太陽能電池-基本原理和測試方法
目的
本報告是關(guān)于一系列燃料敏化太陽能電池性能測試的一部分。主要討論了評價太陽能電池性能所需的理論和各種類型的試驗。這部分討論了太陽能電池的基本原理,裝置和電化學(xué)基礎(chǔ)。另外,通過基本的電化學(xué)試驗來表怔太陽能電池。
介紹
化石燃料不足,逐漸升高的原油價格,對傳統(tǒng)能源(比如火力發(fā)電廠或者核電站)的抑制,可再生能源成為關(guān)注的焦點。水利發(fā)電,風(fēng)能,地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能都是典型的可再生能源。
另外一種重要的可再生能源是太陽能。目前廣泛使用的是光伏和太陽能集熱器。
此應(yīng)用報告中討論的燃料太陽能電池屬于薄膜電池。又可被稱為燃料敏化太陽能電池(DSC)或者以對發(fā)展新型電池作出貢獻(xiàn)的瑞士科學(xué)家Michael Grätzel 命名的Grätzel電池。
DSC的制造簡單,成本較低,并且使用環(huán)境友好型材料。DSC能量轉(zhuǎn)換效率高(大約10-14%),即使在低日光下。
然而,其一個主要缺點就是液體電解質(zhì)對溫度較為敏感。因此,許多研究是為了提高電解液的性能和電池的穩(wěn)定性。
理論
DSC的設(shè)置
圖1是DSC的簡化圖。
Figure 1 –染料敏化太陽能電池簡化圖。詳細(xì)內(nèi)容見下文
DSC的陽極是由覆有透明導(dǎo)電氧化物的玻璃板組成。常用的有銦錫氧化物和氟參雜氧化錫。薄膜覆有一層薄薄的TiO2。半導(dǎo)體由于其多孔性具有很大的比表面積。
陽極浸泡于與TiO2結(jié)合在一起的染料溶液。染料又稱感光劑,大多數(shù)是釕絡(luò)合物或者有機(jī)金屬化合物。為了演示,也可用純果汁,如黑莓汁或者石榴汁。它們含有將光能轉(zhuǎn)化為電能的染料。
DSC的陰極是覆有Pt層的玻璃板,Pt起催化劑的作用。電解液是I-/I3-溶液。
兩個電極被壓在一起并密封,以防電池泄露。當(dāng)染料敏化太陽能電池受到光照時,外部會產(chǎn)生電流。
染料敏華太陽能電池的原理
顧名思義,染料敏化太陽能電池的機(jī)理是基于光電化學(xué)基礎(chǔ)上。 圖2描述了染料敏化太陽能電池的能級圖。以下部分描述的都是相關(guān)的電化學(xué)過程。
圖2 – 染料敏化太陽能電池的能級圖。紅色標(biāo)記部分的單獨步驟會在下文中解釋。
步驟1:染料分子初處于基態(tài)(S)。陽極半導(dǎo)體材料在這一能級下(價帶附近)沒有導(dǎo)電性。
當(dāng)光照射到電池時,染料分子被激發(fā)至更高能級(S*),如式1所示。
Eq. 1
被激發(fā)的染料分子具有更高能量,能夠越過半導(dǎo)體的帶隙。
步驟2:激發(fā)態(tài)染料分子(S*)被氧化(如式2),產(chǎn)生的電子注入到半導(dǎo)體帶隙中
Eq. 2
在這一能級半導(dǎo)體處于導(dǎo)電狀態(tài),電子可以自由移動。然后電子通過擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到陽極的集流體中。
步驟3:氧化后的染料分子(S+)被電解液中氧化還原電對還原(如式3)。
Eq. 3
步驟4:I-/I3-氧化還原電對在陰極重新生成。I3-被還原成I-。
Eq. 4
重要的參數(shù)
光照射在太陽能電池上時會產(chǎn)生電流。輸出電流的大小很大程度上取決于電池的電位,以及入射光的強(qiáng)度。
類似于標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)伏安試驗,施加一定的電位,從初始電位掃描至終止電位,測量電池的電流。另外,具有恒定強(qiáng)度的光源聚焦在太陽能電池上產(chǎn)生電力。
圖3顯示了太陽能電池在逐漸增強(qiáng)光照下和沒有光照的典型IV曲線。
Figure 3 –有光源和無光源下IV曲線示意圖。詳細(xì)內(nèi)容如下文。
無光照時,染料敏化太陽能電池的行為類似一個二極管。沒有電流產(chǎn)生,電池需要供電。
當(dāng)有光照時,IV曲線明顯下移。隨著光照強(qiáng)度的增加,太陽能電池產(chǎn)生的電流逐漸增大。
在低電壓下電流大小基本不變。電位為0時,電流達(dá)到大值。隨著電壓的增大,電流逐漸減小。在開路電位下,電流為0。高于開路電位,需要有外部電壓給電池供電。電壓過大時,電池就會損壞。
