Export(Zahner公司,德國)驅動的波長為610 nm的發光二極管(LED)提供.

單色光光電轉換效率(IPCE)測試采用300 W氙燈(69911,Newport公司,美國)發射的白光經過單色儀(74125 Oriel Cornerstone 260,Newport公司,美國)后變為單色光(光譜范圍300-900 nm)先后照射到標準硅探頭和樣品上,單色光光強和樣品光電流通過雙通道光功率/電流計(2931-C,Newport公司,美國)和標準硅探頭測量.采樣波長間隔為10 nm,采樣時間為2 s.

電池測試的光強由標準單晶硅電池標定.測試中所使用的光強為AM 1.5(100 mW·cm-2).電池的光態電流-電壓(I-V)曲線測試是采用3A級標準光源(94043A,Newport公司,美國)與數字源表(2420, Keithley公司,美國)進行測量,測試過程和數據輸出通過Testpoint軟件自動完成.

3 結果與討論

3.1 離子凝膠電解質的凝膠化研究

在有機溶劑中,小分子膠凝劑可以通過分子間作用力,如氫鍵、范德華力、靜電力或π-π相互作用自組裝成三維網絡結構,并將有機溶劑凝膠化從而獲得凝膠.14由圖1中的電解質照片可以看出,N,N'-1,5-戊二基雙月桂酰胺作為小分子膠凝劑,可以有效將ILE凝膠化,使其形成離子凝膠IGE并具有一定的機械性能.同時,如圖1所示,此IGE的Tgel達104.7°C,即當體系溫度超過104.7°C時,IGE才會由凝膠態轉變為液態,高的相轉變溫度有利于抑制電解質的揮發和泄漏,表明制備的IGE具有良好的本征穩定性.同時,小分子膠凝劑具有較高的熔點(圖S2).小分子膠凝劑和IGE良好的穩定性對于QS-DSC的長期穩定性是十分有利的.

圖1 IGE的差示掃描量熱曲線及ILE和IGE照片Fig.1 Differential scanning calorimetric thermograms of ionic gel electrolyte(IGE)and the photographs of ionic liquid electrolyte(ILE)and IGE

3.2 離子液體電解質的凝膠化對I-和I3-氧化還原行為的影響

I-和I3-,特別是I3-在電解質中的物理擴散對于DSC的光伏性能有著十分重要的影響.15圖2為25°C時ILE和IGE的穩態伏安特性曲線,顯示了在ILE和IGE中I-和I3-的穩態擴散電流(Iss),I-和I3-的表觀擴散系數(Dapp)可以通過公式(1)計算得到,結果列于表1中.

圖2 ILE和IGE在25°C時的穩態伏安特性曲線Fig.2 Steady-state voltammograms of ILE and IGE at 25°C

其中,n為I-和I3-在電極反應中得失電子的數目,F為法拉第常數,r為超微鉑圓盤電極半徑,c為電解質中I-或I3-的濃度.由圖2和表1可以看出,IGE中的I－和I3－的Dapp值略低于ILE中的,這表明當離子液體電解質被小分子膠凝劑凝膠化后,離子擴散通道發生變化,同時小分子膠凝劑自組裝形成的三維網絡結構在一定程度上阻礙了電解質中I-和I3-的物理擴散.由于Dapp減小會引起對電極附近的I3-濃度的降低,最終使得準固態電池中短路電流密度(Jsc)減小.15,16因此可以推斷,基于IGE的QS-DSC的Jsc會低于基于ILE的離子液體DSC.

3.3 離子液體電解質的凝膠化對TiO2光陽極/電解質界面處的電子復合行為的影響

在DSC中,電子在多孔TiO2光陽極/電解質界面處與I3-的復合是影響DSC光伏性能的關鍵過程.4,6本文通過電化學阻抗譜(EIS)研究了此界面處的電子復合動力學過程.17-19圖3為基于ILE和IGE的電池在-0.6 V偏壓下測得的Nyquist譜圖.如圖所示,曲線與實軸的交點為串聯電阻(Rs);位于左側高頻區域(103

-106Hz)的半圓反映鉑對電極表面電對的氧化還原反應過程;位于右側低頻區(1-103Hz)的半圓對應多孔TiO2光陽極/電解質界面處的電子復合過程.17根據圖3中的等效電路對Nyquist譜圖進行擬合,擬合得到Rs、TiO2光陽極/電解質界面電子復合電阻(Rct)以及界面化學電容(Cμ),電子復合壽命(τoc)通過τoc=Rct·Cμ計算獲得,列于表2中.由表2可以得到,與離子液體DSC電池相比,準固態DSC的Rs較大,而Rct較小,τoc較短.這些結果表明,離子液體電解質凝膠化后,電池的串聯電阻增大.同時IGE中三維網絡結構在一定程度上阻礙了I3-離子向對電極的擴散,使得多孔TiO2光陽極/電解質界面處的電子與I3

-離子的復合加劇,這是造成DSC開路電壓降低的一個重要因素.

