电解质在染料敏化太阳能电池中的应用
王 敏
  染料敏化太阳能电池电解质溶液中的氧化还原电对一般为I-/I3-，其作用是还原被氧化的染料，并在工作电极
和对电极之间输运电荷。电解质是染料敏化太阳能电池中的重要组成部分，按状态可以分为液态、固态和准固态电
解质（通常也称为凝胶电解质）3类。
  1.液态电解质
  最早用于染料敏化太阳能电池中的电解质都是液态电解质，这种电解质主要由有机溶剂、无机碘盐及碘单质组成。
其中有机溶剂包括乙腈、乙烯碳酸酯和丙烯碳酸酯的混合溶液(EC/PC)和3-甲氧基丙腈等。研究发现，虽然用这些
有机溶剂电解质组成的电池可以获得较高的短路光电流(JSC)，但是开路光电压(VOC)却不高。为了解决这个问题，
Grātzel及Hagfeldt等将4-特丁基吡啶(TBP)或N-甲基咪唑(NMBI)作为添加剂加入液态电解质，发现液态电池的
VOC有所提高，研究者认为TBP或NMBI的加入可以提高VOC，主要是因为这些添加剂分子结构中的吡啶或咪唑基团
可以吸附在TiO2表面，抑制了电子与电解质中I3-的复合反应。
  除此之外，离子液体也可作为添加剂加入有机溶剂中，提高电解质的电导率，从而提高液态染料敏化太阳能电池
的光电性能。
  2.固态电解质
  离子液体电解质虽然解决了有机溶剂的挥发性问题，但仍无法克服液态电解质流动性的缺点，给电池的密封造成
很大的困难。用不流动的固态电解质取代液态电解质是染料敏化太阳能电池的发展方向。
  固态电解质主要有无机p-型半导体型、有机空穴传输材料型及聚合物型3种。通过分子设计或不同高分子之间
混合的方法可以得到理想的可控制混合型电解质，聚合物型固态电解质已成为近年来研究的热点。
  任何用于染料敏化太阳能电池的p-型半导体必须具备以下几个条件：
   （1）能够在染料将电子注入TiO2后，从敏化的染料传输空穴；
   （2）能够在多孔的纳晶层内沉积；
   （3）需采用一种不溶解或降解TiO2上单层染料的沉积方法；
   （4）在可见光谱范围内透明。
  实验发现，以铜的化合物为基础的无机p-型半导体如CuI、CuBr、CuSCN等可以满足以上条件。Taguchi的研究
小组和Kumara的研究小组用MgO包覆TiO2多孔薄膜和CuI层组装固态电池，提高了电池的转换效率和稳定性。
  与无机p-型半导体相比较，有机空穴传输材料具有资源丰富、易成膜、成本低等优势，被广泛应用于有机太阳
能电池、薄膜晶体管及有机发光二极管中。2002年，Krüger等进一步对有机空穴材料电解质进行研究，获得了3.2%
的光电转换效率。这是迄今为止，有机空穴固态染料敏化太阳能电池获得的最高转换效率。但是大多数采用有机空
穴材料组装的固态染料敏化太阳能电池的光电转换效率相对较低，尤其是在高光强下。这主要是由于在多孔的TiO2
电极的孔中固态有机空穴材料不能完全渗透，导致染料分子与有机空穴材料的电子接触不好。
  为了提高固态染料敏化太阳能电池的光电转换效率，研究者将研究的重点逐步转向了聚合物型固态电解质的研
究。这种固态电解质要求聚合物基质必须有效地溶解锂盐或钠盐，使它们容易解离，不易形成离子对。盐的溶解性
依赖于高分子链中电子给体原子通过路易斯酸碱作用与阳离子的络合能力，而这种能力又依赖于盐的晶格能和高分
子主体的结构。
  以上几种固态电解质中，光电转换效率最高只能达到5%左右。而另外一种新型固态电解质——塑料晶体的引入
将全固态染料敏化太阳能电池的转换效率提高到6.7%，但是这种新型固态电解质在染料敏化太阳能电池中的研究
还处于初期阶段，需要进一步的探索。
  3.准固态电解质
  准固态电解质既解决了液态电解质的流动性问题，同时由于其具有较高的电导率，使准固态电池的转换效率高于
固态电解质，成为近年来研究的热点。
  目前研究的准固态电解质大概可以分为3类：用聚合物固化液态电解质形成的准固态电解质；用低分子的交联剂
固化液态电解质形成的准固态电解质；用纳米粒子固化液态电解质形成的准固态电解质。
  聚合物固化液态电解质属于物理交联。Bandara等用传统的聚合物PEO及PAN来固化EC/PC混合溶剂形成准固态
电解质，其电池的效率为2.3%。2004年，康俊杰等设计合成了一种新型高分子－含有季铵盐侧链的聚硅氧烷，并
用它来固化EC/PC混合溶剂，获得了7.7%的光电转化效率。