太陽(yáng)能電池-基本原理和測(cè)試方法

目的

本報(bào)告是關(guān)于一系列燃料敏化太陽(yáng)能電池性能測(cè)試的一部分。主要討論了評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池性能所需的理論和各種類(lèi)型的試驗(yàn)。這部分討論了太陽(yáng)能電池的基本原理，裝置和電化學(xué)基礎(chǔ)。另外，通過(guò)基本的電化學(xué)試驗(yàn)來(lái)表怔太陽(yáng)能電池。

介紹

化石燃料不足，逐漸升高的原油價(jià)格，對(duì)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(diǎn)。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(yáng)能。目前廣泛使用的是光伏和太陽(yáng)能集熱器。

此應(yīng)用報(bào)告中討論的燃料太陽(yáng)能電池屬于薄膜電池。又可被稱(chēng)為燃料敏化太陽(yáng)能電池(DSC)或者以對(duì)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(jiǎn)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(gè)主要缺點(diǎn)就是液體電解質(zhì)對(duì)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(jiǎn)化圖。

Figure 1 –染料敏化太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)化圖。詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)下文

DSC的陽(yáng)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(yáng)極浸泡于與TiO₂結(jié)合在一起的染料溶液。染料又稱(chēng)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(gè)電極被壓在一起并密封，以防電池泄露。當(dāng)染料敏化太陽(yáng)能電池受到光照時(shí)，外部會(huì)產(chǎn)生電流。

染料敏華太陽(yáng)能電池的原理

顧名思義，染料敏化太陽(yáng)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(yáng)能電池的能級(jí)圖。以下部分描述的都是相關(guān)的電化學(xué)過(guò)程。

圖2 – 染料敏化太陽(yáng)能電池的能級(jí)圖。紅色標(biāo)記部分的單獨(dú)步驟會(huì)在下文中解釋。

步驟1：染料分子初處于基態(tài)（S）。陽(yáng)極半導(dǎo)體材料在這一能級(jí)下（價(jià)帶附近）沒(méi)有導(dǎo)電性。

當(dāng)光照射到電池時(shí)，染料分子被激發(fā)至更高能級(jí)（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(guò)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(jí)半導(dǎo)體處于導(dǎo)電狀態(tài)，電子可以自由移動(dòng)。然后電子通過(guò)擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到陽(yáng)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(duì)還原（如式3）。

Eq. 3

步驟4：I^-/I₃^-氧化還原電對(duì)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(yáng)能電池上時(shí)會(huì)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(lèi)似于標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)伏安試驗(yàn)，施加一定的電位，從初始電位掃描至終止電位，測(cè)量電池的電流。另外，具有恒定強(qiáng)度的光源聚焦在太陽(yáng)能電池上產(chǎn)生電力。

圖3顯示了太陽(yáng)能電池在逐漸增強(qiáng)光照下和沒(méi)有光照的典型IV曲線。

Figure 3 –有光源和無(wú)光源下IV曲線示意圖。詳細(xì)內(nèi)容如下文。

無(wú)光照時(shí)，染料敏化太陽(yáng)能電池的行為類(lèi)似一個(gè)二極管。沒(méi)有電流產(chǎn)生，電池需要供電。

當(dāng)有光照時(shí)，IV曲線明顯下移。隨著光照強(qiáng)度的增加，太陽(yáng)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(shí)，電流達(dá)到大值。隨著電壓的增大，電流逐漸減小。在開(kāi)路電位下，電流為0。高于開(kāi)路電位，需要有外部電壓給電池供電。電壓過(guò)大時(shí)，電池就會(huì)損壞。

來(lái)源于IV曲線的參數(shù)會(huì)在下文討論。圖4是IV曲線包含參數(shù)的示意圖。

Figure 4 –太陽(yáng)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(jiàn)下文。

短路電流

短路電流I_SC是太陽(yáng)能電池的大電流。此時(shí)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(kāi)路電位

開(kāi)路電位E_OC是太陽(yáng)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(shí)的電壓。

Eq. 6

E_OC 隨著光照強(qiáng)度的增加而增大。

功率

太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的功率P可由式7計(jì)算得出：

Eq. 7

可得到如圖4所示的計(jì)算得出的功率對(duì)施加電位圖。得到的功率曲線顯示有功率大值P_max。

填充系數(shù)