表1 不同電解質中I和I3的穩態擴散電流(Iss)和表觀擴散系數(Dapp)Table 1 Steady-state current(Iss)and apparent diffusion coefficient(Dapp)of I-and I3-in different electrolytes

3.4 離子液體電解質的凝膠化對DSC中TiO2光陽極/電解質界面化學電容的影響

圖4是基于ILE和IGE電池內部TiO2光陽極/電解質界面處化學電容隨電壓的變化圖.由圖4可以看出,QS-DSC的Cμ低于液態電池的,這表明相對離子液體DSC,離子凝膠DSC的TiO2的導帶邊向負電勢移動.20通常,Li+可以吸附在多孔TiO2薄膜表面,并使TiO2導帶邊向正電勢方向移動.21而IGE中Li+會與膠凝劑分子中的酰胺基團發生相互作用,21而這種相互作用會減少Li+離子在多孔TiO2薄膜上的吸附,從而使TiO2導帶邊向負電勢方向發生移動.這種移動雖有利于QS-DSC開路電壓的提升,但會導致QS-DSC激發態電子注入效率的降低.

圖3 基于ILE和IGE的DSCs的電化學阻抗譜(能奎斯特圖)Fig.3 Electrochemical impedance spectroscopy (Nyquist plots)for the dye sensitized solar cells(DSCs) based on ILE and IGE

表2 基于ILE和IGE的DSCs的EIS擬合參數Table 2 Fitting results of electrochemical impedance spectroscopy(EIS)parameters for DSCs based on ILE and IGE

3.5 離子液體電解質的凝膠化對DSC中電子傳輸和復合過程的影響

為進一步研究離子液體和離子凝膠電池中的電子傳輸和復合過程,本文利用IMVS/IMPS來獲得電子傳輸時間(τd)和電子復合壽命(τn)隨光強變化的規律.τd是注入電子在TiO2光陽極向導電玻璃基底傳輸的時間,τn則反映注入電子在多孔TiO2納米晶薄膜內的壽命.Li+離子吸附于多孔TiO2薄膜表面,會減緩DSC中電子的傳輸和復合過程.22而在QSDSC中,Li+在TiO2表面的吸附量減小,使得電子在TiO2光陽極的傳輸以及電子在TiO2光陽極/電解質界面處的復合加速,即與離子液體DSC相比較,QSDSC的τd和τn均變大,如圖5(a)和5(b)中所示.

圖4 基于ILE和IGE的DSCs內部TiO2光陽極/電解質界面化學電容隨電壓的變化Fig.4 Potential dependence of the chemical capacitance for the TiO2photoanode/electrolyte interface in DSCs based on ILE and IGE

有效電子擴散長度(Ln)是研究電子傳輸復合過程另一個重要的參數,可以通過公式(3)進行計算:其中,d是TiO2薄膜的厚度.當Ln大于d值時,DSC才會獲得有效的電子收集效率(ηcoll),且Ln越大,收集效率越高.23如圖5(c)所示,離子液體DSC和QS-DSC的Ln均大于TiO2薄膜的厚度,表明兩種具有不同電解質的電池均具有良好的電子收集效率.此外,離子液體DSC的Ln要高于QS-DSC的,即QS-DSC的電子收集效率略低于離子液體DSC的,這將影響電池的IPCE和短路電流密度.

