Grundprinzipien und Messungen
Zweck dieses Hinweises
Dieser Anwendungshinweis ist Teil einer Serie über Farbstoffsolarzellen. Es werden die Theorie und verschiedene Arten von Experimenten besprochen, die für die Charakterisierung von Solarzellen benötigt werden.
Teil 1 dieser Serie behandelt die Grundprinzipien von Farbstoffsolarzellen, ihren Aufbau und die zugrunde liegenden elektrochemischen Mechanismen.
Darüber hinaus wird die Charakterisierung von Farbstoffsolarzellen anhand grundlegender elektrochemischer Experimente demonstriert.
Einführung
In Zeiten der Verknappung fossiler Energieträger, steigender Rohölpreise sowie der Ablehnung konventioneller Energiequellen (z.B. Kohle- oder Atomkraftwerke) rücken nachhaltige Energieformen immer mehr in den Mittelpunkt des Interesses. Wasserkraft, Windkraft, Geothermie oder Biomasseverarbeitung sind nur einige dieser nachhaltigen Ressourcen.
Eine weitere wichtige Quelle für erneuerbare Energie ist die Solarenergie. Am weitesten verbreitet sind Photovoltaik und solarthermische Kollektoren.
Farbstoffsolarzellen (DSCs), die in dieser Application Note behandelt werden, sind Dünnschichtzellen. Sie werden auch als farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC) oder Grätzel-Zellen bezeichnet, benannt nach dem Schweizer Chemiker Michael Grätzel, der maßgeblich an der Entwicklung neuer Zelltypen beteiligt war.
Die Herstellung von DSCs ist einfach, meist kostengünstig, und es werden umweltfreundliche Materialien verwendet. Sie haben einen guten Wirkungsgrad (ca. 10-14 %) auch bei geringer Sonneneinstrahlung.
Ein großer Nachteil ist jedoch die Temperaturempfindlichkeit des flüssigen Elektrolyten. Daher wird viel geforscht, um die Leistung des Elektrolyten und die Stabilität der Zelle zu verbessern.
Theorie
Aufbau einer Farbstoffsolarzelle
Abbildung 1 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer Farbstoffsolarzelle.
Abbildung 1 – Vereinfachter Aufbau einer Farbstoffsolarzelle. Einzelheiten siehe Text.
Die Anode einer DSC besteht aus einer Glasplatte, die mit einer transparenten leitfähigen Oxidschicht (TCO) beschichtet ist. Am häufigsten werden Indiumzinnoxid (ITO) oder fluordotiertes Zinnoxid verwendet. Auf die Schicht wird eine dünne Schicht aus Titandioxid (TiO2) aufgebracht. Der Halbleiter weist aufgrund seiner hohen Porosität eine große Oberfläche auf.
Die Anode wird mit einer Farbstofflösung getränkt, die sich mit dem TiO2 verbindet. Der Farbstoff – auch Photosensibilisator genannt – ist meist ein Rutheniumkomplex oder verschiedene organische metallfreie Verbindungen. Zu Demonstrationszwecken können auch einfache Fruchtsäfte (z. B. aus Brombeeren oder Granatäpfeln) verwendet werden. Sie enthalten Pigmente, die ebenfalls Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln können.
Die Kathode einer DSC ist eine Glasplatte mit einem dünnen Pt-Film, der als Katalysator dient. Als Elektrolyt wird eine Jodid/Trijodid-Lösung verwendet.
Die beiden Elektroden werden zusammengepresst und versiegelt, damit die Zelle nicht undicht wird. Eine externe Last kann mit Strom versorgt werden, wenn Licht auf die Anode der Farbstoffsolarzelle fällt.
Prinzip einer Farbstoffsolarzelle
Wie der Name schon sagt, basiert der Mechanismus von Farbstoffsolarzellen auf den photoelektrochemischen Prozessen. In Abbildung 2 ist ein Energiediagramm einer Farbstoffsolarzelle dargestellt. Im folgenden Abschnitt werden alle relevanten elektrochemischen Prozesse beschrieben.
Abbildung 2 – Energiediagramm einer Farbstoffsolarzelle. Rot hervorgehoben sind alle Einzelschritte, die im Text erläutert werden.
