Application of a composite polymer electrolyte based on montmorillonite in dye-sensitized solar cells

Abstract

Neste trabalho um eletrólito polimérico nanocompósito baseado em uma argila do tipo montmorilonita e um polímero derivado do poli(óxido de etileno) plastificado com -butirolactona foi preparado e caracterizado. Apesar da adição de plastificantes à matriz polimérica aumentar a condutividade iônica de eletrólitos poliméricos, a adição de grande quantidade desses aditivos compromete as propriedades mecânicas do sistema, de tal maneira que o ganho em condutividade não compense a perda na natureza "sólida" do meio eletrolítico. Filmes do eletrólito nanocompósito contendo diferentes concentrações de argila foram caracterizados por análise térmica e mecânica e por espectroscopia de impedância eletroquímica. A adição de montmorilonita resultou numa melhora das propriedades mecânicas do eletrólito, além de contribuir para um aumento da condutividade iônica do sistema. O eletrólito compósito foi aplicado em uma célula solar de TiO 2 /corante pela primeira vez, resultando em um dispositivo com eficiência superior a 3% sob irradiação de 10 mW cm -2 .In this work we report for the first time the preparation and characterization of a novel composite polymer electrolyte based on montmorillonite clay and a poly(ethylene oxide) derivative plasticized with -butyrolactone and its application in dye sensitized solar cells. Although the plasticizers enhance the ionic conductivity of the polymer electrolytes, they compromise the mechanical stability of the whole system and make the practical application of these devices difficult. Films with composite polymer electrolytes containing different clay content were analyzed by thermal and mechanical analysis and electrochemical impedance spectroscopy. We observed that the addition of the inorganic particles to the polymer matrix promotes not only an enhancement in the mechanical properties but also contributes to the increase the of ionic conductivity of the system. A solid-state dye-sensitized solar cell was assembled for this first time with the electrolyte containing montmorillonite clay, displaying efficiencies higher than 3% at 10 mW cm -2 .Keywords: MMT clay, composite polymer electrolyte, ionic conductivity, dye sensitized solar cells IntroductionSince Grätzel's announcement of the first dye-sensitized nanocrystalline solar cells (DSSC) 1 as promising, low cost, clean, and highly efficient devices for solar energy conversion, many groups have focused their efforts on improving and comprehending this technology in its different aspects. The liquid electrolyte usually employed in this cell is still a drawback for long-term practical operation due to electrolyte leakage or evaporation. It makes the large scale production difficult and causes substantial problems to bring DSSC onto the market. To overcome these problems, many research groups have been searching for alternatives to replace the liquid electrolytes, such as inorganic or organic hole conductors, 2-4 ionic liquids, 5,6 polymer 7-9 and gel electrolytes. [10][11][12][13][14] Our group has been working on DSSC using polymer el...

A polymer gel electrolyte composed of a poly(ethylene oxide) copolymer and the influence of its composition on the dynamics and performance of dye-sensitized solar cells

“…Nonetheless, such perfect seals are difficult to obtain and usually the use of a liquid component results in poor long-term stability and performance of the entire device. Many efforts have been investigated to overcome this drawback, replacing the liquid electrolyte by room temperature ionic liquids [3,4] organic and inorganic hole transport materials [5][6][7], polymer and gel electrolytes [8][9][10][11][12].…”

Células solares sensibilizadas por pontos quânticos

“…Este conceito de célula ficou comumente conhecida como célula de Grätzel, pela utilização de moléculas de corante orgânico como absorvedor de luz em um filme mesoporoso de TiO 2 , propiciando o seu aprimoramento a partir de diversas classes de corantes, como complexos inorgânicos a base de rutênio, 17,18 corantes naturais, [19][20][21] bem como diferentes aspectos, como utilização de eletrólitos polimé-ricos. 22,23 Estes dispositivos apresentaram considerável estabilidade, baixo custo e a eficiência de conversão certificada é de 11,9%, 6 no entanto, há relato de 13% de eficiência de conversão de energia, 24 que ainda não foi certificada pelo NREL, órgão certificador. Os corantes utilizados como sensibilizadores necessitam ter o espectro de absorção que cubra boa parte da região do visível, a banda de condução mais elevada do que a banda de condução do semicondutor, grupos de ancoragem (-COOH, -H 2 PO 3 , -SO 3 H, etc.)…”

Key technological elements in dye-sensitized solar cells (DSC)

“…Many other inorganic nanoparticles such as ZnO, Al 2 O 3 , and SiO 2 have been also used as a filler in PEs, giving reasonable performance [122][123][124][125]. Recently, an attempt using a clay as a filler has been tried in PEs [126]. In this study, DSCs with a composite of PEO and clay-like montmorillonite show high mechanical robustness but low efficiencies of 3.2% at 10 mW cm −2 due to the incomplete infiltration of the electrolyte into mesoporous TiO 2 films.…”