圖5 基于ILE和IGE的DSCs中(a)電子傳輸時間(τd),(b)電子復合壽命(τn)和(c)有效電子擴散長度(Ln)隨光強的變化Fig.5 Light intensity dependence of(a)electron transport time(τd),(b)electron recombination lifetime(τn),and(c) the effective electron diffusion length(Ln)in DSCs based on ILE and IGE

3.6 離子液體電解質的凝膠化對DSC光伏性能的影響

圖6為基于離子液體和離子凝膠電池的IPCE譜圖.IPCE主要由入射光的采集效率(ηLHE(λ)),電子注入效率(ηinj)和電子收集效率(ηcoll)決定,并可通過公式(4)進行計算.24

圖6 基于ILE和IGE的DSCs的IPCE譜圖Fig.6 Monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency(IPCE)spectra of DSCs based on ILE and IGE

在不考慮導電基底透過率的情況下,ηLHE(λ)主要由半導體二氧化鈦薄膜及其所吸附的染料決定.在本文中,所有電池所用的TiO2薄膜和染料相同,因此可認為電池的ηLHE(λ)相等.如圖7所示,離子液體DSC的IPCE值略高于QS-DSC,一方面是由于QS-DSC的ηcoll較低,另一方面是因為QS-DSC中TiO2導帶邊向負電勢方向移動,使ηinj降低造成的.

圖7為基于離子液體電解質和離子凝膠電解質的DSC在AM 1.5,強度為100 mW·cm-2的光照下獲得的光電流-光電壓特性曲線.電池的光伏性能參數:開路電壓(Voc),短路電流密度(Jsc),填充因子(FF)以及光電轉換效率(η)的數據列于表3中.由表3可以得到,兩種電池的FF相近,但離子液體電池的Voc和Jsc略高于QS-DSC.雖然在QS-DSC中,TiO2導帶邊向負電勢方向移動,但電子在TiO2光陽極和電解質界面處與I3-復合過程變快,即暗電流變大(如圖7所示),最終導致QS-DSC的Voc低于對應的離子液體DSC.此外,根據公式(5)可以得到Jsc.

其中,q為基元電荷,I0為光強.25兩種電池IPCE的差別導致QS-DSC比離子液體DSC的Jsc略低.較低的Voc和Jsc最終使得基于離子凝膠電解質的QS-DSC的光電轉換率(3.44%)低于離子液體DSC的光電轉換效率(3.73%).

3.7 準固態DSC穩定性的研究

圖7 基于ILE和IGE的DSCs在AM 1.5 (100 mW·cm-2)光照及暗態條件下的J-V曲線Fig.7 J-V curves of the DSCs based on ILE and IGE at AM 1.5(100 mW·cm-2)and in the light and dark conditions

表3 電池的光伏性能參數Table 3 Photovoltaic characteristics of cells

圖8 基于ILE和IGE的DSCs(覆蓋濾紫外膜)在AM 1.5 (100 mW·cm-2)及50°C條件下的持續老化1000 h的歸一化效率的變化曲線Fig.8 Normalized efficiency variation with the DSCs based on ILE and IGE at successiveAM 1.5(100 mW·cm-2)with UV cutoff filter at 50°C for 1000 h

雖然離子凝膠DSC的光電轉換效率略低于離子液體DSC的,但加速光熱老化測試結果表明,離子凝膠電池的穩定性明顯優于對應的離子液體電池.圖8為離子液體電池和離子凝膠電池在AM 1.5 (100 mW·cm-2)及50°C條件下持續老化1000 h的穩定性曲線.如圖8所示,經1000 h加速老化后,離子凝膠電池保持光電轉換效率初始值不變,而離子液體電池的光電效率衰減為初始值的86%.這表明離子凝膠電解質具有良好的本征穩定性,膠凝劑分子組裝形成的凝膠網絡結構有效抑制了離子液體的泄漏從而提高了DSC的穩定性.

4 結論

合成了N,N'-1,5-戊二基雙月桂酰胺作為有機小分子膠凝劑,制備了基于HMII離子液體的離子凝膠電解質,并制備準固態電池.對電池內部電子傳輸和電子復合動力學過程的分析結果表明,離子液體電解質的凝膠化使電池內部TiO2光陽極/電解質界面處電子與電解質中I3-離子的復合速率加快,導致準固態電池的電子壽命縮短,暗電流增大并使開路電壓降低.同時,由于凝膠電解質中Li+離子與膠凝劑分子的酰胺基團相互作用使Li+在多孔TiO2薄膜上的吸附減少,并使電子注入效率降低,從而使離子凝膠電池的IPCE和短路電流密度略低于離子液體電池的水平.雖然離子凝膠電池的光電轉換效率略低于離子液體電池,但由于離子凝膠電解質具有較高的相轉變溫度(Tgel=104.7°C)及良好的本征熱穩定性,離子凝膠電池在光強為AM 1.5(100 mW· cm-2)及50°C條件下的持續加速老化1000 h過程中表現出優良的穩定性,并且明顯優于離子液體電池,這對染料敏化太陽電池的實用化具有十分重要的意義.