SCHRITT 1: Das Farbstoffmolekül befindet sich zunächst in seinem Grundzustand (S). Das Halbleitermaterial der Anode ist auf diesem Energieniveau (nahe dem Valenzband) nicht leitend.
Wenn Licht auf die Zelle scheint, werden die Farbstoffmoleküle von ihrem Grundzustand in einen höheren Energiezustand (S*) angeregt, siehe Gleichung 1.
Gleichung 1
Das angeregte Farbstoffmolekül hat nun einen höheren Energiegehalt und überwindet die Bandlücke des Halbleiters.
SCHRITT 2: Das angeregte Farbstoffmolekül (S*) wird oxidiert (siehe Gleichung 2) und ein Elektron wird in das Leitungsband des Halbleiters injiziert. Die Elektronen können sich nun frei bewegen, da der Halbleiter auf diesem Energieniveau leitend ist.
Gleichung 2
Die Elektronen werden dann durch Diffusionsprozesse zum Stromkollektor der Anode transportiert. Ein angeschlossener elektrischer Verbraucher kann mit Strom versorgt werden.
SCHRITT 3: Das oxidierte Farbstoffmolekül (S+) wird durch Elektronenspende aus dem Jodid im Elektrolyten wieder regeneriert (siehe Gleichung 3).
Gleichung. 3
SCHRITT 4: Im Gegenzug wird Iodid durch Reduktion von Triiodid an der Kathode regeneriert (siehe Gleichung 4).
Gleichung 4
Wichtige Parameter
Eine Solarzelle erzeugt Strom, wenn Licht auf sie fällt. Der Ausgangsstrom hängt stark von der Spannung der Zelle und der Intensität des einfallenden Lichts ab. Strom-Potential-Kurven (auch I-V-Kurven genannt) veranschaulichen diese Beziehung.
Ähnlich wie bei standardmäßigen zyklischen Voltammetrie-Experimenten wird ein Potential E angelegt und zwischen einem Anfangs- und einem Endpotential hin und her bewegt. Der Strom I der Zelle wird gemessen. Zusätzlich wird eine Lichtquelle mit konstanter Intensität auf die Solarzelle gerichtet, um Strom zu erzeugen.
Abbildung 3 zeigt eine typische I-V-Kurve einer Solarzelle für ansteigende Lichtintensitäten und wenn kein Licht vorhanden ist.
Abbildung 3 – Schematische Darstellung der I-V-Kurven mit und ohne Licht. Für Details siehe Text.
Eine Farbstoffsolarzelle verhält sich wie eine Diode, wenn kein Licht vorhanden ist. Es wird kein Strom erzeugt und es wird Energie benötigt, um die Zelle zu betreiben.
Die I-U-Kurven verschieben sich weiter nach unten, wenn Licht auf eine DSC gerichtet wird. Die Solarzelle erzeugt nun Strom, der mit zunehmender Lichtintensität ansteigt.
Der Stromfluss ist bei niedrigen Potentialen nahezu konstant. Er erreicht sein Maximum, wenn das Potenzial gleich Null ist. Der erzeugte Strom nimmt mit steigendem Potential ab. Beim Leerlaufpotential ist er gleich Null. Oberhalb dieses Potenzials ist eine externe Vorspannung erforderlich, um die Zelle zu betreiben. Bei zu hohen Werten kann die Zelle beschädigt werden.
Aus den I-U-Kurven lassen sich verschiedene Parameter ableiten, die in den folgenden Abschnitten erläutert werden. Abbildung 4 zeigt einen schematischen Überblick über eine I-V-Kurve einschließlich der Parameter.
Abbildung 4 – Schematische I-V-Kurve und Leistungskurve einer Solarzelle. Mehrere wichtige Parameter sind dargestellt. Einzelheiten siehe Text.
Kurzschlussstrom
Der Kurzschlussstrom ISC ist der höchste Strom, der aus einer Solarzelle entnommen werden kann. Die Zellenspannung ist zu diesem Zeitpunkt Null. Daher ist auch die erzeugte Leistung gleich Null.
Gleichung 5
Der Kurzschlussstrom nimmt mit zunehmender Lichtintensität zu.
Offenes Potential
Das offene Potential EOC ist die höchste Spannung einer Solarzelle bei einer bestimmten Lichtintensität. Es ist auch das Potential, bei dem der Stromfluss durch eine Solarzelle gleich Null ist.
