CN101299054A - 染料敏化纳米薄膜太阳能电池i-v特性和转换效率特性的测量方法 - Google Patents

Abstract

染料敏化纳米薄膜太阳能电池I－V特性和转换效率特性的测量方法，步骤如下：1)使用通常太阳电池IPCE测试***相同的硬件测量染料敏化太阳电池的IPCE特性数据：调节汞灯等入射到单色仪，将单色仪波长刻度与其保持一致；2)将汞灯等以平行入射的方式进入单色仪，将标准参比电池接于电流计的两端；3)测量参比电池在200nm单色光照射下的电流信号，测量波长范围为200nm~1100nm；4)换上染料敏化纳米薄膜太阳能电池S1，在同样条件下采集数据计算；5)染料敏化太阳电池的I－V特性数据测量：调节好模拟光源，采用平衡电桥补偿电路；调节恒压源，测量不同扫描速度的偏压下样品流过的电流，得到I－V特性。

Description

染料敏化纳米薄膜太阳能电池I-V特性和转换效率特性的测量方法

技术领域

本发明涉及半导体材料应用领域和测试领域，尤其是一种染料敏化纳米薄膜太阳电池转换效率及IPCE特性的测试方法。

背景技术

能源问题关系到全球的可持续发展，成为制约社会发展的关键因素。1991年瑞士洛桑高等理工学院M.Gratzel教授实验室报道了全新的染料敏化纳米薄膜太阳电池(Dye-sensitized Solar Cell简称DSSC)的研究成果，得到国际上广泛关注和重视。与目前在市场上占主要地位的硅太阳电池的昂贵生产成本和复杂的制备工艺相比，染料敏化太阳电池最吸引人的特点是其廉价的原材料和相对简单的制作工艺，且性能稳定、衰减少，具有远大的应用前景，吸引了众多的科学家与企业的投入。

染料敏化纳米薄膜太阳电池是利用有机染料分子与半导体纳米材料结合的复合体系对太阳能进行光电转换，其主要由以下几个部分组成：含纳米多孔半导体薄膜的光阳极、有机染料、电解质及对电极。由于染料敏化纳米薄膜太阳电池的内部物理和化学环境复杂，电子在传递过程中伴随着复杂的反应过程，同时基于染料敏化太阳能电池的研究要求，需要了解该类太阳能电池的光伏电流电压特性(简称I-V特性)，即开路电压、短路电流、填充因子、转换效率及入射单色光子-电子转化效率特性(monochromatic incident photon-to-electron conversion efficiency，用IPCE表示)等。因此其参数测试方法对研究和提高染料敏化纳米薄膜太阳电池转化效率具有非常重大的实用意义。

目前的太阳电池的IPCE测量标准(国标(中华人民共和国国家标准GB110091989_1111236414)、ATSM(American Society for Testing and Materials standardE1021))及方法(图1)不适于DSSC电池的IPCE特性的测量。同样，目前的太阳电池的I-V特性测量方法(图2)也不适于DSSC电池的I-V测量。其原因是DSSC电池相对硅电池等传统太阳电池具有显著的电容特性，这种电容特性与目前IPCE测量***中的斩波器频率的相互作用而引起DSSC的IPCE测量值的失真(图3)；这种电容特性与目前国标及ATSM的I-V测量***中的外加电压扫描速度的相互作用则引起DSSC电池的I-V测量值的失真(图4)。以上因素导致适用于目前传统太阳电池的测量方法及***不能准确测量染料敏化太阳电池的参数，即开路电压、短路电流、填充因子、转换效率及IPCE等。

本发明针对染料敏化纳米薄膜太阳电池对太阳电池参数测量方法及***进行了改进，提出了适应于染料敏化太阳电池的I-V测量和IPCE的测量方法及***。本发明消除了DSSC电池与传统太阳电池测量***相互作用而引起的测量值的失真，从而达到减小信号衰减和提高测量精度的目的，使信号误差降低了10-100倍。因此相比于传统测量方法，本发明提高了信号强度和电池参数测量的准确度，并且还可以得到样品的均匀性参数，对多孔半导体薄膜光阳极以及整个电池***提供了研究的基础，对研究人员进行电池的工艺改进，有着很大的指导意义。

发明内容

本发明目的是：提供一种染料敏化纳米薄膜太阳电池I-V特性和光电转换效率IPCE特性的测量方法，克服传统太阳电池测量方法不能准确测量染料敏化太阳电池的技术不足，提高信号强度与精度，提供更加全面的染料敏化太阳电池参数信息，用以指导制备工艺的改进，以及染料的研究。

