太阳能电池-第一部分

基本原理和测试方法

目的

本报告是关于一系列燃料敏化太阳能电池性能测试的一部分。主要讨论了评价太阳能电池性能所需的理论和各种类型的试验。第一部分讨论了太阳能电池的基本原理,装置和电化学基础。另外,通过基本的电化学试验来表怔太阳能电池。

介绍

化石燃料不足,逐渐升高的原油价格,对传统能源(比如火力发电厂或者核电站)的抑制,可再生能源成为关注的焦点。水利发电,风能,地热能和生物质能都是典型的可再生能源。

另外一种重要的可再生能源是太阳能。目前广泛使用的是光伏和太阳能集热器。

此应用报告中讨论的燃料太阳能电池属于薄膜电池。又可被称为燃料敏化太阳能电池(DSC)或者以对发展新型电池作出贡献的瑞士科学家Michael Grätzel 命名的Grätzel电池。

DSC的制造简单,成本较低,并且使用环境友好型材料。DSC能量转换效率高(大约10-14%),即使在低日光下。

然而,其一个主要缺点就是液体电解质对温度较为敏感。因此,许多研究是为了提高电解液的性能和电池的稳定性。

理论

DSC的设置


图1是DSC的简化图。

a simplified diagram of a dye solar cellFigure 1 –染料敏化太阳能电池简化图。详细内容见下文

DSC的阳极是由覆有透明导电氧化物的玻璃板组成。常用的有铟锡氧化物和氟参杂氧化锡。薄膜覆有一层薄薄的TiO2。半导体由于其多孔性具有很大的比表面积。

阳极浸泡于与TiO2结合在一起的染料溶液。染料又称感光剂,大多数是钌络合物或者有机金属化合物。为了演示,也可用纯果汁,如黑莓汁或者石榴汁。它们含有将光能转化为电能的染料。

DSC的阴极是覆有Pt层的玻璃板,Pt起催化剂的作用。电解液是I-/I3-溶液。

两个电极被压在一起并密封,以防电池泄露。当染料敏化太阳能电池受到光照时,外部会产生电流。

染料敏华太阳能电池的原理

顾名思义,染料敏化太阳能电池的机理是基于光电化学基础上。 图2描述了染料敏化太阳能电池的能级图。以下部分描述的都是相关的电化学过程。

energy diagram of a dye solar cell图2 – 染料敏化太阳能电池的能级图。红色标记部分的单独步骤会在下文中解释。

步骤1:染料分子最初处于基态(S)。阳极半导体材料在这一能级下(价带附近)没有导电性。

当光照射到电池时,染料分子被激发至更高能级(S*),如式1所示。

light shines on the cell, dye molecules get excited from their ground state to aEq. 1

被激发的染料分子具有更高能量,能够越过半导体的带隙。

步骤2:激发态染料分子(S*)被氧化(如式2),产生的电子注入到半导体带隙中

 

The excited dye molecule is oxidized Eq. 2

在这一能级半导体处于导电状态,电子可以自由移动。然后电子通过扩散转移到阳极的集流体中。

步骤3:氧化后的染料分子(S+)被电解液中氧化还原电对还原(如式3)。

oxidized dye moleculeEq. 3

步骤4:I-/I3-氧化还原电对在阴极重新生成。I3-被还原成I-

Triiodide is reduced to iodide Eq. 4

重要的参数

光照射在太阳能电池上时会产生电流。输出电流的大小很大程度上取决于电池的电位,以及入射光的强度。

类似于标准循环伏安试验,施加一定的电位,从初始电位扫描至终止电位,测量电池的电流。另外,具有恒定强度的光源聚焦在太阳能电池上产生电力。

图3显示了太阳能电池在逐渐增强光照下和没有光照的典型IV曲线。

a typical I V curve of a solar cell for increasing light intensitiesFigure 3 –有光源和无光源下IV曲线示意图。详细内容如下文。

无光照时,染料敏化太阳能电池的行为类似一个二极管。没有电流产生,电池需要供电。

当有光照时,IV曲线明显下移。随着光照强度的增加,太阳能电池产生的电流逐渐增大。

在低电压下电流大小基本不变。电位为0时,电流达到最大值。随着电压的增大,电流逐渐减小。在开路电位下,电流为0。高于开路电位,需要有外部电压给电池供电。电压过大时,电池就会损坏。