Gleichung 6
EOC steigt mit zunehmender Lichtintensität.
Leistung
Die erzeugte Leistung P einer Solarzelle kann mit folgender Formel berechnet werden:
Gleichung 7
Die berechnete Leistung kann auch gegen das angelegte Potential aufgetragen werden (siehe Abbildung 4). Die sich daraus ergebende Leistungskurve weist ein Leistungsmaximum Pmax auf.
Füllfaktor
Der Füllfaktor (FF) ist ein wichtiger Parameter, um die Gesamtkapazität einer Zelle zu bestimmen. Er beschreibt die Qualität und Idealität einer Solarzelle.
Der Füllfaktor ist das Verhältnis der maximal erzeugten Leistung Pmax zum theoretischen Leistungsmaximum Ptheo einer Solarzelle. Die allgemeine Formel für den Füllfaktor lautet:
Gleichung 8
EMP und IMP sind das Potential und der Strom der I-V-Kurve, in der die erzeugte Leistung am höchsten ist.
Der Füllfaktor kann auch durch Rechtecke in einer I-V-Kurve dargestellt werden. Abbildung 5 zeigt eine schematische Darstellung.
Abbildung 5 – Grafische Darstellung des Füllfaktors. Einzelheiten siehe Text.
Im Idealfall ist eine I-U-Kurve ein Rechteck (grüne Fläche). Das Leistungsmaximum liegt bei EOC und ISC und der Füllfaktor ist eins.
Unter nicht idealen Bedingungen, die durch parasitäre Effekte verursacht werden, verringert sich jedoch das Leistungsmaximum und die I-U-Kurve rundet sich ab. Der resultierende wahre Bereich, der das Leistungsmaximum darstellt (blaues Rechteck), ist kleiner. Sie wird durch das Potenzial EMP und den Strom IMP abgedeckt.
Beachten Sie, dass der Füllfaktor nicht mit dem Wirkungsgrad einer Solarzelle gleichzusetzen ist.
Serien- und Shunt-Widerstand
Wie bereits erwähnt, führen parasitäre Effekte, die durch interne Widerstände verursacht werden, zu Leistungsverlusten in einer Solarzelle. Diese Widerstände können durch einen Serienwiderstand (RS) und einen Nebenschlusswiderstand (RSH) beschrieben werden.
Abbildung 6 und Abbildung 7 zeigen, wie beide Widerstände die Form einer I-U-Kurve beeinflussen.
Abbildung 6 – Auswirkung des Serienwiderstands RS auf die Form einer I-U-Kurve.
Der Serienwiderstand RS kann durch den Kehrwert der Steigung in der Nähe des Leerlaufpotentials abgeschätzt werden (siehe Abbildung 6).
Im Normalfall wäre der Serienwiderstand gleich Null. Die Widerstände der Metallkontakte oder des Substrats führen jedoch zu einem zusätzlichen Spannungsabfall innerhalb der Zelle. Infolgedessen nimmt die Steigung der Kurve in der Nähe des EOC mit zunehmendem RS ab. Daher nehmen sowohl die Fläche unter der Kurve als auch das Leistungsmaximum ab.
Beachten Sie, dass das Leerlaufpotenzial EOC von RS nicht beeinflusst wird, da der Stromfluss gleich Null ist. Auch der Kurzschlussstrom wird von RS nicht beeinflusst. Nur sehr große Werte können zu einer Verringerung von ISC führen.
Abbildung 7 – Auswirkung des Shunt-Widerstands RSH auf die Form einer I V-Kurve.
RSH kann durch die inverse Steigung in der Nähe des Kurzschlussstroms ISC geschätzt werden (siehe Abbildung 7). Im Idealfall ist dieser Widerstand unendlich, so dass kein zusätzlicher Strompfad existiert. Je kleiner RSH ist, desto mehr nimmt die Steigung der I V-Kurve in der Nähe des Kurzschlussstroms zu. Dies führt auch zu einem kleineren Leerlaufpotential EOC.
Der Nebenschlusswiderstand RSH kann durch einen Parallelwiderstand modelliert werden. Er wird hauptsächlich durch Leckstrom durch die Zelle verursacht, der durch Verunreinigungen oder Defekte im Herstellungsprozess verursacht wird.
Leistungsmaximum, Füllfaktor und Wirkungsgrad werden durch kleine Nebenschlusswiderstände negativ beeinflusst.