本发明的技术方案是，用于检测染料敏化纳米薄膜太阳能电池各种参数的方法，包括如下步骤：

1)使用通常太阳电池IPCE测试***相同的硬件测量染料敏化太阳电池的IPCE特性数据测量值：固定染料敏化纳米薄膜太阳能电池受光面积的大小，调节汞灯、卤素灯和氘灯平行入射到单色仪，利用已知标准波长谱线253.65，313.20，365.48，404.72，435.84，253.65，546.07nm，将单色仪波长刻度与其保持一致；

2)将汞灯、卤素灯和氘灯以平行入射的方式进入单色仪，通过单色仪的光栅分光后，将标准参比电池放置于标准样品架上，固定样品表面的受光面积为16πmm²，将标准参比电池接于电流计的两端；

3)测量参比电池(硅电池)在200nm单色光照射下的电流信号，使单色仪的出射的单色光变成210nm，重复测量，即每隔10nm采样一次，测量波长范围为200nm～1100nm；

4)换上染料敏化纳米薄膜太阳能电池S1，在同样条件下采集数据，并且利用程序计算出单波长外量子效率，计算公式为

Q_λ＝Q_ref，λ·J_λ/J_ref，λ

Q_λ、Q_ref，λ分别表示染料敏化纳米薄膜太阳能电池和参比电池的外量子效率；

J_λ、J_ref，λ分别表示染料敏化纳米薄膜太阳能电池和参比电池的电流值；

根据等效电路、IPCE测量情况下的电路和基尔霍夫定律推导含斩波器频率、电池电容的IPCE函数关系式，

$I\left(t\right)=(\frac{1}{R_s}-\frac{C_S}{R\×C})\×[-I_{\mathrm{ph}}\×R+U_{\mathrm{Cs}}\left(t_{\mathrm{nT}0}\right)\×\exp (-\frac{t_1}{R\×C})]\×\exp (-\frac{t-t_1-n\×T}{R\×C})+I_{\mathrm{ph}}\×\frac{R}{R_S}$

其中，I(t)：样品输出电流值；R_s：电池等效电路串联电阻；R：电池等效电路电阻参数；C：电池等效电路电容参数；t：斩波器斩断光路时间；t₁：斩波器连通光路时间；

5)染料敏化太阳电池的I-V特性数据测量时：

5-1)、调节好模拟光源，直接垂直入射到样品的表面，同时固定染料敏化纳米薄膜太阳能电池受光面积，测量电路采用平衡电桥补偿电路；

5-2).调节恒压源，测量不同扫描速度的偏压下样品流过的电流，得到电压-电流测量值D₀；

5-3)..根据等效电路和基尔霍夫定律推导I-V函数关系式。

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_0\·(\exp (\frac{q}{K\·T\·n}\·(V\left(t\right)+I\·R_s))-1)-\frac{(V\left(t\right)+I\·R_s)}{R_{\mathrm{sh}}}+C_{\mathrm{sh}}\·R_s\·\frac{d\left(I\right)}{d\left(t\right)}+C_{\mathrm{sh}}\·\frac{\mathrm{dV}\left(t\right)}{d\left(t\right)};$

其中，I：样品输出电流值；I_ph：光生电流源；I₀：二极管初始电流；K：波尔曼兹常数；T：温度；n：二极管理想引自；q：基本电荷；V(t)：外加偏压；R_s：电池等效电路串联电阻；R_sh：电池等效电路并联电阻；C_sh：电池等效电路并联电容。

本发明还可以根据实测结果D₀和I-V函数关系式，用牛顿法优化计算I-V函数式中各等效电路参数的数值。根据步骤5的等效电路参数数值和步骤3的关系式，推导出外加扫描速度为0时该染料敏化太阳电池I-V特性值D₁、与D₁平均方差不超过n％时的外加电源扫描速度V₂及该速度对应的I-V特性值D₂(n％是***所允许的测量精度)。也可将外加电源的扫描速度调至V₂，直接测量得到该电池的具有n％精度的I-V特性数值D₂。这个值就是准确的无扫描速度影响的该DSSC电池的I-V值(如图6.b)经过程序计算得到样品的开路电压V_oc，短路电流J。数据采集及计算均为计算机程序控制。

