DSSC: Farvestoffølsomme solceller

Grundlæggende principper og målinger

Sigtet med denne note

Denne applikationsnote er en del af en serie om farvestof-solceller. Der diskuteres teori og forskellige typer eksperimenter, der er nødvendige for karakterisering af solceller.
Del 1 i denne serie diskuterer grundlæggende principper for farvestof-solceller, deres opsætning og de underliggende elektrokemiske mekanismer.
Dertil kommer, at karakterisering af farvestof-solceller demonstreres ved hjælp af grundlæggende elektrokemiske eksperimenter.

Indledning

I tider med mangel på fossile brændstoffer, stigende råoliepriser samt afvisning af konventionelle energikilder (f.eks. kul- eller atomkraftværker) bliver bæredygtige energiformer mere og mere i fokus for opmærksomheden. Vandkraft, vindkraft, geotermisk energi eller forarbejdning af biomasse er blot nogle få af disse bæredygtige ressourcer.

En anden vigtig kilde til vedvarende energi er solenergi. Solcelleanlæg og solvarmeanlæg er de mest udbredte.

Solceller med farvestof (DSC’er), som behandles i dette anvendelsesnotat, er tyndfilmceller. De kaldes også farvestofsensibiliserede solceller (DSSC) eller Grätzel-celler opkaldt efter den schweiziske kemiker Michael Grätzel, der var stærkt involveret i udviklingen af nye celletyper.

Fremstilling af DSC’er er enkel, for det meste billig og omfatter miljøvenlige materialer. De har en god effektivitet (ca. 10-14 %) selv ved lavt sollysflow.

En stor ulempe er imidlertid temperaturfølsomheden af den flydende elektrolyt. Derfor forskes der meget i at forbedre elektrolytens ydeevne og cellens stabilitet.

Theori

Opbygning af en farvestof-solcelle

Figur 1 viser et forenklet diagram af en farvestof-solcelle.

Anoden i en DSC består af en glasplade, som er belagt med en gennemsigtig ledende oxidfilm (TCO). Indium-tinoxid (ITO) eller fluor-dopet tinoxid er de mest anvendte. Der påføres et tyndt lag titandioxid (TiO2) på filmen. Halvdelen udviser et stort overfladeareal på grund af sin høje porøsitet.

Anoden gennemvædes med en farvestofopløsning, som binder sig til TiO2. Farvestoffet – også kaldet fotosensibiliserende stoffer – er for det meste et rutheniumkompleks eller forskellige organiske metalfrie forbindelser. Til demonstrationsformål kan der også anvendes almindelig frugtsaft (f.eks. fra brombær eller granatæbler). De indeholder pigmenter, som også er i stand til at omdanne lysenergi til elektrisk energi.

Katoden i en DSC er en glasplade med en tynd Pt-film, der fungerer som katalysator. Der anvendes en jodid/triiodid-opløsning som elektrolyt.

Både elektroder presses sammen og forsegles, så cellen ikke lækker. En ekstern belastning kan forsynes med strøm, når lys skinner på farvestof-solcellens anode.

Princippet bag en farvestof-solcelle

Som navnet antyder, er mekanismen i farvestof-solceller baseret på de fotoelektrokemiske processer. Figur 2 viser et energidiagram for en farvestof-solcelle. I det følgende afsnit beskrives alle relevante elektrokemiske processer.

Trin 1: Farvestofmolekylet er oprindeligt i sin grundtilstand (S). Anodens halvledermateriale er på dette energiniveau (nær valensbåndet) ikke-ledende.

Når lys skinner på cellen, bliver farvestofmolekylerne exciteret fra deres grundtilstand til en højere energitilstand (S*), jf. ligning 1.

Det exciterede farvestofmolekyle har nu et højere energiindhold og overvinder halvlederens båndgab.

STEG 2: Det exciterede farvestofmolekyle (S*) oxideres (se ligning 2), og en elektron injiceres ind i halvlederens ledningsbånd. Elektronerne kan nu bevæge sig frit, da halvlederen er ledende på dette energiniveau.