填充系數(shù)是表征電池整體的性能一個(gè)重要參數(shù)。它描述了太陽(yáng)能電池的質(zhì)量和理想狀態(tài)。

填充系數(shù)是實(shí)際功率大值P_max 與理論功率大值的比值。公式如下：

Eq. 8

E_MP 和I_MP 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(gè)矩形（綠色部分）。功率大值在（E_OC，I_SC）處，填充系數(shù)為1。

然而，非理想條件會(huì)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(shí)際區(qū)域（藍(lán)色矩形）比較小。覆蓋了E_MP和I_MP。

注意填充系數(shù)不等于太陽(yáng)能電池的效率。

串聯(lián)和并聯(lián)電阻

之前提到過(guò)，太陽(yáng)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(duì)IV曲線形狀的影響。

串聯(lián)電阻的大小可以由開(kāi)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(kāi)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(kāi)路電位不受串聯(lián)電阻的影響，因?yàn)殡娏鳛?。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(duì)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(wú)限大，使得無(wú)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(kāi)路電位減小。

并聯(lián)電阻可用并聯(lián)電阻器來(lái)模擬。主要是由電池中的雜質(zhì)或者制造過(guò)程的缺陷引起的泄露電流造成的。

小的并聯(lián)電阻會(huì)對(duì)大功率值，填充因子和功率造成消極的影響。

效率

效率η是產(chǎn)生的大功率值P_max 和來(lái)自光源的電輸入效率的比值。

Eq. 9

為了計(jì)算效率，需要知道入射光的功率。

試驗(yàn)

以下部分討論了染料敏化太陽(yáng)能電池的各種測(cè)試方法。所有DSC附件來(lái)自Solaronix。太陽(yáng)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(jià)碘和三價(jià)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(kāi)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(gè)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(kāi)路電位移至更高值。因此，太陽(yáng)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(dòng)。

下表列出了從圖8中IV和功率曲線得到的各個(gè)參數(shù)。

Table 1 –從圖8中IV和功率曲線得到的各個(gè)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(diǎn)而言，注意試驗(yàn)中用到的是在狹窄波長(zhǎng)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(jì)算得出的電阻值。

Table 2 – 不同光強(qiáng)下的串聯(lián)和并聯(lián)電阻

結(jié)果顯示，R_S 和 R_SH隨著光強(qiáng)的增加而減小。低R_S值趨向于增大的填充因子和效率。然而，R_SH值的降低會(huì)對(duì)電池的性能產(chǎn)生消極影響。

兩種趨勢(shì)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(duì)DSC的影響。同時(shí)闡述了用DSC做實(shí)驗(yàn)時(shí)需要考慮到的問(wèn)題。

測(cè)試太陽(yáng)能電池時(shí)的困難

溫度的改變

溫度的改變會(huì)影響染料敏化太陽(yáng)能電池的性能。當(dāng)受到光照時(shí)，太陽(yáng)能電池會(huì)升溫。這會(huì)影響電池的填充因子和效率。

因包含半導(dǎo)體材料，太陽(yáng)能電池對(duì)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(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電性的升高。因此，短路電流會(huì)增大。另一方面，開(kāi)路電位會(huì)減小。圖10解釋了這一影響。

對(duì)于這一試驗(yàn)，光照射在冷的太陽(yáng)能電池上并測(cè)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(shí)，入射光使得太陽(yáng)能電池緩慢升溫。在這一階段，短路電流和開(kāi)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(kāi)始重疊。

掃描速率

在測(cè)量IV曲線時(shí)另一個(gè)相關(guān)參數(shù)就是掃描速率。掃描速率越快，會(huì)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(cè)試時(shí)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(huì)引起錯(cuò)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(lái)進(jìn)行多次循環(huán)。

低掃速會(huì)帶來(lái)較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間，但是會(huì)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(bào)告與測(cè)試染料敏化太陽(yáng)能電池有關(guān)。討論了基本原理和設(shè)置。另外，解釋和計(jì)算了一些重要的參數(shù)。

測(cè)試真實(shí)染料敏化太陽(yáng)能電池時(shí)使用的是紅光。測(cè)得了IV曲線并轉(zhuǎn)換成功率曲線。這兩種曲線都是用來(lái)計(jì)算表征太陽(yáng)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(cè)試方法和結(jié)果。