被测量波长的波段为200nm-1100nm。所述参比电池是硅电池。

使用与目前的太阳电池IPCE测试***相同的硬件***，测量在斩波器的某一频率下或若干个频率下的染料敏化太阳电池的IPCE特性的数据值。根据步骤4)的关系式和步骤5)的特性数据测量值，推导出该染料敏化太阳电池在无斩波器频率的影响下的准确的IPCE特性数值。

在相同单色光照条件下，测量已知参数的标准参比电池与实验染料敏化纳米薄膜太阳能电池的短路电流信号，并且将二者进行对比计算，得到实验染料敏化纳米薄膜太阳能电池的效率；电池短路电流信号测量的方法为反馈电流计方法；

根据等效电路、光电轮换效率IPCE的测量电路和基尔霍夫定律，推导出染料敏化太阳电池的电容特性、外加电压源扫描速度与电池I-V特性的函数关系式；推导出染料敏化太阳电池测量***的斩波器频率与电池IPCE特性的函数关系式；量子效率Q_λ短路电流J_λ比值等于标准参比电池量子效率Q_ref，λ与其短路电流J_ref，λ的比值。推导出该染料敏化太阳电池的电容特性等参数的数值、最佳外加电源扫描速度及消除电源扫描速度与电池电容特性相互作用后的准确的I-V特性数值，推导出该染料敏化太阳电池在无斩波器频率的影响下的准确的IPCE特性数值。也可在该最佳外加电源扫描速度下测量得到该电池的准确的I-V特性数值。

本发明的机理是：根据等效电路和基尔霍夫定律，从测量数值中消除测量***的斩波器频率、外加电源扫描速度造成测量结果的失真，可以简单、准确地测量染料敏化太阳电池的I-V特性数值和IPCE特性数值。

本发明的特点是：消除了***的测量失真，可获得准确的染料敏化太阳电池的I-V特性和IPCE特性数据，具有测量准确的特点。本发明中测试***可以通过计算机程序自动控制，方便快捷，减轻了人工的计算量和工作量，大大地提高了测量密度，得到可靠的染料敏化太阳电池的微观参数，用以指导制备工艺的改进，染料的研究，具有成本低、功能多、准确度高、自动化、实用性强的特点。传统太阳电池测试***在不增加硬件的情况，可按本发明对测量数据处理即可得到准确的染料敏化太阳电池的I-V特性和IPCE特性数据，减少染料敏化太阳电池参数测量设备的成本。

附图说明

图1传统的太阳电池IPCE测量装置方框图

图2传统的太阳电池I-V

图3传统的太阳电池IPCE测量装置不能准确测量DSSC电池.该***可准确测量硅太阳电池的IPCE(浅线所示)，但该***的斩波器引起DSSC的IPCE测量值失真(深线所示)。

图4传统的太阳电池I-V测量装置不能准确测量DSSC电池

a.该***可准确测量硅太阳电池的I-V，不同外加电源扫描速度下的硅电池的I-V测量值无显著变化。

b.不同外加电源扫描速度造成该***测得DSSC电池的I-V测量值显著失真。

图5准确的无斩波器影响的该DSSC电池的IPCE值

图6中图a.是外加扫描偏压示意图。T_d：采样延迟时间；T_m：采样积分时间；ΔV是电压步长。图b是准确的无扫描速度影响的该DSSC电池的I-V值。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明；

一、染料敏化太阳电池IPCE特性的测量

采用Oriel模拟光源，卤素灯以及氘灯分别作为光源，利用卓立汉光单色仪，美国Stanford仪器公司的Model SR830 DSP锁向放大器、SR830斩波器，以及计算机按照国标(中华人民共和国国家标准GB110091989_1111236414)、ATSM(American Societyfor Testing and Materials standard E1021)的方法测量染料敏化纳米薄膜太阳电池样品在紫外至可见光波段范围内的IPCE数值(测量***如图1)。测量时用两块不同方法制备的染料敏化太阳电池样品：样品S1的光阳极采用丝网印刷法制备；样品S2的光阳极采用涂覆法制备。测试在如下条件进行：光源为Zolix的溴钨灯，氘灯，以及Oriel模拟光源，测试温度为25±2℃。标准参比电池为Newport 818UV-ST探头硅电池。本发明的IPCE测量方法具体包括如下步骤：

1.调节汞灯平行入射到单色仪，利用已知标准波长谱线253.65，313.20，365.48，404.72，435.84，253.65，546.07nm，将单色仪波长刻度与其保持一致。

2.将卤素灯和氘灯以平行入射的方式进入单色仪，通过单色仪的光栅分光后，将标准参比电池放置于标准样品架上，固定样品表面的受光面积为16πmm²，将标准参比电池接于电流计的两端。

