桃 李 霍志鹏,* 王 露 戴松元,,*(中国科学院等离子体物理研究所,中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室,合肥3003;华北电力大学,北京市新型薄膜太阳电池重点实验室,北京006)

高相转变温度的离子凝胶电解质基准固态染料敏化太阳电池

桃 李1霍志鹏1,*王 露1戴松元1,2,*
(1中国科学院等离子体物理研究所,中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室,合肥230031;2华北电力大学,北京市新型薄膜太阳电池重点实验室,北京102206)

染料敏化太阳电池(DSC)以其低价、高效等优势,成为学术界和工业界的研究热点.传统液态电解质由于易挥发、易泄漏等问题,导致基于液态电解质的电池难以保持长期稳定,影响光伏技术的应用.本文合成了N,N'-1,5-戊二基双月桂酰胺,将其作为有机小分子胶凝剂(LMOG)胶凝离子液体电解质(ILE)制备了离子凝胶电解质(IGE)并组装成准固态电池(QS-DSCs).差示扫描量热测试显示该凝胶电解质的相转变温度(Tgel)为104.7°C,具有良好的本征热稳定性.利用循环伏安法、电化学阻抗谱、调制光电压/光电流谱分别研究了液态电池和准固态电池内部电子传输和复合动力学过程.结果表明,凝胶电解质的三维网络结构加速了TiO2光阳极/电解质界面电子与电解质中I3-的复合过程,使电子寿命降低,导致准固态电池的光电转换效率略低于液态电池.在AM 1.5(100 mW·cm-2)及50°C条件下的加速老化测试结果显示,持续老化1000 h后其光电转换效率(η)无衰减,而液态电池的光电转换效率衰减为初始值的86%,表明准固态电池具有良好的光热稳定性.

染料敏化太阳电池;准固态;电解质;有机小分子胶凝剂;N,N'-1,5-戊二基双月桂酰胺

1 引言

在过去的几十年,可再生绿色能源如氢能,风能和太阳能被广泛开发和利用.在这些可再生能源中,太阳能是一种最有效、持久的可替代传统化石燃料的能源.太阳能需通过光伏器件将其转换为可用的电能.染料敏化太阳电池(DSC)作为第三代新型太阳电池,因其具有高效、低廉、制作过程相对简单等特点,受到了科研工作者和商业界的广泛关注.1,2稳定性是一切光伏技术的先决条件,决定着光伏技术的应用范围.目前,基于液态电解质的DSC的光电转换效率已经达到了13%,3但液态电解质中使用的有机溶剂通常会发生挥发和泄漏,这是影响电池器件长期稳定性的关键因素之一.为了解决上述问题,无机/有机空穴半导体材料以及聚合物凝胶电解质被引入至DSC中.但是,这些材料的使用又衍生出新的问题,如电解质材料与纳米晶半导体材料存在界面接触问题仍需要进一步的解决.因此,基于有机小分子胶凝剂(LMOGs)的准固态电池引起了研究者的广泛关注.在合适的温度下,LMOGs可以通过氢键,范德华力、π-π键等非共价键进行自组装,在此过程中形成三维网络结构,从而将液态溶剂固化,并形成表观呈固态的凝胶.当环境温度超过其相转变温度(Tgel)时,凝胶会由固态转变为液态,而当环境温度低于Tgel时,体系呈固态.据报道,一些有机小分子化合物,如12-羟基硬脂酸,4苯基酰胺衍生物,5十四烷基溴化铵,6以及山梨醇衍生物,7等已被作为LMOGs并应用于准固态DSC(QSDSC)中.

本文合成了N,N'-1,5-戊二基双月桂酰胺,并将其作为小分子胶凝剂胶凝基于1-甲基-3-己基苯并咪唑碘(HMII)的离子液体电解质(ILE),获得了新型离子凝胶电解质(IGE).并对基于离子凝胶和离子液体电解质的DSC内部光阳极和电解质界面处的电子传输和复合过程进行了详细的研究.此外,还检测了准固态电池在AM 1.5(100 mW·cm-2)、50°C下的加速光热老化性能.

2 实验部分

2.1 电解质及电池的制备

N,N'-1,5-戊二基双月桂酰胺和1-甲基-3-己基苯并咪唑碘按照先前文献8,9方法合成,并用核磁共振氢谱(1H NMR)进行表征(如图S1和图S3(参见Supporting Information).离子液体电解质是将0.35 mol· L-1碘(I2:99%,Aldrich),0.02 mol·L-1无水碘化锂(LiI: 99%,Aldrich)和0.5 mol·L-1N-甲基苯并咪唑(NMBI: 99%,Aldrich)溶解于HMII中制备而成的;在ILE中添加5%(w)(vs ILE)的N,N'-1,5-戊二基双月桂酰胺,加热至115°C并持续搅拌,待胶凝剂完全溶解后自然降至室温,得到IGE.

