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DSSC:染料敏化太阳能电池

基本原理和测量

本说明的目的

本申请说明是染料太阳能电池系列的一部分。讨论了太阳能电池表征所需的理论和各种类型的实验。

本系列的第1部分讨论了染料太阳能电池,其设置和底层电化学机制的基本原理。
另外,通过基本的电化学实验证明了染料太阳能电池的表征。

介绍

在化石燃料短缺时期,提高原油价格,以及抵抗传统能源(例如煤炭或核电厂),可持续能源形式变得越来越越来越重要。水电,风力,地热功率或生物质加工只有少数可持续资源。

可再生能源的另一个重要来源是太阳能。光伏和太阳能热收集器最广泛使用。

本申请说明中讨论的染料太阳能电池(DSCs)是薄膜细胞。它们也被称为染料敏化太阳能电池(DSSC)或以瑞士化学家MichaelGrätzel命名的Grätzel细胞,他们大大参与了新细胞类型的发展。

DSC的制造简单,大多是低成本,并包含环保材料。即使在阳光低通量下,它们也具有良好的效率(约10-14%)。

然而,主要缺点是液体电解质的温度敏感性。因此,大量研究正在提高电解质的性能和细胞稳定性。

理论

设置染料太阳能电池


图1显示了染料太阳能电池的简化图。

染料太阳能电池的简化图

图1- 简化了染料太阳能电池的设置。有关详细信息,请参阅文本。

DSC的阳极由玻璃板组成,玻璃板涂有透明导电氧化物(TCO)膜。氧化铟锡(ITO)或氟掺杂氧化锡最广泛使用。一层薄层二氧化钛(TiO2)用于薄膜上。由于其高孔隙率,所述半导体表现出高表面积。

阳极用染料溶液浸泡,染料溶液粘合到TiO2。染料 - 也称为光敏剂 - 主要是钌络合物或各种有机金属无氧化合物。为了说明目的,可以使用普通果汁(例如来自黑莓或石榴)。它们含有颜料,这些颜料也能够将光能转化为电能。

DSC的阴极是具有薄PT膜的玻璃板,其用作催化剂。碘化物/三碘化物溶液用作电解质。

两个电极都被压在一起并密封,使得电池不会泄漏。当光线闪耀在染料太阳能电池的阳极上时,可以为外部负载供电。

染料太阳能电池原理

众所周知,染料太阳能电池的机制基于光学电化学方法。图2描绘了染料太阳能电池的能量图。以下部分描述了所有相关的电化学过程。

染料太阳能电池的能量图

图2.- 染料太阳能电池的能量图。以红色突出显示的是文本中解释的所有单个步骤。

第1步:染料分子最初是其地位的。阳极的半导体材料处于该能级(在价带附近)不导电。

当光线闪耀在细胞上时,染料分子从地面状态兴奋到更高的能量状态(s*),见等式1。

光线闪耀在细胞上,染料分子从地面状态兴奋到a

eq。1

兴奋的染料分子现在具有更高的能量含量,并且克服了半导体的带隙。

第2步:兴奋的染料分子(s*)被氧化(参见公式2),并将电子注入到半导体的导通带中。当半导体在这种能级导电时,电子现在可以自由移动。

激发染料分子被氧化

eq。2

然后通过扩散工艺将电子传送到阳极的集电器。如果连接,可以为电负载供电。

第3步:氧化染料分子(s+通过电子捐赠从电解质中的碘化物再生(参见公式3)再生。

氧化染料分子

eq。3.

第四步:作为回报,通过减少阴极上的三碘化物再生碘化物(参见公式4)。

碘化物再生

eq。4.

重要参数

当光线照射时,太阳能电池产生电流。输出电流强烈取决于电池的电位以及入射光的强度。电流 - 潜在曲线(也称为I-V曲线)说明了这种关系。

类似于标准循环伏安法实验,施加电位E在初始和最终潜力之间施加并扫除。测量细胞的电流I。另外,具有恒定强度的光源集中在太阳能电池上以产生功率。

图3示出了用于增加光强度的太阳能电池的典型I-V曲线,并且当没有光线时。

用于增加光强度的太阳能电池的典型I V曲线

图3.- 具有和无光线的I-V曲线的示意图。有关详细信息,请参阅文本。

当没有光线时,染料太阳能电池的表现得像二极管。没有产生电流,需要为电池供电。

当光聚焦在DSC上时,I-V曲线进一步向下移动。现在,太阳能电池产生的电流随着越来越多的光强度而增加。

电流通量在较低电位下几乎是恒定的。当潜力为零时,它最大达到最大值。产生的电流随着潜力的增加而降低。在开路电位下为零。高于此潜力,需要外部偏置电压来为电池供电。细胞可以在过高的值下损坏。

可以从以下部分中讨论的I-V曲线派生几个参数。图4显示了包括参数的I-V曲线的示意性概述。

太阳能电池的曲线和电源曲线

图4.- 太阳能电池的示意图I V曲线和功率曲线。显示了几个重要参数。有关详细信息,请参阅文本。

短路电流

短路电流ISC是可以从太阳能电池汲取的最高电流。电池电压为零。因此,生成的功率也为零。

从太阳能电池汲取的短路电流最高电流

eq。5.