Supporting Information:available free of charge via the internet at http://www.whxb.pku.edu.cn.

(1) Oregan,B.;Gratzel,M.Nature1991,353(6346),737. doi:10.1038/353737a0

(2) Jena,A.;Mohanty,S.P.;Kumar,P.;Naduvath,J.;Gondane,V.; Lekha,P.;Das,J.;Narula,H.K.;Mallick,S.;Bhargava,P.Transactions of the Indian Ceramic Society2012,71(1),1.doi: 10.1080/0371750X.2012.689503

(3) Mathew,S.;Yella,A.;Gao,P.;Humphry-Baker,R.;Curchod,B. F.E.;Ashari-Astani,N.;Tavernelli,I.;Rothlisberger,U.; Nazeeruddin,M.K.;Graetzel,M.Nat.Chem.2014,6(3),242. doi:10.1038/nchem.1861

(4) Huo,Z.;Dai,S.;Zhang,C.;Kong,F.;Fang,X.;Guo,L.;Liu, W.;Hu,L.;Pan,X.;Wang,K.J.Phys.Chem.B2008,112(41), 12927.doi:10.1021/jp8052168

(5) Yu,Q.J.;Yu,C.L.;Guo,F.Y.;Wang,J.Z.;Jiao,S.J.;Gao,S. Y.;Li,H.T.;Zhao,L.C.Energy Environ.Sci.2012,5(3), 6151.doi:10.1039/c2ee03128k

(6) Huo,Z.P.;Zhang,C.N.;Fang,X.Q.;Cai,M.L.;Dai,S.Y.; Wang,K.J.J.Power Sources2010,195(13),4384.doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.12.107

(7) Mohmeyer,N.;Wang,P.;Schmidt,H.W.;Zakeeruddin,S.M.; Gr?tzel,M.J.Mater.Chem.2004,14(12),1905.doi:10.1039/ b402324b

(8) Tomioka,K.;Sumiyoshi,T.;Narui,S.;Nagaoka,Y.;Iida,A.; Miwa,Y.;Taga,T.;Nakano,M.;Handa,T.J.Am.Chem.Soc.2001,123(47),11817.doi:10.1021/ja0169318

(9) Shi,C.W.;Ge,Q.;Li,B.;Han,S.K.Acta Phys.-Chim.Sin.2007,23,1473.[史成武,葛 茜,李 兵,韓士奎.物理化學學報,2007,23,1473.]doi:10.3866/PKU.WHXB20070932

(10) Hu,L.H.;Dai,S.Y.;Wang,K.J.Chin.Phys.Lett.2005,22(2), 493.doi:10.1088/0256-307X/22/2/063

(11) Cai,M.;Pan,X.;Liu,W.;Sheng,J.;Fang,X.;Zhang,C.;Huo,Z.;Tian,H.;Xiao,S.;Dai,S.J.Mater.Chem.A2013,1(15), 4885.doi:10.1039/c3ta00835e

(12) Tao,L.;Yang,Y.Z.;Shi,C.W.;Wu,Y.C.;Wu,X.Y.Acta Phys.-Chim.Sin.2010,26,578.[桃 李,楊燕珍,史成武,吳玉程,吳小燕.物理化學學報,2010,26,578.]doi:10.3866/ PKU.WHXB20100324

(13) Li,W.Z.;Wang,L.D.;Gao,R.;Dong,H.P.;Niu,G.D.;Guo, X.D.;Qiu,Y.Acta Phys.-Chim.Sin.2013,29,2345.[李聞哲,王立鐸,高 瑞,董豪鵬,牛廣達,郭旭東,邱 勇.物理化學學報,2013,29,2345.]doi:10.3866/PKU.WHXB201309242

(14) Terech,P.;Weiss,R.G.Chem.Rev.1997,97(8),3133.doi: 10.1021/cr9700282

(15) Asano,T.;Kubo,T.;Nishikitani,Y.J.Photochem.Photobiol.AChem.2004,164(1-3),111.doi:10.1016/j.jphotochem. 2003.12.021

(16) Wang,P.;Zakeeruddin,S.M.;Moser,J.E.;Nazeeruddin,M.K.; Sekiguchi,T.;Gr?tzel,M.Nat.Mater.2003,2(6),402.doi: 10.1038/nmat904

(17) Wang,Q.;Moser,J.E.;Gr?tzel,M.J.Phys.Chem.B2005,109(31),14945.doi:10.1021/jp052768h