3.测量标准参比电池(硅电池)在200nm单色光照射下的电流信号，使单色仪的出射的单色光变成210nm，重复测量，即每隔10nm采样一次，测量波长范围为200nm～1100nm，

4.换上实验样品S1，在同样条件下采取数据。并且利用程序计算出单波长外量子效率。计算公式为

Q_λ＝Q_ref，λ·J_λ/J_ref，λ

5.根据等效电路、IPCE测量情况下的电路和基尔霍夫定律推导含斩波器频率、电池电容的IPCE函数关系式，

$I\left(t\right)=(\frac{1}{R_s}-\frac{C_S}{R\×C})\×[-I_{\mathrm{ph}}\×R+U_{\mathrm{Cs}}\left(t_{\mathrm{nT}0}\right)\×\exp (-\frac{t_1}{R\×C})]\×\exp (-\frac{t-t_1-n\×T}{R\×C})+I_{\mathrm{ph}}\×\frac{R}{R_S}$

其中，I(t)：样品输出电流值；R_s：电池等效电路串联电阻；R：电池等效电路电阻参数；C：电池等效电路电容参数；t：斩波器斩断光路时间；t₁：斩波器连通光路时间。

根据实测结果和IPCE函数关系式，用牛顿法优化计算函数式中各等效电路参数的数值。

6.根据等效电路电路参数，可计算出斩波器频率为0时该染料敏化太阳电池的IPCE值，这个值就是准确的无斩波器影响的该DSSC电池的IPCE值(如图5)。

二、染料敏化太阳电池I-V特性的测量

采用Oriel公司模拟光源作为光源，美国吉时利公司生产的小电流源测量仪，测量染料敏化纳米薄膜太阳能电池样品在I-V特性(测量***如图2)。测量时用两块不同方法制备的染料敏化太阳能电池样品：样品S1的光阳极采用丝网印刷法制备；样品S2的光阳极采用涂覆法制备。测试在如下条件进行：Oriel模拟光源，测试温度为25±2℃。标准参比电池为Newport 818UV-ST探头硅电池。

本发明的I-V特性测量方法具体包括如下步骤：

1、调节好模拟光源，直接垂直入射到样品的表面，同时固定染料敏化纳米薄膜太阳能电池受光面积的大小为1cm²，搭建平衡电桥补偿电路.

2.调节恒压源，测量不同扫描速度的偏压下样品流过的电流，得到电压-电流测量值D₀。

3..根据等效电路和基尔霍夫定律推导I-V函数关系式。

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_0\·(\exp (\frac{q}{K\·T\·n}\·(V\left(t\right)+I\·R_s))-1)-\frac{(V\left(t\right)+I\·R_s)}{R_{\mathrm{sh}}}+C_{\mathrm{sh}}\·R_s\·\frac{d\left(I\right)}{d\left(t\right)}+C_{\mathrm{sh}}\·\frac{\mathrm{dV}\left(t\right)}{d\left(t\right)};$

其中，I：样品输出电流值；I_ph：光生电流源；I₀：二极管初始电流；K：波尔曼兹常数；T：温度；n：二极管理想引自；q：基本电荷；V(t)：外加偏压；R_s：电池等效电路串联电阻；R_sh：电池等效电路并联电阻；C_sh：电池等效电路并联电容。

4.根据实测结果D₀和I-V函数关系式，用牛顿法优化计算I-V函数式中各等效电路参数的数值。

5、根据步骤4的等效电路参数数值和步骤3的关系式，推导出外加扫描速度为0时该染料敏化太阳电池I-V特性值D₁、与D₁平均方差不超过n％时的外加电源扫描速度V₂及该速度对应的I-V特性值D₂(n％是***所允许的测量精度)。也可将外加电源的扫描速度调至V₂，直接测量得到该电池的具有n％精度的I-V特性数值D₂。这个值就是准确的无扫描速度影响的该DSSC电池的I-V值(如图6.b)

经过程序计算得到样品的开路电压V_oc，短路电流J_sc以及填充因子FF以及转换效率η等参数。(S1：V_oc＝550mV，J_sc＝1.45mA，FF＝58％，η＝5.11％；)

Claims (7)

1、一种染料敏化纳米薄膜太阳能电池I-V特性和转换效率特性的测量方法，其特征是包括如下步骤：

1)使用通常太阳电池IPCE测试***相同的硬件测量染料敏化太阳电池的IPCE特性数据测量值：固定染料敏化纳米薄膜太阳能电池受光面积的大小，调节汞灯、卤素灯和氘灯平行入射到单色仪，利用已知标准波长谱线253.65，313.20，365.48，404.72，435.84，253.65，546.07nm，将单色仪波长刻度与其保持一致；