来源于IV曲线的参数会在下文讨论。图4是IV曲线包含参数的示意图。

I V curve and power curve of a solar cellFigure 4 –太阳能电池IV曲线和功率曲线的示意图。图中显示了一些重要的参数。详细内容见下文。

短路电流

短路电流ISC是太阳能电池的最大电流。此时的电池电压为0 V。因此产生的功率为0。

The short circuit current-highest current drawn from a solar cellEq. 5

短路电流随着光照强度的增加而增大。

开路电位

开路电位EOC是太阳能电池在给定光照强度下的最大电压。也是流经电池的电流为0时的电压。

open circuit potential s the highest voltage of a solar cell Eq. 6

EOC 随着光照强度的增加而增大。

功率

太阳能电池产生的功率P可由式7计算得出:

generated power of a solar cellEq. 7

可得到如图4所示的计算得出的功率对施加电位图。得到的功率曲线显示有功率最大值Pmax

填充系数

填充系数是表征电池整体的性能一个重要参数。它描述了太阳能电池的质量和理想状态。

填充系数是实际功率最大值Pmax 与理论功率最大值的比值。公式如下:

The Fill factor is the ratio of maximum generated power Eq. 8

EMP 和IMP 是IV曲线中在最大功率值处的电位和电流。

填充系数也可由IV曲线中的矩形表示。图5是示意图。

The Fill factor represented in an I V curveFigure 5 – 填充系数的图解示意图。详细内容如下。

理想情况下,IV曲线是个矩形(绿色部分)。功率最大值在(EOC,ISC)处,填充系数为1。

然而,非理想条件会引起寄生效应,使得最大功率值减小,IV曲线变圆滑。代表最大功率值的实际区域(蓝色矩形)比较小。覆盖了EMP和IMP

注意填充系数不等于太阳能电池的效率。

串联和并联电阻

之前提到过,太阳能电池的由内电阻产生的寄生效应导致功率降低。内电阻可用串联电阻和并联电阻描述。

图6和图7 电阻如何影响IV曲线的形状。

Effect of the series resistance on the shape of an I-V curveFigure 6 –串联电阻对IV曲线形状的影响。

串联电阻的大小可以由开路电位附近的斜率的倒数得到(如图6所示)。

理想情况下串联电阻应该为0。然而,电池的金属接触电阻或者溶液电阻引起额外的电压降。因此,开路电位处的曲线斜率随着串联电阻值的增大而减小。因此,曲线下的面积和功率最大值也逐渐减小。

注意开路电位不受串联电阻的影响,因为电流为0。短路电流也不受串联电阻的影响。只有很大的值才能导致短路电流的减小。

Effect of the shunt resistance RSH on the shape of an I V curveFigure 7 –并联电阻对IV曲线形状的影响。

并联电阻可由短路电流处曲线斜率倒数得到(如图7)。理想情况下,并联电阻无限大,使得无需存在其他的电流途径。并联电阻越小,短路电流附近IV曲线斜率越大。这也导致开路电位减小。

并联电阻可用并联电阻器来模拟。主要是由电池中的杂质或者制造过程的缺陷引起的泄露电流造成的。

小的并联电阻会对最大功率值,填充因子和功率造成消极的影响。

注意:串联电阻和并联电阻只能分别由开路电位和短路电流附近的斜率计算得到。

 

效率

效率η是产生的最大功率值Pmax 和来自光源的电输入效率的比值。

calculating light powerEq. 9

为了计算效率,需要知道入射光的功率。

注意:更多关于计算光源功率的信息,请参考Gamry的技术报告:Measuring the Optical Power of your LED

试验

以下部分讨论了染料敏化太阳能电池的各种测试方法。所有DSC附件来自Solaronix。太阳能电池的电极式二氧化钛和铂。电解液是50mM溶于乙腈的一价碘和三价碘。染料是Ruthenizer 535‑bisTBA。电池的有效面积是0.64 cm2