纳米TiO2多孔薄膜电极根据文献10方法制备,膜厚约为11.3 μm.按照文献11方法制备电池,其有效面积为0.16 cm2.准固态电池的制备过程见Supporting Information.

2.2 性能表征

称量5-7 mg的IGE样品至铝盘中并密封,采用差示扫描量热仪(DSC-Q2000,TA公司,美国),在氮气(气流量为50 mL·min-1)吹扫下,以10°C·min-1的速率将样品由25°C加热至140°C,测量IGE的凝胶-溶液的相转变温度;利用电化学工作站(Autolab 320,Metrohm公司,瑞士)测量不同电池的循环伏安特性12和电化学阻抗谱.循环伏安法是采用两电极体系,以半径为5 μm的铂超微圆盘电极(CHI107, CH InstrumentsInc公司,美国)为工作电极,半径为1 mm的铂圆盘电极作为对电极和参比电极,在5 mV·s-1的扫描速率下测量的;电化学阻抗谱是在暗态条件下测量的,测量频率范围为10 mHz-1 MHz,设定偏压为-0.6 V,正弦扰幅10 mV;强度调制光电压/光电流谱(IMVS/IMPS)13的测试在可控强度调制光谱仪(IM6e,Zahner公司,德国)上完成的,光源由Export(Zahner公司,德国)驱动的波长为610 nm的发光二极管(LED)提供.

单色光光电转换效率(IPCE)测试采用300 W氙灯(69911,Newport公司,美国)发射的白光经过单色仪(74125 Oriel Cornerstone 260,Newport公司,美国)后变为单色光(光谱范围300-900 nm)先后照射到标准硅探头和样品上,单色光光强和样品光电流通过双通道光功率/电流计(2931-C,Newport公司,美国)和标准硅探头测量.采样波长间隔为10 nm,采样时间为2 s.

电池测试的光强由标准单晶硅电池标定.测试中所使用的光强为AM 1.5(100 mW·cm-2).电池的光态电流-电压(I-V)曲线测试是采用3A级标准光源(94043A,Newport公司,美国)与数字源表(2420, Keithley公司,美国)进行测量,测试过程和数据输出通过Testpoint软件自动完成.

3 结果与讨论

3.1 离子凝胶电解质的凝胶化研究

在有机溶剂中,小分子胶凝剂可以通过分子间作用力,如氢键、范德华力、静电力或π-π相互作用自组装成三维网络结构,并将有机溶剂凝胶化从而获得凝胶.14由图1中的电解质照片可以看出,N,N'-1,5-戊二基双月桂酰胺作为小分子胶凝剂,可以有效将ILE凝胶化,使其形成离子凝胶IGE并具有一定的机械性能.同时,如图1所示,此IGE的Tgel达104.7°C,即当体系温度超过104.7°C时,IGE才会由凝胶态转变为液态,高的相转变温度有利于抑制电解质的挥发和泄漏,表明制备的IGE具有良好的本征稳定性.同时,小分子胶凝剂具有较高的熔点(图S2).小分子胶凝剂和IGE良好的稳定性对于QS-DSC的长期稳定性是十分有利的.

图1 IGE的差示扫描量热曲线及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 离子液体电解质的凝胶化对I-和I3-氧化还原行为的影响

I-和I3-,特别是I3-在电解质中的物理扩散对于DSC的光伏性能有着十分重要的影响.15图2为25°C时ILE和IGE的稳态伏安特性曲线,显示了在ILE和IGE中I-和I3-的稳态扩散电流(Iss),I-和I3-的表观扩散系数(Dapp)可以通过公式(1)计算得到,结果列于表1中.

图2 ILE和IGE在25°C时的稳态伏安特性曲线Fig.2 Steady-state voltammograms of ILE and IGE at 25°C

其中,n为I-和I3-在电极反应中得失电子的数目,F为法拉第常数,r为超微铂圆盘电极半径,c为电解质中I-或I3-的浓度.由图2和表1可以看出,IGE中的I－和I3－的Dapp值略低于ILE中的,这表明当离子液体电解质被小分子胶凝剂凝胶化后,离子扩散通道发生变化,同时小分子胶凝剂自组装形成的三维网络结构在一定程度上阻碍了电解质中I-和I3-的物理扩散.由于Dapp减小会引起对电极附近的I3-浓度的降低,最终使得准固态电池中短路电流密度(Jsc)减小.15,16因此可以推断,基于IGE的QS-DSC的Jsc会低于基于ILE的离子液体DSC.