Hinweis:
Beide Berechnungen von RS und RSH sollten nur als Schätzungen in der Nähe des Leerlaufpotentials bzw. des Kurzschlussstroms verwendet werden.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad η ist das Verhältnis zwischen der maximal erzeugten Leistung Pmax und der elektrischen Eingangsleistung Pin der Lichtquelle.
Gleichung 9
Um den Wirkungsgrad berechnen zu können, muss die Leistung des einfallenden Lichts Pin bekannt sein.
Hinweis: Weitere Informationen zur Berechnung der Lichtleistung finden Sie im technischen Hinweis von Gamry: Measuring the Optical Power of your LED
Experimente
Im Folgenden werden verschiedene Experimente mit Farbstoffsolarzellen beschrieben. Das gesamte DSC-Zubehör stammt von Solaronix. Die Solarzelle verwendet Titandioxid- und Platinelektroden. Der Elektrolyt ist eine 50 mM Iodid/Triiodid-Lösung in Acetonitril. Als Farbstoff wird Ruthenizer 535-bisTBA verwendet. Die aktive Fläche der Zelle beträgt 0,64 cm2.
Abbildung 8 zeigt eine Reihe von I-U-Kurven mit zunehmender Lichtintensität (von hell nach dunkel). Das Potenzial der Solarzelle wurde mehrere Zyklen lang zwischen 0 V und dem Leerlaufpotenzial hin und her bewegt. Die Sweep-Rate betrug 5 mV/s, um einen stationären Betrieb der Zelle sicherzustellen.
Die Lichtintensität der roten LED (625 nm) wurde für jede Kurve schrittweise von 5,1 mW auf 37,2 mW erhöht. Nur der letzte Vorwärtszyklus für jede Intensität ist dargestellt. Der Abstand zwischen LED und Farbstoffsolarzelle betrug 3 cm.
Abbildung 8 – Serie von I-V-Kurven mit zunehmender Lichtintensität (von hell bis dunkel). Einzelheiten siehe Text.
Wie erwartet, steigt der Strom mit zunehmender Lichtintensität. Außerdem verschiebt sich das Leerlaufpotential zu höheren Werten. Damit steigt auch die erzeugte Leistung der Solarzelle. Abbildung 9 zeigt die entsprechenden Leistungskurven.
Abbildung 9 – Entsprechende Serien von Leistungskurven mit zunehmender Lichtintensität (von hell nach dunkel).
Das Leistungsmaximum Pmax verschiebt sich leicht in Richtung negativerer Ströme und höherer Potentiale.
Die folgende Tabelle listet einige Parameter auf, die aus den in Abbildung 8 und Abbildung 9 gezeigten I V-Kurven und Leistungskurven ausgewertet werden können.
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Pin |
ISC |
EOC |
Pmax |
Ptheo |
FF |
η |
Tabelle 1 – Zusammenfassung der aus I-V-Kurven und Leistungskurven berechneten Parameter.
Der Füllfaktor bleibt nahezu konstant bei etwa 0,78. Er ist bei niedrigen Lichtintensitäten kleiner.
Der Wirkungsgrad ist mit etwa 0,6 % im Allgemeinen sehr niedrig. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass für diese Versuche eine rote LED mit einem engen Wellenlängenbereich verwendet wurde. Der Wirkungsgrad nimmt mit steigender Lichtintensität leicht ab.
Außerdem können RS und RSH aus den Steigungen einer I-U-Kurve geschätzt werden (siehe auch Abbildung 6 und Abbildung 7). Tabelle 2 fasst eine Liste der berechneten Widerstände für die in Abbildung 8 gezeigten I-U-Kurven zusammen.
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Pin |
RS @ EOC |
RSH @ ISC |
Tabelle 2 – Auflistung der berechneten Serienwiderstände RS und Shunt-Widerstände RSH für verschiedene Lichtintensitäten.
Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl RS als auch RSH mit zunehmender Lichtintensität abnehmen. Niedrigere RS-Werte erhöhen tendenziell den Fill-Faktor und den Wirkungsgrad einer DSC. Abnehmende RSH-Werte können sich jedoch negativ auf die Leistung einer DSC auswirken.
