电解质的研究进展

　　DSSC电池中电解液的关键作用是将电子传输给光氧化染料分子，并将空穴传输到对电极。由于电解液是透明的液体，不会阻碍染料对光的吸收，而且能完全覆盖涂有染料的纳米多孔TiO2膜，充分利用了纳米膜的高比表面，有利于电荷的传输。目前液态电解质广泛采用I-／I3-体系，金属离子一般选Li+等活泼金属，该体系性能稳定，再生性能好，且具有良好的透光性能和高扩散系数。但是，尽管如此，液态电解质作为DSSC的空穴传输材料使用仍存在一系列的问题：(1)电池的封装技术难度增大，密封剂可能与电解质反应；(2)溶剂会挥发，且易导致染料的脱附和降解；(3)载流子迁移速率存在传质动力学的限制，在强光下光电流不稳定；(4)除了氧化还原循环反应外，电解质还存在不可逆反应。这些都导致了电池的不稳定和使用寿命的缩短。

    为了避免上述问题，研究者们致力于用半固态、固态电解质，如导电凝胶、P型半导体、导电聚合物或空穴传输有机分子，取代电解液作为空穴传输材料制备一种染料敏化全固体太阳能电池。这些半固态、固态电解质通常要求满足以下几个条件：(1)在可见光区内必须是透明的；(2)不会使所吸附的染料发生溶解或降解，且自身具备一定稳定性；(3)能级与TiO2能级以及染料能级相匹配。

　　近来这方面的研究进展包括：(1)凝胶电解质：PengWang等人联合偏二氟乙烯和六氟丙稀合成的凝胶电解质，敏化到纳晶电极上组成的电池在太阳光下的光电转化效率超过了6％,研究结果表明，这种使用了凝胶电解质的染料敏化太阳能电池能够在80℃下稳定工作，这相对液态电解质是一个了不起的进步；(2)P型半导体电解质：之前，Tennakone等人报道了TiO2花菁／CuI结构的固态染料敏化电池，得到了2.5mA／cm2的短路电流，375mV的开路电压，0.8％光电转化效率，后来在Tennakone等人努力下，以CuI为电解质的全固态染料敏化太阳能电池的光电转化效率达到了6％,但是，由于CuI碟料界面的降解和CuI材料本身的降解，使得该电池在5小时之内其光电转化效率就明显下降，目前，Tennak0ne和他的研究小组仍在致力于改善CuI电解质性能，提高以CuI为电解质的DSSC的光电转化效率和电池的稳定性；BrianO’Regan等人采用CuSCN做空穴传输材料，在模拟光照条件下，该染料敏化太阳能电池获得了8mA／cm2的短路电流，600mV的短路电压，光电转化效率2％；AriaF．Nogueira等人联合聚合橡胶材料(epichlorohydrin-co-ethyleneoxide)、NaI和I2制备了一种聚合物电解质，光电转化效率达到1.6％；JessicaKruger等人以2，2’,7，7’-四(N，N一二对甲氧基苯基氨基)9，9’-螺环二芴(OMeTAD)有机空穴传输材料做电解质，取得了模拟光源(AM1.5)下3.2％的光电转化效率，而此前，Gratzel等人用这种电解质也取得了单色光转化效率33％，总转化效率2.56％的佳绩。

　　总的来看，目前固态电解质多为P型半导体材料，导电高分子材料也是重要的发展方向，凝胶电解质又可以称为半固态电解质，具备一定的流动性，所以其光电转化效率较全固态电解质要高一些，更接近液态电解质，但它同样存在泄漏的问题。与液体电解质相比，这些半固态、固态电解质的光电转化效率还普遍较低(<3％)，多数研究者认为，这主要是由于半固态、固态电解质很难与多孔的电TiO2极紧密结合，载流子在“染料／电解质”界面复合严重造成的。但是，我们也应该看到全固态的染料敏化太阳能电池是一种趋势，随着研究的深入，固态电解质将进一步发挥其优势，光电性能将逐渐逼近传统的液态电解质。

　　国内研究进展及未来的研究方向和前景展望

　　我国目前在染料敏化太阳能电池领域的研究刚刚起步，但也已经取得了不少阶段性的成果。北京大学稀土材料化学及应用国家重点实验室的黄春晖，李富友等人在纯有机染料领域具有较高的水平，并对于电极材料的改性以及多联吡啶钌染料的优化都取得了较好的结果。中科院化学所