2)将汞灯、卤素灯和氘灯以平行入射的方式进入单色仪，通过单色仪的光栅分光后，将标准参比电池放置于标准样品架上，固定样品表面的受光面积为16πmm²，将标准参比电池接于电流计的两端；

3)测量参比电池在200nm单色光照射下的电流信号，使单色仪的出射的单色光变成210nm，重复测量，即每隔10nm采样一次，测量波长范围为200nm~1100nm；

4)换上染料敏化纳米薄膜太阳能电池S1，在同样条件下采集数据，并且利用程序计算出单波长外量子效率，计算公式为

Q_λ＝Q_ref，λ·J_λ/J_ref，λ

Q_λ、Q_ref，λ分别表示染料敏化纳米薄膜太阳能电池和参比电池的外量子效率；

J_λ、J_ref，λ分别表示染料敏化纳米薄膜太阳能电池和参比电池的电流值；

根据等效电路、IPCE测量情况下的电路和基尔霍夫定律推导含斩波器频率、电池电容的IPCE函数关系式，

$I\left(t\right)=(\frac{1}{R_s}-\frac{C_S}{R\×C})\×[-I_{\mathrm{ph}}\×R+U_{\mathrm{Cs}}\left(t_{\mathrm{nT}0}\right)\×\exp (-\frac{t_1}{R\×C})]\×\exp (-\frac{t-t_1-n\×T}{R\×C})+I_{\mathrm{ph}}\×\frac{R}{R_S}$

其中，I(t)：样品输出电流值；R_s：电池等效电路串联电阻；R：电池等效电路电阻参数；C：电池等效电路电容参数；t：斩波器斩断光路时间；t₁：斩波器连通光路时间；

5)染料敏化太阳电池的I-V特性数据测量时：

5-1)、调节好模拟光源，直接垂直入射到样品的表面，同时固定染料敏化纳米薄膜太阳能电池受光面积，测量电路采用平衡电桥补偿电路；

5-2).调节恒压源，测量不同扫描速度的偏压下样品流过的电流，得到电压-电流测量值D₀；

5-3).根据等效电路和基尔霍夫定律推导I-V函数关系式

$I=I_{\mathrm{ph}}-I_0\·(\exp (\frac{q}{K\·T\·n}\·(V\left(t\right)+I\·R_s))-1)-\frac{(V\left(t\right)+I\·R_s)}{R_{\mathrm{sh}}}+C_{\mathrm{sh}}\·R_s\·\frac{d\left(I\right)}{d\left(t\right)}+C_{\mathrm{sh}}\·\frac{\mathrm{dV}\left(t\right)}{d\left(t\right)};$

其中，I：样品输出电流值；I_ph：光生电流源；I₀：二极管初始电流；K：波尔曼兹常数；T：温度；n：二极管理想引自；q：基本电荷；V(t)：外加偏压；R_s：电池等效电路串联电阻；R_sh：电池等效电路并联电阻；C_sh：电池等效电路并联电容。

2、根据权利要求1所述的染料敏化纳米薄膜太阳能电池I-V特性和转换效率特性的测量方法，其特征是在步骤1)中，测量电路为平衡电桥补偿电路，得到的电流-电压曲线。

3、根据权利要求1所述的染料敏化纳米薄膜太阳能电池I-V特性和转换效率特性的测量方法，其特征是步骤2)、3)中电池短路电流信号测量的方法为反馈电流计测量的方法。

4、根据权利要求1所述的染料敏化纳米薄膜太阳能电池I-V特性和转换效率特性的测量方法，其特征是采用的测量波长的波段为200nm-1100nm。

5、根据权利要求1所述的染料敏化纳米薄膜太阳能电池I-V特性和转换效率特性的测量方法，其特征是所述标准电池是硅电池。

6、根据权利要求1所述的染料敏化纳米薄膜太阳能电池I-V特性及转换效率特性的测量方法，其特征是步骤2)、3)中所求量子效率Q_λ和短路电流J_λ比值等于标准参比电池量子效率Q_ref，λ与其短路电流J_ref，λ的比值。

7、根据权利要求1所述的染料敏化纳米薄膜太阳能电池I-V特性及转换效率特性的测量方法，其特征是步骤1)-5)中数据采集及计算均为计算机程序控制。

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