來源于IV曲線的參數(shù)會在下文討論。圖4是IV曲線包含參數(shù)的示意圖。
Figure 4 –太陽能電池IV曲線和功率曲線的示意圖。圖中顯示了一些重要的參數(shù)。詳細(xì)內(nèi)容見下文。
短路電流
短路電流ISC是太陽能電池的大電流。此時的電池電壓為0 V。因此產(chǎn)生的功率為0。
Eq. 5
短路電流隨著光照強(qiáng)度的增加而增大。
開路電位
開路電位EOC是太陽能電池在給定光照強(qiáng)度下的大電壓。也是流經(jīng)電池的電流為0時的電壓。
Eq. 6
EOC 隨著光照強(qiáng)度的增加而增大。
功率
太陽能電池產(chǎn)生的功率P可由式7計算得出:
Eq. 7
可得到如圖4所示的計算得出的功率對施加電位圖。得到的功率曲線顯示有功率大值Pmax。
填充系數(shù)
填充系數(shù)是表征電池整體的性能一個重要參數(shù)。它描述了太陽能電池的質(zhì)量和理想狀態(tài)。
填充系數(shù)是實際功率大值Pmax 與理論功率大值的比值。公式如下:
Eq. 8
EMP 和IMP 是IV曲線中在大功率值處的電位和電流。
填充系數(shù)也可由IV曲線中的矩形表示。圖5是示意圖。
Figure 5 – 填充系數(shù)的圖解示意圖。詳細(xì)內(nèi)容如下。
理想情況下,IV曲線是個矩形(綠色部分)。功率大值在(EOC,ISC)處,填充系數(shù)為1。
然而,非理想條件會引起寄生效應(yīng),使得大功率值減小,IV曲線變圓滑。代表大功率值的實際區(qū)域(藍(lán)色矩形)比較小。覆蓋了EMP和IMP。
注意填充系數(shù)不等于太陽能電池的效率。
串聯(lián)和并聯(lián)電阻
之前提到過,太陽能電池的由內(nèi)電阻產(chǎn)生的寄生效應(yīng)導(dǎo)致功率降低。內(nèi)電阻可用串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻描述。
圖6和圖7 電阻如何影響IV曲線的形狀。
Figure 6 –串聯(lián)電阻對IV曲線形狀的影響。
串聯(lián)電阻的大小可以由開路電位附近的斜率的倒數(shù)得到(如圖6所示)。
理想情況下串聯(lián)電阻應(yīng)該為0。然而,電池的金屬接觸電阻或者溶液電阻引起額外的電壓降。因此,開路電位處的曲線斜率隨著串聯(lián)電阻值的增大而減小。因此,曲線下的面積和功率大值也逐漸減小。
注意開路電位不受串聯(lián)電阻的影響,因為電流為0。短路電流也不受串聯(lián)電阻的影響。只有很大的值才能導(dǎo)致短路電流的減小。
Figure 7 –并聯(lián)電阻對IV曲線形狀的影響。
并聯(lián)電阻可由短路電流處曲線斜率倒數(shù)得到(如圖7)。理想情況下,并聯(lián)電阻無限大,使得無需存在其他的電流途徑。并聯(lián)電阻越小,短路電流附近IV曲線斜率越大。這也導(dǎo)致開路電位減小。
并聯(lián)電阻可用并聯(lián)電阻器來模擬。主要是由電池中的雜質(zhì)或者制造過程的缺陷引起的泄露電流造成的。
小的并聯(lián)電阻會對大功率值,填充因子和功率造成消極的影響。
注意:串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻只能分別由開路電位和短路電流附近的斜率計算得到。 |
效率
效率η是產(chǎn)生的大功率值Pmax 和來自光源的電輸入效率的比值。
Eq. 9
為了計算效率,需要知道入射光的功率。
注意:更多關(guān)于計算光源功率的信息,請參考Gamry的技術(shù)報告:Measuring the Optical Power of your LED |
試驗
以下部分討論了染料敏化太陽能電池的各種測試方法。所有DSC附件來自Solaronix。太陽能電池的電極式二氧化鈦和鉑。電解液是50mM溶于乙腈的一價碘和三價碘。染料是Ruthenizer 535?bisTBA。電池的有效面積是0.64 cm2。
圖8顯示了一系列IV曲線隨著光源強(qiáng)度變化(從亮到暗)的變化圖。電池的電位循環(huán)掃描區(qū)間為0V到開路電位。掃描速率為5 mV/s,以確保電池工作處于穩(wěn)定狀態(tài)。
每條曲線的紅光(625 nm)的光強(qiáng)從5.1 mW到37.2 mW逐步增強(qiáng)。只顯示了每個光強(qiáng)后向前周期。光源與電池之間的距離是3cm。