短路电流随着光强度的增加而增加。

开路电位

开路电位EOC是给定光强度的太阳能电池的最高电压。它也是电流通过太阳能电池的电流为零的潜力。

开路电位太阳能电池的最高电压

eq。6.

E.OC.随着光强度的增加而增加。

力量

太阳能电池的产生功率P可以通过以下公式计算:

产生太阳能电池的功率

eq。7.

计算的功率也可以绘制与施加的电位相比(见图4)。得到的功率曲线呈现功率最大p最大限度

填补因素

填充因子(FF)是指定单元格的整体功能的重要参数。它描述了太阳能电池的质量和理想性。

填充因子是最大产生功率P的比率最大限度到理论力量最大ptheo.太阳能电池。填充因子的通式是:

填充因子是最大产生功率的比率

eq。8.

E.MP.和我MP.是IV曲线的潜在和电流,其中产生的功率最大。

填充因子也可以由I-V曲线中的矩形表示。图5显示了示意图。

在I V曲线中表示的填充因子

图5.- 填充因子的图形插图。有关详细信息,请参阅文本。

在理想情况下,I-V曲线是矩形(绿色区域)。最大功率在e处OC.和我SC.并且填充因子是一个。

然而,由寄生效应引起的非理想条件降低了功率最大值,并且I-V曲线旋转。表示功率最大值(蓝色矩形)的生成的真区域较小。它被潜在的e覆盖MP.和现在的我MP.

注意,填充因子不等于太阳能电池的效率。

系列和分流抗性

如前所述,内部电阻引起的寄生效应导致太阳能电池中的功率损耗。这些电阻可以通过串联电阻来描述(rS.)和分流抗性(rSH.)。

图6和图7显示了两种电阻如何影响I-V曲线的形状。

串联电阻对I-V曲线形状的影响

图6.- 串联电阻r的效果S.关于I-V曲线的形状。

串联电阻R.S.可以通过斜率附近的斜率的逆估计(见图6)。

理想情况下,串联电阻为零。然而,金属触头或堆积基板的电阻导致电池内的附加电压降。结果,曲线附近的曲线斜率OC.随着r增加而减少S.。因此,曲线下的面积和最大值最大值。

注意开路电位eOC.不受r的影响S.因为电流为零。短路电流也不受卢比的影响。只有非常大的值可能导致我的减少SC.

分流电阻rsh对I V曲线形状的影响

图7.- 分流电阻r的影响SH.关于I V曲线的形状。

R.SH.可以通过短路电流i附近的反斜斜率估算SC.(见图7)。在理想情况下,这种阻力是无限的,因此不存在额外的电流路径。较低的R.SH.I V曲线的斜率越多,短路电流附近增加。这也导致较小的开路电位eOC.

分流电阻R.SH.可以由并联电阻建模。它主要由漏电流通过通过制造过程中的杂质或缺陷引起的细胞引起的。

功率最大,填充因子和效率受到小分流电阻的负面影响。


笔记
不要忘记r的计算S.和R.SH.应仅在开路电位和短路电流附近用作估计。

效率

效率η是最大产生功率P之间的比率最大限度和电气输入功率p来自光源。

计算光功率

eq。9.

为了计算效率,必须知道入射光销的功率。

笔记:有关计算灯功率的更多信息,请参阅Gamry的技术说明:betway推荐测量LED的光功率

实验

以下部分描述了染料太阳能电池的各种实验。所有DSC配件都来自SolarOnix。太阳能电池使用二氧化钛和铂电极。电解质是乙腈中的50mM碘化物/三碘化物溶液。Ruthenizer 535-Bistba用作染料。电池的有源区为0.64厘米2

图8显示了一系列I-V曲线,随着光强度的增加(从明亮到黑暗)。太阳能电池的电位在0V和开放电路电位之间扫描到几个循环。扫描率为5 MV / s以确保稳态电池操作。