3.3 离子液体电解质的凝胶化对TiO2光阳极/电解质界面处的电子复合行为的影响

在DSC中,电子在多孔TiO2光阳极/电解质界面处与I3-的复合是影响DSC光伏性能的关键过程.4,6本文通过电化学阻抗谱(EIS)研究了此界面处的电子复合动力学过程.17-19图3为基于ILE和IGE的电池在-0.6 V偏压下测得的Nyquist谱图.如图所示,曲线与实轴的交点为串联电阻(Rs);位于左侧高频区域(103

-106Hz)的半圆反映铂对电极表面电对的氧化还原反应过程;位于右侧低频区(1-103Hz)的半圆对应多孔TiO2光阳极/电解质界面处的电子复合过程.17根据图3中的等效电路对Nyquist谱图进行拟合,拟合得到Rs、TiO2光阳极/电解质界面电子复合电阻(Rct)以及界面化学电容(Cμ),电子复合寿命(τoc)通过τoc=Rct·Cμ计算获得,列于表2中.由表2可以得到,与离子液体DSC电池相比,准固态DSC的Rs较大,而Rct较小,τoc较短.这些结果表明,离子液体电解质凝胶化后,电池的串联电阻增大.同时IGE中三维网络结构在一定程度上阻碍了I3-离子向对电极的扩散,使得多孔TiO2光阳极/电解质界面处的电子与I3

-离子的复合加剧,这是造成DSC开路电压降低的一个重要因素.

表1 不同电解质中I和I3的稳态扩散电流(Iss)和表观扩散系数(Dapp)Table 1 Steady-state current(Iss)and apparent diffusion coefficient(Dapp)of I-and I3-in different electrolytes

3.4 离子液体电解质的凝胶化对DSC中TiO2光阳极/电解质界面化学电容的影响

图4是基于ILE和IGE电池内部TiO2光阳极/电解质界面处化学电容随电压的变化图.由图4可以看出,QS-DSC的Cμ低于液态电池的,这表明相对离子液体DSC,离子凝胶DSC的TiO2的导带边向负电势移动.20通常,Li+可以吸附在多孔TiO2薄膜表面,并使TiO2导带边向正电势方向移动.21而IGE中Li+会与胶凝剂分子中的酰胺基团发生相互作用,21而这种相互作用会减少Li+离子在多孔TiO2薄膜上的吸附,从而使TiO2导带边向负电势方向发生移动.这种移动虽有利于QS-DSC开路电压的提升,但会导致QS-DSC激发态电子注入效率的降低.

图3 基于ILE和IGE的DSCs的电化学阻抗谱(能奎斯特图)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拟合参数Table 2 Fitting results of electrochemical impedance spectroscopy(EIS)parameters for DSCs based on ILE and IGE

3.5 离子液体电解质的凝胶化对DSC中电子传输和复合过程的影响

为进一步研究离子液体和离子凝胶电池中的电子传输和复合过程,本文利用IMVS/IMPS来获得电子传输时间(τd)和电子复合寿命(τn)随光强变化的规律.τd是注入电子在TiO2光阳极向导电玻璃基底传输的时间,τn则反映注入电子在多孔TiO2纳米晶薄膜内的寿命.Li+离子吸附于多孔TiO2薄膜表面,会减缓DSC中电子的传输和复合过程.22而在QSDSC中,Li+在TiO2表面的吸附量减小,使得电子在TiO2光阳极的传输以及电子在TiO2光阳极/电解质界面处的复合加速,即与离子液体DSC相比较,QSDSC的τd和τn均变大,如图5(a)和5(b)中所示.

图4 基于ILE和IGE的DSCs内部TiO2光阳极/电解质界面化学电容随电压的变化Fig.4 Potential dependence of the chemical capacitance for the TiO2photoanode/electrolyte interface in DSCs based on ILE and IGE

有效电子扩散长度(Ln)是研究电子传输复合过程另一个重要的参数,可以通过公式(3)进行计算:其中,d是TiO2薄膜的厚度.当Ln大于d值时,DSC才会获得有效的电子收集效率(ηcoll),且Ln越大,收集效率越高.23如图5(c)所示,离子液体DSC和QS-DSC的Ln均大于TiO2薄膜的厚度,表明两种具有不同电解质的电池均具有良好的电子收集效率.此外,离子液体DSC的Ln要高于QS-DSC的,即QS-DSC的电子收集效率略低于离子液体DSC的,这将影响电池的IPCE和短路电流密度.