Figure 8 –隨著光強(qiáng)增加(從亮到暗)一系列IV曲線。詳細(xì)內(nèi)容如下文。
正如預(yù)期的,電流隨著光強(qiáng)的增加而增大。另外,開路電位移至更高值。因此,太陽能電池產(chǎn)生的功率也增大。圖9顯示了相應(yīng)的功率曲線。
Figure 9 –隨著光強(qiáng)增加(從亮到暗)相應(yīng)的一系列功率曲線圖。
大功率值稍稍向負(fù)電流和正電位方向移動。
下表列出了從圖8中IV和功率曲線得到的各個參數(shù)。
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 –從圖8中IV和功率曲線得到的各個參數(shù)
填充因子基本保持不變,大約為0.78。在低光強(qiáng)下較小。
效率總體上較低,大約為0.6%。就這點而言,注意試驗中用到的是在狹窄波長范圍的紅光。效率隨著光強(qiáng)的增加稍稍降低。
另外,可由IV曲線斜率預(yù)估得到串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻(圖6和圖7)。表2列出了從圖8 IV曲線計算得出的電阻值。
Pin | RS @ EOC | RSH @ ISC |
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 – 不同光強(qiáng)下的串聯(lián)和并聯(lián)電阻
結(jié)果顯示,RS 和 RSH隨著光強(qiáng)的增加而減小。低RS值趨向于增大的填充因子和效率。然而,RSH值的降低會對電池的性能產(chǎn)生消極影響。
兩種趨勢都可以解釋為電池內(nèi)部溫度的升高導(dǎo)致導(dǎo)電性的增加。以下部分解釋了溫度對DSC的影響。同時闡述了用DSC做實驗時需要考慮到的問題。
測試太陽能電池時的困難
溫度的改變
溫度的改變會影響染料敏化太陽能電池的性能。當(dāng)受到光照時,太陽能電池會升溫。這會影響電池的填充因子和效率。
因包含半導(dǎo)體材料,太陽能電池對溫度的變化較為敏感。半導(dǎo)體的帶寬隨溫度的升高而變窄(如圖2所示)。
一方面這會導(dǎo)致導(dǎo)電性的升高。因此,短路電流會增大。另一方面,開路電位會減小。圖10解釋了這一影響。
對于這一試驗,光照射在冷的太陽能電池上并測試了一系列IV曲線。光強(qiáng)控制在37.2 mW.
Figure 10 –不同循環(huán)下的IV曲線。圖中顯示第1,5,10,20,30,40,50,60和70次的曲線。詳細(xì)內(nèi)容如下文所述。
初始時,入射光使得太陽能電池緩慢升溫。在這一階段,短路電流和開路電位顯著漂移,Isc和Eoc附近的斜率也發(fā)生改變。
直到循環(huán)40次后,當(dāng)電池溫度穩(wěn)定,IV曲線開始重疊。
注意:為獲得正確的數(shù)據(jù),電池溫度穩(wěn)定是必要的。多次循環(huán)后可以確認(rèn)溫度是否穩(wěn)定。只有重疊的數(shù)據(jù)才能用來后的計算。 |
掃描速率
在測量IV曲線時另一個相關(guān)參數(shù)就是掃描速率。掃描速率越快,會導(dǎo)致正逆循環(huán)之間明顯的滯后現(xiàn)象(圖11所示)。
Figure 11 – IV測試時正逆循環(huán)之間的滯后影響。
光造成電池的化學(xué)變化,引起極化,導(dǎo)致滯后現(xiàn)象的產(chǎn)生。正逆循環(huán)之間不一致導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析越困難,也會引起錯誤的結(jié)果。為了選用合適的掃描速率,我們建議調(diào)整掃描速率來進(jìn)行多次循環(huán)。
低掃速會帶來較長的測試時間,但是會減小滯后影響。另外,低掃速可保持電池的穩(wěn)定狀態(tài)。如果IV曲線顯示較小的滯后現(xiàn)象,可以平均一下正逆循環(huán)的數(shù)據(jù)。
總結(jié)
這篇應(yīng)用報告與測試染料敏化太陽能電池有關(guān)。討論了基本原理和設(shè)置。另外,解釋和計算了一些重要的參數(shù)。
測試真實染料敏化太陽能電池時使用的是紅光。測得了IV曲線并轉(zhuǎn)換成功率曲線。這兩種曲線都是用來計算表征太陽能電池性能的幾種重要的參數(shù)。
后,希望提供寶貴的建議,更好的保證可靠的測試方法和結(jié)果。