Elektronerne transporteres derefter til anodens strømaftager via diffusionsprocesser. En elektrisk belastning kan forsynes med strøm, hvis den er tilsluttet.

TREDJE 3: Det oxiderede farvestofmolekyle (S+) regenereres igen ved elektrondonation fra jodidet i elektrolytten (se ligning 3).

STRUP 4: Til gengæld regenereres jodid ved reduktion af triiodid på katoden (se ligning 4).

Vigtige parametre

En solcelle genererer strøm, når lys skinner på den. Udgangsstrømmen afhænger stærkt af cellens potentiale samt af intensiteten af det indfaldende lys. Strøm-potentialkurver (også kaldet I-V-kurver) illustrerer dette forhold.

Som ved standardcykliske voltammetriforsøg påføres et potentiale E, der påføres og svinges mellem et begyndelses- og slutpotentiale. Strømmen I i cellen måles. Desuden fokuseres en lyskilde med en konstant intensitet på solcellen for at generere strøm.

Figur 3 viser en typisk I-V-kurve for en solcelle ved stigende lysintensitet og uden lys.

En farvestof-solcelle opfører sig som en diode, når der ikke er lys til stede. Der genereres ingen strøm, og der er behov for energi til at drive cellen.

I-V-kurverne forskydes yderligere nedad, når der fokuseres lys på en DSC. Solcellen genererer nu strøm, som øges med stigende lysintensitet.

Strømsstrømmen er næsten konstant ved lavere potentialer. Den når sit maksimum, når potentialet er nul. Den genererede strøm aftager med stigende potentiale. Den er nul ved potentialet ved åben kredsløb. Over dette potentiale er der behov for en ekstern bias-spænding for at forsyne cellen med strøm. Cellen kan blive beskadiget ved for høje værdier.

Der kan udledes flere parametre af I-V-kurver, som gennemgås i de følgende afsnit. Figur 4 viser en skematisk oversigt over en I-V-kurve, herunder parametre.

Kortslutningsstrøm

Kortslutningsstrømmen ISC er den højeste strøm, der kan trækkes fra en solcelle. Cellespændingen er på dette punkt nul. Derfor er den genererede effekt også nul.

Kortslutningsstrømmen stiger med stigende lysintensitet.

Opent kredsløbspotentiale

Det åbne kredsløbspotentiale EOC er den højeste spænding i en solcelle ved en given lysintensitet. Det er også det potentiale, hvor strømmen gennem en solcelle er nul.

EOC er stigende med stigende lysintensitet.

Effekt

Den genererede effekt P af en solcelle kan beregnes ved følgende formel:

Den beregnede effekt kan også plottes over for det påførte potentiale (se figur 4). Den resulterende effektkurve udviser et effektmaksimum Pmax.

Fyldningsfaktor

Fyldningsfaktoren (FF) er en vigtig parameter til at specificere en celles samlede kapacitet. Den beskriver kvaliteten og idealiteten af en solcelle.

Fyldningsfaktoren er forholdet mellem den maksimale genererede effekt Pmax og den teoretiske maksimale effekt Ptheo for en solcelle. Den generelle formel for Fill Factor er:

EMP og IMP er potentialet og strømmen i I V-kurven, hvor den genererede effekt er maksimal.

Fyldningsfaktoren kan også repræsenteres ved rektangler i en I-V-kurve. Figur 5 viser en skematisk illustration.

I det ideelle tilfælde er en I-V-kurve et rektangel (grønt område). Effektmaksimum er ved EOC og ISC, og Fill-faktoren er 1.

Men under ikke ideelle forhold, der skyldes parasitære virkninger, falder effektmaksimummet, og I-V-kurven afrundes. Det resulterende sande område, som repræsenterer effektmaksimum (blåt rektangel), er mindre. Det er dækket af den potentielle EMP og den aktuelle IMP.

Bemærk, at Fill Factor ikke er lig med solcellens virkningsgrad.