图5 基于ILE和IGE的DSCs中(a)电子传输时间(τd),(b)电子复合寿命(τn)和(c)有效电子扩散长度(Ln)随光强的变化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 离子液体电解质的凝胶化对DSC光伏性能的影响

图6为基于离子液体和离子凝胶电池的IPCE谱图.IPCE主要由入射光的采集效率(ηLHE(λ)),电子注入效率(ηinj)和电子收集效率(ηcoll)决定,并可通过公式(4)进行计算.24

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

在不考虑导电基底透过率的情况下,ηLHE(λ)主要由半导体二氧化钛薄膜及其所吸附的染料决定.在本文中,所有电池所用的TiO2薄膜和染料相同,因此可认为电池的ηLHE(λ)相等.如图7所示,离子液体DSC的IPCE值略高于QS-DSC,一方面是由于QS-DSC的ηcoll较低,另一方面是因为QS-DSC中TiO2导带边向负电势方向移动,使ηinj降低造成的.

图7为基于离子液体电解质和离子凝胶电解质的DSC在AM 1.5,强度为100 mW·cm-2的光照下获得的光电流-光电压特性曲线.电池的光伏性能参数:开路电压(Voc),短路电流密度(Jsc),填充因子(FF)以及光电转换效率(η)的数据列于表3中.由表3可以得到,两种电池的FF相近,但离子液体电池的Voc和Jsc略高于QS-DSC.虽然在QS-DSC中,TiO2导带边向负电势方向移动,但电子在TiO2光阳极和电解质界面处与I3-复合过程变快,即暗电流变大(如图7所示),最终导致QS-DSC的Voc低于对应的离子液体DSC.此外,根据公式(5)可以得到Jsc.

其中,q为基元电荷,I0为光强.25两种电池IPCE的差别导致QS-DSC比离子液体DSC的Jsc略低.较低的Voc和Jsc最终使得基于离子凝胶电解质的QS-DSC的光电转换率(3.44%)低于离子液体DSC的光电转换效率(3.73%).

3.7 准固态DSC稳定性的研究

图7 基于ILE和IGE的DSCs在AM 1.5 (100 mW·cm-2)光照及暗态条件下的J-V曲线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 电池的光伏性能参数Table 3 Photovoltaic characteristics of cells

图8 基于ILE和IGE的DSCs(覆盖滤紫外膜)在AM 1.5 (100 mW·cm-2)及50°C条件下的持续老化1000 h的归一化效率的变化曲线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

虽然离子凝胶DSC的光电转换效率略低于离子液体DSC的,但加速光热老化测试结果表明,离子凝胶电池的稳定性明显优于对应的离子液体电池.图8为离子液体电池和离子凝胶电池在AM 1.5 (100 mW·cm-2)及50°C条件下持续老化1000 h的稳定性曲线.如图8所示,经1000 h加速老化后,离子凝胶电池保持光电转换效率初始值不变,而离子液体电池的光电效率衰减为初始值的86%.这表明离子凝胶电解质具有良好的本征稳定性,胶凝剂分子组装形成的凝胶网络结构有效抑制了离子液体的泄漏从而提高了DSC的稳定性.

4 结论

合成了N,N'-1,5-戊二基双月桂酰胺作为有机小分子胶凝剂,制备了基于HMII离子液体的离子凝胶电解质,并制备准固态电池.对电池内部电子传输和电子复合动力学过程的分析结果表明,离子液体电解质的凝胶化使电池内部TiO2光阳极/电解质界面处电子与电解质中I3-离子的复合速率加快,导致准固态电池的电子寿命缩短,暗电流增大并使开路电压降低.同时,由于凝胶电解质中Li+离子与胶凝剂分子的酰胺基团相互作用使Li+在多孔TiO2薄膜上的吸附减少,并使电子注入效率降低,从而使离子凝胶电池的IPCE和短路电流密度略低于离子液体电池的水平.虽然离子凝胶电池的光电转换效率略低于离子液体电池,但由于离子凝胶电解质具有较高的相转变温度(Tgel=104.7°C)及良好的本征热稳定性,离子凝胶电池在光强为AM 1.5(100 mW· cm-2)及50°C条件下的持续加速老化1000 h过程中表现出优良的稳定性,并且明显优于离子液体电池,这对染料敏化太阳电池的实用化具有十分重要的意义.

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.; Grätzel,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,韩士奎.物理化学学报,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,杨燕珍,史成武,吴玉程,吴小燕.物理化学学报,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.[李闻哲,王立铎,高 瑞,董豪鹏,牛广达,郭旭东,邱 勇.物理化学学报,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.;Grätzel,M.Nat.Mater.2003,2(6),402.doi: 10.1038/nmat904

(17) Wang,Q.;Moser,J.E.;Grätzel,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.;Grätzel,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).

国家重点基础研究发展规划项目(973)(2011CBA00700),国家高技术研究发展计划项目(863)(2011AA050510)及国家自然科学基金项目

(21103197,21173227,21273242)资助