图8显示了一系列IV曲线随着光源强度变化(从亮到暗)的变化图。电池的电位循环扫描区间为0V到开路电位。扫描速率为5 mV/s,以确保电池工作处于稳定状态。

每条曲线的红光(625 nm)的光强从5.1 mW到37.2 mW逐步增强。只显示了每个光强最后向前周期。光源与电池之间的距离是3cm。

I-V curves with increasing light intensities from bright to darkFigure 8 –随着光强增加(从亮到暗)一系列IV曲线。详细内容如下文。

正如预期的,电流随着光强的增加而增大。另外,开路电位移至更高值。因此,太阳能电池产生的功率也增大。图9显示了相应的功率曲线。

series of power curves with increasing light intensitiesFigure 9 –随着光强增加(从亮到暗)相应的一系列功率曲线图。

最大功率值稍稍向负电流和正电位方向移动。

下表列出了从图8中IV和功率曲线得到的各个参数。

 

Pin [mW]

ISC [µA]

EOC [mV]

Pmax [µW]

Ptheo [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

Table 1 –从图8中IV和功率曲线得到的各个参数

填充因子基本保持不变,大约为0.78。在低光强下较小。

效率总体上较低,大约为0.6%。就这点而言,注意试验中用到的是在狭窄波长范围的红光。效率随着光强的增加稍稍降低。

另外,可由IV曲线斜率预估得到串联电阻和并联电阻(图6和图7)。表2列出了从图8 IV曲线计算得出的电阻值。

Pin
[mW]

RS @ EOC
[Ω]

RSH @ ISC
[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

Table 2 – 不同光强下的串联和并联电阻

 

结果显示,RS 和 RSH随着光强的增加而减小。低RS值趋向于增大的填充因子和效率。然而,RSH值的降低会对电池的性能产生消极影响。

两种趋势都可以解释为电池内部温度的升高导致导电性的增加。以下部分解释了温度对DSC的影响。同时阐述了用DSC做实验时需要考虑到的问题。

测试太阳能电池时的困难

温度的改变

温度的改变会影响染料敏化太阳能电池的性能。当受到光照时,太阳能电池会升温。这会影响电池的填充因子和效率。

因包含半导体材料,太阳能电池对温度的变化较为敏感。半导体的带宽随温度的升高而变窄(如图2所示)。

一方面这会导致导电性的升高。因此,短路电流会增大。另一方面,开路电位会减小。图10解释了这一影响。

对于这一试验,光照射在冷的太阳能电池上并测试了一系列IV曲线。光强控制在37.2 mW.

 I-V curves at different cyclesFigure 10 –不同循环下的IV曲线。图中显示第1,5,10,20,30,40,50,60和70次的曲线。详细内容如下文所述。

初始时,入射光使得太阳能电池缓慢升温。在这一阶段,短路电流和开路电位显著漂移,Isc和Eoc附近的斜率也发生改变。

直到循环40次后,当电池温度稳定,IV曲线开始重叠。

 

注意:为获得正确的数据,电池温度稳定是必要的。多次循环后可以确认温度是否稳定。只有重叠的数据才能用来最后的计算。

扫描速率

在测量IV曲线时另一个相关参数就是扫描速率。扫描速率越快,会导致正逆循环之间明显的滞后现象(图11所示)。

Hysteresis effect between forward and reverse cycle during an IV experimentFigure 11 – IV测试时正逆循环之间的滞后影响。

光造成电池的化学变化,引起极化,导致滞后现象的产生。正逆循环之间不一致导致数据分析越困难,也会引起错误的结果。为了选用合适的扫描速率,我们建议调整扫描速率来进行多次循环。

低扫速会带来较长的测试时间,但是会减小滞后影响。另外,低扫速可保持电池的稳定状态。如果IV曲线显示较小的滞后现象,可以平均一下正逆循环的数据。

总结

这篇应用报告与测试染料敏化太阳能电池有关。讨论了基本原理和设置。另外,解释和计算了一些重要的参数。

测试真实染料敏化太阳能电池时使用的是红光。测得了IV曲线并转换成功率曲线。这两种曲线都是用来计算表征太阳能电池性能的几种重要的参数。

最后,希望提供宝贵的建议,更好的保证可靠的测试方法和结果。