太陽能電池-基本原理和測試方法

目的

本報告是關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，裝置和電化學基礎。另外，通過基本的電化學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，對傳統能源（比如火力發電廠或者核電站）的抑制，可再生能源成為關注的焦點。水利發電，風能，地熱能和生物質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)或者以對發展新型電池作出貢獻的瑞士科學家Michael Grätzel 命名的Grätzel電池。

DSC的制造簡單，成本較低，并且使用環境友好型材料。DSC能量轉換效率高（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定性。

理論

DSC的設置

圖1是DSC的簡化圖。

Figure 1 –染料敏化太陽能電池簡化圖。詳細內容見下文

DSC的陽極是由覆有透明導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。半導體由于其多孔性具有很大的比表面積。

陽極浸泡于與TiO₂結合在一起的染料溶液。染料又稱感光劑，大多數是釕絡合物或者有機金屬化合物。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。當染料敏化太陽能電池受到光照時，外部會產生電流。

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理是基于光電化學基礎上。 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的電化學過程。

圖2 – 染料敏化太陽能電池的能級圖。紅色標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（S）。陽極半導體材料在這一能級下（價帶附近）沒有導電性。

當光照射到電池時，染料分子被激發至更高能級（S*），如式1所示。

Eq. 1

被激發的染料分子具有更高能量，能夠越過半導體的帶隙。

步驟2：激發態染料分子（S*）被氧化（如式2），產生的電子注入到半導體帶隙中

Eq. 2

在這一能級半導體處于導電狀態，電子可以自由移動。然后電子通過擴散轉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

光照射在太陽能電池上時會產生電流。輸出電流的大小很大程度上取決于電池的電位，以及入射光的強度。

類似于標準循環伏安試驗，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，具有恒定強度的光源聚焦在太陽能電池上產生電力。

圖3顯示了太陽能電池在逐漸增強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。詳細內容如下文。

無光照時，染料敏化太陽能電池的行為類似一個二極管。沒有電流產生，電池需要供電。

當有光照時，IV曲線明顯下移。隨著光照強度的增加，太陽能電池產生的電流逐漸增大。

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曲線的參數會在下文討論。圖4是IV曲線包含參數的示意圖。

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。詳細內容見下文。

短路電流

短路電流I_SC是太陽能電池的大電流。此時的電池電壓為0 V。因此產生的功率為0。

Eq. 5

短路電流隨著光照強度的增加而增大。

開路電位

開路電位E_OC是太陽能電池在給定光照強度下的大電壓。也是流經電池的電流為0時的電壓。

Eq. 6

E_OC 隨著光照強度的增加而增大。

功率

太陽能電池產生的功率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P_max。

填充系數

填充系數是表征電池整體的性能一個重要參數。它描述了太陽能電池的質量和理想狀態。

填充系數是實際功率大值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。

填充系數也可由IV曲線中的矩形表示。圖5是示意圖。

Figure 5 – 填充系數的圖解示意圖。詳細內容如下。

理想情況下，IV曲線是個矩形（綠色部分）。功率大值在（E_OC，I_SC）處，填充系數為1。

然而，非理想條件會引起寄生效應，使得大功率值減小，IV曲線變圓滑。代表大功率值的實際區域（藍色矩形）比較小。覆蓋了E_MP和I_MP。

注意填充系數不等于太陽能電池的效率。

串聯和并聯電阻

之前提到過，太陽能電池的由內電阻產生的寄生效應導致功率降低。內電阻可用串聯電阻和并聯電阻描述。

圖6和圖7 電阻如何影響IV曲線的形狀。

Figure 6 –串聯電阻對IV曲線形狀的影響。

串聯電阻的大小可以由開路電位附近的斜率的倒數得到（如圖6所示）。

理想情況下串聯電阻應該為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電阻的影響，因為電流為0。短路電流也不受串聯電阻的影響。只有很大的值才能導致短路電流的減小。

Figure 7 –并聯電阻對IV曲線形狀的影響。

并聯電阻可由短路電流處曲線斜率倒數得到（如圖7）。理想情況下，并聯電阻無限大，使得無需存在其他的電流途徑。并聯電阻越小，短路電流附近IV曲線斜率越大。這也導致開路電位減小。

并聯電阻可用并聯電阻器來模擬。主要是由電池中的雜質或者制造過程的缺陷引起的泄露電流造成的。

小的并聯電阻會對大功率值，填充因子和功率造成消極的影響。

效率

效率η是產生的大功率值P_max 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。

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曲線隨著光源強度變化（從亮到暗）的變化圖。電池的電位循環掃描區間為0V到開路電位。掃描速率為5 mV/s，以確保電池工作處于穩定狀態。

每條曲線的紅光（625 nm）的光強從5.1 mW到37.2 mW逐步增強。只顯示了每個光強后向前周期。光源與電池之間的距離是3cm。

Figure 8 –隨著光強增加（從亮到暗）一系列IV曲線。詳細內容如下文。

正如預期的，電流隨著光強的增加而增大。另外，開路電位移至更高值。因此，太陽能電池產生的功率也增大。圖9顯示了相應的功率曲線。

Figure 9 –隨著光強增加（從亮到暗）相應的一系列功率曲線圖。

大功率值稍稍向負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。

Table 1 –從圖8中IV和功率曲線得到的各個參數

填充因子基本保持不變，大約為0.78。在低光強下較小。

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。效率隨著光強的增加稍稍降低。

另外，可由IV曲線斜率預估得到串聯電阻和并聯電阻（圖6和圖7）。表2列出了從圖8 IV曲線計算得出的電阻值。

Table 2 – 不同光強下的串聯和并聯電阻

結果顯示，R_S 和 R_SH隨著光強的增加而減小。低R_S值趨向于增大的填充因子和效率。然而，R_SH值的降低會對電池的性能產生消極影響。

兩種趨勢都可以解釋為電池內部溫度的升高導致導電性的增加。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。

因包含半導體材料，太陽能電池對溫度的變化較為敏感。半導體的帶寬隨溫度的升高而變窄（如圖2所示）。

一方面這會導致導電性的升高。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。光強控制在37.2 mW.

Figure 10 –不同循環下的IV曲線。圖中顯示第1，5，10，20，30，40，50，60和70次的曲線。詳細內容如下文所述。

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附近的斜率也發生改變。

直到循環40次后，當電池溫度穩定，IV曲線開始重疊。

掃描速率

在測量IV曲線時另一個相關參數就是掃描速率。掃描速率越快，會導致正逆循環之間明顯的滯后現象(圖11所示)。

Figure 11 – IV測試時正逆循環之間的滯后影響。

光造成電池的化學變化，引起極化，導致滯后現象的產生。正逆循環之間不一致導致數據分析越困難，也會引起錯誤的結果。為了選用合適的掃描速率，我們建議調整掃描速率來進行多次循環。

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定狀態。如果IV曲線顯示較小的滯后現象，可以平均一下正逆循環的數據。

總結

這篇應用報告與測試染料敏化太陽能電池有關。討論了基本原理和設置。另外，解釋和計算了一些重要的參數。

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。

后，希望提供寶貴的建議，更好的保證可靠的測試方法和結果。