色素増感太陽電池用機能化グラフェンをベースとしたナノコンポジットゲルポリマー電解質の微細構造とレオロジー研究

Microstructural Development and Rheological Study of a Nanocomposite Gel Polymer Electrolyte Based on Functionalized Graphene for Dye-Sensitized Solar Cells.

• Pedram Manafi
• Hossein Nazockdast
• Mohammad Karimi
• Mojtaba Sadighi
• Luca Magagnin

抄録

液体電解質を用いた色素増感太陽電池（DSSC）では、デバイスの長期的な不安定性がイオン伝導度やセル性能に悪影響を及ぼすことが知られています。これらの問題は、いわゆる準固体電解質を用いることで解決することができる。グラフェンナノプレート（GNP）はイオン伝導性が高いにもかかわらず、その固有の凝集傾向があるため、準固体電解質への応用には限界がありました。本研究では、ポリエチレングリコール(PEG)を用いてアミド化反応を行い、ポリフッ化ビニリデン-コ-ヘキサフルオロプロピレン共重合体とポリエチレンオキサイド(PVDF-HFP/PEO)ポリマーをブレンドしたゲル電解質中に分散性のあるナノ構造体を作製した。0.75wt%の機能化グラフェンナノプレート(FGNP)を含む最適なナノコンポジットゲル電解質(GPE)を用いた場合、最大イオン伝導度(4.11×10S cm)が得られ、電力変換効率は5.45%となり、ナノ粒子を含まないGPE(1wt%のGNPを含む)と最適化したGPE(1wt%のGNPを含む)を用いた場合と比較して、それぞれ1.42%及び0.67%高い電力変換効率が得られた。FGNPの最適な用量を組み込んで、効果的にマトリックスのアモルファス領域で酸化還元活性種を動員することができる均質な粒子ネットワークを作製しました。表面形態の評価は、さらに走査型電子顕微鏡（SEM）を介して実行されました。レオロジー測定の結果、イオン液体（IL）の可塑化効果が明らかになり、ポリマーナノコンポジット内のポリマー-粒子相互作用についての適切な洞察が得られた。示差走査熱量測定（DSC）の調査に基づいて、ガラス転移温度の低下（および結果として生じる柔軟性の増加）は、ILとポリマー-ナノ粒子の相互作用の影響を強調した。得られた結果は、DSSCのためのFGNPの有効性を明らかにした。

For a liquid electrolyte-based dye-sensitized solar cell (DSSC), long-term device instability is known to negatively affect the ionic conductivity and cell performance. These issues can be resolved by using the so called quasi-solid-state electrolytes. Despite the enhanced ionic conductivity of graphene nanoplatelets (GNPs), their inherent tendency toward aggregation has limited their application in quasi-solid-state electrolytes. In the present study, the GNPs were chemically modified by polyethylene glycol (PEG) through amidation reaction to obtain a dispersible nanostructure in a poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoro propylene) copolymer and polyethylene oxide (PVDF-HFP/PEO) polymer-blended gel electrolyte. Maximum ionic conductivity (4.11 × 10 S cm) was obtained with the optimal nanocomposite gel polymer electrolyte (GPE) containing 0.75 wt% functionalized graphene nanoplatelets (FGNPs), corresponding to a power conversion efficiency of 5.45%, which was 1.42% and 0.67% higher than those of the nanoparticle-free and optimized-GPE (containing 1 wt% GNP) DSSCs, respectively. Incorporating an optimum dosage of FGNP, a homogenous particle network was fabricated that could effectively mobilize the redox-active species in the amorphous region of the matrix. Surface morphology assessments were further performed through scanning electron microscopy (SEM). The results of rheological measurements revealed the plasticizing effect of the ionic liquid (IL), offering a proper insight into the polymer-particle interactions within the polymeric nanocomposite. Based on differential scanning calorimetry (DSC) investigations, the decrease in the glass transition temperature (and the resultant increase in flexibility) highlighted the influence of IL and polymer-nanoparticle interactions. The obtained results shed light on the effectiveness of the FGNPs for the DSSCs.