Beide Trends lassen sich durch steigende Leitfähigkeiten erklären, die durch höhere Temperaturen innerhalb der Zelle verursacht werden. Im folgenden Abschnitt werden die Auswirkungen der Temperatur auf eine DSC erläutert. Außerdem werden verschiedene Probleme angesprochen, die bei der Durchführung von Experimenten mit DSCs beachtet werden sollten.
Schwierigkeiten bei der Messung von Solarzellen
Temperaturänderungen
Temperaturänderungen beeinflussen die Leistung einer Farbstoffsolarzelle. Farbstoffsolarzellen erwärmen sich, wenn Licht auf die Zelle fällt. Dies kann sowohl den Fill-Faktor als auch den Wirkungsgrad einer DSC beeinflussen.
Farbstoffsolarzellen reagieren sehr empfindlich auf Temperaturänderungen, da sie Halbleitermaterialien enthalten. Die Bandlücke des Halbleiters verengt sich mit steigender Temperatur (siehe auch Abbildung 2).
Dies führt einerseits zu steigenden Leitfähigkeiten. Infolgedessen steigt der Kurzschlussstrom. Andererseits sinkt das Leerlaufpotential. Abbildung 10 veranschaulicht diesen Effekt.
Für dieses Experiment wurde Licht auf eine kalte DSC gerichtet und mehrere aufeinanderfolgende I-U-Kurven gemessen (von hell nach dunkel). Die Lichtintensität wurde konstant bei 37,2 mW gehalten.
Abbildung 10 – I-V-Kurven bei verschiedenen Zyklen. Dargestellt sind der 1., 5., 10., 20., 30., 40., 50., 60. und 70. Zyklus (von hell nach dunkel). Einzelheiten siehe Text.
Anfänglich erwärmt das einfallende Licht die Solarzelle langsam. In dieser Phase driften Kurzschlussstrom und Leerlaufpotential erheblich und die Steigungen der Kurven in der Nähe von ISC und EOC ändern sich.
Die I-U-Kurven beginnen sich erst nach 40 Zyklen zu überlappen, wenn sich die Zellentemperatur stabilisiert hat.
Hinweis: Für eine korrekte Datenauswertung ist es notwendig, die Zellentemperatur zu stabilisieren. Die Durchführung mehrerer aufeinanderfolgender Zyklen hilft zu überprüfen, ob die Temperatur konstant ist. Nur Daten von sich überlappenden I-U-Kurven sollten für endgültige Berechnungen verwendet werden.
Scanrate
Ein weiterer relevanter Parameter bei der Messung von I-U-Kurven ist die Scanrate. Hohe Scanraten können zu einer signifikanten Hysterese zwischen Vorwärts- und Rückwärtszyklus führen (siehe Abbildung 11).
Abbildung 11 – Hystereseeffekt zwischen Vorwärts- und Rückwärtszyklus während eines IV-Experiments.
Hysterese wird hauptsächlich durch Polarisationseffekte sowie durch lichtinduzierte Veränderungen in der Zellchemie verursacht. Unterschiede zwischen Vorwärts- und Rückwärtszyklus erschweren die Datenauswertung und können zu falschen Ergebnissen führen. Um eine geeignete Scanrate zu finden, empfehlen wir, mehrere Zyklen durchzuführen und dabei die Scanrate anzupassen.
Niedrige Scanraten erhöhen die Messzeit, verringern aber den Hystereseeffekt. Außerdem ermöglichen niedrige Scanraten den Betrieb der Zelle im stationären Zustand. Wenn die I-U-Kurven nur eine geringe Hysterese aufweisen, können die Daten des Vorwärts- und Rückwärtszyklus zusammen gemittelt werden.
Zusammenfassung
Dieser Anwendungshinweis bezieht sich auf Messungen mit Farbstoffsolarzellen (DSC). Es werden die Grundprinzipien und der Aufbau von DSCs besprochen. Darüber hinaus werden einige wichtige Parameter erklärt und berechnet.
Es werden Experimente mit echten DSCs unter Verwendung einer roten LED durchgeführt. I-U-Kurven werden gemessen und in Leistungskurven umgewandelt. Beide Kurven werden zur Berechnung verschiedener wichtiger Parameter zur Charakterisierung der DSC verwendet.
Abschließend werden hilfreiche Ratschläge für bessere, zuverlässigere Messungen und Ergebnisse gegeben.