太阳能电池-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。这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。

Figure 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。

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。

Eq. 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

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）。

Eq. 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^-。

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。

Figure 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。

Figure 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I_SC是太阳能电池的大电流。此时的电池电压为0 V。因此产生的功率为0。

Eq. 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E_OC是太阳能电池在给定光照强度下的大电压。也是流经电池的电流为0时的电压。

Eq. 6

E_OC 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：

Eq. 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大值P_max。

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大值P_max 与理论功率大值的比值。公式如下：

Eq. 8

E_MP 和I_MP 是IV曲线中在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。

Figure 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）。功率大值在（E_OC，I_SC）处，填充系数为1。

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

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。

Figure 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。

Figure 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。

小的并联电阻会对大功率值，填充因子和功率造成消极的影响。

效率

效率η是产生的大功率值P_max 和来自光源的电输入效率的比值。

Eq. 9

为了计算效率，需要知道入射光的功率。

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。只显示了每个光强后向前周期。光源与电池之间的距离是3cm。

Figure 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。

Figure 9 –随着光强增加（从亮到暗）相应的一系列功率曲线图。

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。

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。

Table 2 – 不同光强下的串联和并联电阻

结果显示，R_S 和 R_SH随着光强的增加而减小。低R_S值趋向于增大的填充因子和效率。然而，R_SH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.

Figure 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。

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)。

Figure 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。

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。