对于每条曲线,红色LED(625nm)的光强度从5.1 mw增加到37.2 mw。仅示出了每个强度的最后前周期。LED和染料太阳能电池之间的距离为3厘米。

i-v曲线随着亮点的光强度增加到黑暗

图8.- 具有增加光强度的I-V曲线系列(从明亮到黑暗)。有关详细信息,请参阅文本。

正如预期的那样,随着光强度的增加,电流增加。此外,开路电位电位转移到更高的值。因此,太阳能电池的产生功率正在增加。图9显示了相应的功率曲线。

随着光强度增加的电力曲线系列

图9.- 相应的电力曲线系列随着光强度的增加(从明亮到黑暗)。

电源最大p最大限度略微向更大的负电流和更高的电位转移。

下表列出了几种参数,可以从图8和图9所示的I V曲线和功率曲线评估。

P.[MW]

一世SC.[μa]

E.OC.[mv]

P.最大限度[μW]

P.theo.[μW]

FF.
[%]

η.
[%]

5.1

-72.0

576.7

-29.2

-41.5

0.70

0.58

14.9

-192.5

601.8

-89.9

-115.8.

0.78

0.60

23.9

-295.5

615.8

-140.7

-182.0

0.77

0.59

31.5

-366.7.

624.3.

-179.0

-228.9

0.78

0.57

37.2

-422.3.

629.8.

-208.5.

-266.0

0.78

0.56

表格1- 由I V曲线和功率曲线计算的参数摘要。

填充因子在约0.78左右保持几乎恒定。在低光强度下较小。

效率一般非常低,约0.6%。在这方面,注意这些实验中使用具有窄波长范围的红色LED。随着光强度的增加,效率略有降低。

另外,rS.和R.SH.可以从I-V曲线的斜率估计(参见图6和图7)。表2总结了图8所示I-V曲线的计算电阻列表。

P.
[MW]

R.S.@ E.OC.
[ω]

R.SH.@ 一世SC.
[kΩ]

5.1

792.

41.0

14.9

413.

21.2

23.9

328.

17.7

31.5

260.

15.2

37.2

227.

13.2

表2.- 计算出的串联电阻Rs和分流电阻RSH用于不同的光强度。

结果表明都是rS.和R.SH.随着光强度的增加,正在减少。降低r.S.- 值倾向于提高DSC的填充因子和效率。但是,减少rSH.-Values可以对DSC的性能产生负面影响。

这两个趋势都可以通过在细胞内较高温度引起的导电性来解释。以下部分解释了温度对DSC的影响。它还解决了各种问题,应考虑到DSC的实验。

测量太阳能电池时的困难

温度变化

温度变化会影响染料太阳能电池的性能。当光线闪耀在细胞上时,染料太阳能电池会升温。这会影响填充因子以及DSC的效率。

染料太阳能电池对温度变化非常敏感,因为它们包含半导体材料。半导体的带隙随着温度的增加而变窄(参见图2)。

这一方面引导到上升的导电性。结果,短路电流正在增加。另一方面,开路电位正在降低。图10说明了这种效果。

对于该实验,光聚焦在冷DSC上,并测量几种连续的I-V曲线(从明亮至暗)。光强度在37.2兆瓦保持恒定。

I-V在不同的循环曲线

图10.- I V在不同周期的曲线。示出了第一,第五,第10,第20次,第30,40,第50,60,60和第70周期(从明亮到暗)。有关详细信息,请参阅文本。

最初,入射光慢慢加热太阳能电池。在该阶段,短路电流和开路电位显着漂移,靠近i附近的曲线倾斜SC.和E.OC.正在发生变化。

当电池温度稳定时,I-V曲线在40次循环后开始重叠。

笔记:对于正确的数据评估,有必要稳定细胞温度。运行几个连续循环有助于验证温度是恒定的。只有重叠I-V曲线的数据应该用于最终计算。

扫描速度

测量I-V曲线时的另一个相关参数是扫描速率。高扫描速率可能导致正向和反向周期之间的显着滞后(见图11)。

IV实验期间正向和反向周期之间的滞后效应

图11.- IV实验期间正向和逆转周期之间的滞后效应。

滞后主要是由极化效应以及光线诱导的细胞化学变化引起的。正向和反向周期之间的差异使数据评估更加困难,可以导致错误的结果。为了找到合适的扫描速率,我们建议您在调整扫描速率时执行多个周期。

低扫描速率增加测量时间,但它们会降低滞后效果。此外,低扫描速率允许稳态单元格操作。如果I-V曲线仅显示轻微的滞后,则可以将正向和反向循环的数据一起平均在一起。

概括

本申请说明涉及染料太阳能电池(DSC)的测量。讨论了基本原理和DSC的设置。此外,解释和计算了几个重要参数。

使用红色LED进行实际DSC的实验。测量I-V曲线并转换为功率曲线。两条曲线用于计算不同的重要参数以表征DSC。

最后,提供了有用的建议,以获得更好,更可靠的测量和结果。

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