(18) Barnes,P.R.F.;Anderson,A.Y.;Juozapavicius,M.;Liu,L.;Li, X.;Palomares,E.;Forneli,A.;O'Regan,B.C.Phys.Chem. Chem.Phys.2011,13(8),3547.doi:10.1039/c0cp01855d

(19) Shitanda,I.;Inoue,K.;Hoshi,Y.;Itagaki,M.J.Power Sources2014,247,475.doi:10.1016/j.jpowsour.2013.08.116

(20) Jennings,J.R.;Liu,Y.;Wang,Q.J.Phys.Chem.C2011,115(30),15109.doi:10.1021/jp2053053

(21) Tao,L.;Huo,Z.;Ding,Y.;Wang,L.;Zhu,J.;Zhang,C.;Pan, X.;Nazeeruddin,M.K.;Dai,S.;Gr?tzel,M.J.Mater.Chem.A2014,2,15921.doi:10.1039/C4TA02895C

(22) Watson,D.F.;Meyer,G.J.Coord.Chem.Rev.2004,248(13-14),1391.doi:10.1016/j.ccr.2004.02.015

(23) Oekermann,T.;Zhang,D.;Yoshida,T.;Minoura,H.J.Phys. Chem.B2004,108(7),2227.doi:10.1021/jp034918z

(24) Kelly,C.A.;Farzad,F.;Thompson,D.W.;Stipkala,J.M.; Meyer,G.J.Langmuir1999,15(20),7047.doi:10.1021/ la990617y

(25) Tachibana,Y.;Hara,K.;Sayama,K.;Arakawa,H.Chem.Mater.2002,14(6),2527.doi:10.1021/cm011563s

Quasi-Solid-State Dye-Sensitized Solar Cell Fabricated from Ionic Gel Electrolyte with High Gel-to-Solution Transition Temperature

TAO Li1HUO Zhi-Peng1,*WANG Lu1DAI Song-Yuan1,2,*
(1Key Laboratory of Novel Thin Film Solar Cells,Institute of Plasma Physics,Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031,P.R.China;2Beijing Key Laboratory of Novel Thin Film Solar Cells,North China Electric Power University,Beijing 102206,P.R.China)

Dye-sensitized solar cells(DSCs)have aroused much interest because of their low cost and comparatively high power conversion efficiency.Stability is paramount for any photovoltaic technology. Traditional liquid electrolytes tend to leak and evaporate,which limits the long-term performance of the DSC. N,N'-1,5-Pentanediylbis-dodecanamide was synthesized and used as a low molecular mass organogelator (LMOG),to gelate an ionic liquid electrolyte(ILE)and fabricate a quasi-solid-state DSC(QS-DSC).Differential scanning calorimetry indicated that the gel-to-solution transition temperature of the ionic gel electrolyte(IGE)was 104.7°C,which indicated good intrinsic stability.Electron transport and recombination were investigated by cyclic voltammetric(CV)and electrochemical impedance measurements,and intensity-modulated photocurrent and photovoltage spectroscopy(IMPSandIMVS)measurements.Electronrecombination at theTiO2photoanode/ electrolyte interface was accelerated by the cross-linked gel network.The shorter electron recombination lifetime decreased the photoelectric conversion efficiency of the QS-DSC,compared with the ILE-based DSC.Thephotoelectric conversion efficiency of the QS-DSC exhibited no change during accelerated aging test for 1000 h,while that of the ILE-based DSC decreased to 86%of its initial value.?Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica

Dye-sensitized solar cell;Quasi-solid-state;Electrolyte;Lowmolecular mass organogelator; N,N'-1,5-pentanediylbis-dodecanamide

O646

10.3866/PKU.WHXB201411032www.whxb.pku.edu.cn

Received:September 4,2014;Revised:October 31,2014;Published on Web:November 3,2014.

?Corresponding authors.HUO Zhi-Peng,Email:zhipenghuo@163.com;Tel:+86-551-65592190.DAI Song-Yuan,Email:sydai@ipp.ac.cn;

Tel:+86-10-61772268.

The project was supported by the National Key Basic Research Program of China(973)(2011CBA00700),National High Technology Research and Development Program of China(863)(2011AA050510),and National Natural Science Foundation of China(21103197,21173227,21273242).

國家重點基礎研究發展規劃項目(973)(2011CBA00700),國家高技術研究發展計劃項目(863)(2011AA050510)及國家自然科學基金項目

(21103197,21173227,21273242)資助