Serie- og shuntmodstand

Som nævnt før fører parasitære effekter forårsaget af interne modstande til effekttab i en solcelle. Disse modstande kan beskrives ved en seriemodstand (RS) og en shuntmodstand (RSH).

Figur 6 og figur 7 viser, hvordan begge modstande påvirker formen af en I-V-kurve.

Seriemodstanden RS kan estimeres ved den omvendte af hældningen nær det åbne kredsløbspotentiale (se figur 6).

Idealt ville seriemodstanden være nul. Imidlertid fører modstande fra metalkontakter eller bulk-substratet til et yderligere spændingsfald i cellen. Som følge heraf aftager kurvens hældning i nærheden af EOC med stigende RS. Derfor falder både arealet under kurven og den maksimale effekt.

Bemærk, at det åbne kredsløbspotentiale EOC ikke påvirkes af RS, fordi strømgennemstrømningen er nul. Kortslutningsstrømmen påvirkes heller ikke af RS. Kun meget store værdier kan føre til en reduktion af ISC.

RSH kan estimeres ved hjælp af den omvendte hældning nær kortslutningsstrømmen ISC (se figur 7). I det ideelle tilfælde er denne modstand uendelig, således at der ikke findes nogen yderligere strømvej. Jo lavere RSH, jo mere stiger hældningen af I V-kurven i nærheden af kortslutningsstrømmen. Dette fører også til et mindre åbent kredsløbspotentiale EOC.

Shuntmodstanden RSH kan modelleres ved en parallelmodstand. Den skyldes hovedsagelig lækstrøm gennem cellen forårsaget af urenheder eller defekter i fremstillingsprocessen.

Effektmaksimum, Fill-faktor og effektivitet påvirkes negativt af små shuntmodstande.

Effektivitet

Effektiviteten η er forholdet mellem den maksimale genererede effekt Pmax og den elektriske indgangseffekt Pin fra lyskilden.

For at kunne beregne virkningsgraden skal effekten af det indfaldende lys Pin være kendt.

Eksperimenter

De følgende afsnit beskriver forskellige eksperimenter med farvesolceller. Alt DSC-tilbehør er fra Solaronix. Solcellen anvender titanoxid- og platinelektroder. Elektrolytten er en 50 mM jodid/triiodid-opløsning i acetonitril. Ruthenizer 535-bisTBA anvendes som farvestof. Cellens aktive areal er 0,64 cm2.

Figur 8 viser en række I-V-kurver med stigende lysintensitet (fra lys til mørke). Solcellens potentiale blev svinget mellem 0 V og det åbne kredsløbspotentiale i flere cyklusser. Sweephastigheden var 5 mV/s for at sikre en stationær celledrift.

Lysintensiteten af den røde LED (625 nm) blev trinvis forøget fra 5,1 mW til 37,2 mW for hver kurve. Kun den sidste fremadgående cyklus for hver intensitet er vist. Afstanden mellem LED og farvesolcelle var 3 cm.

Som forventet stiger strømmen med stigende lysintensitet. Desuden forskydes det åbne kredsløbspotentiale til højere værdier. Derfor stiger solcellens genererede effekt. Figur 9 viser de tilsvarende effektkurver.

Effektmaksimum Pmax forskydes en smule i retning af mere negative strømme og højere potentialer.

Den følgende tabel opregner flere parametre, der kan vurderes ud fra I V-kurverne og effektkurverne vist i figur 8 og figur 9.

Tabel 1 – Oversigt over parametre beregnet på grundlag af I V-kurver og effektkurver.

Fyldningsfaktoren forbliver næsten konstant på ca. 0,78. Den er mindre ved lave lysintensiteter.

Virkningsgraden er generelt meget lav og ligger på ca. 0,6 %. I denne henseende skal det bemærkes, at der blev anvendt en rød LED med et snævert bølgelængdeområde til disse eksperimenter. Virkningsgraden falder en smule med stigende lysintensitet.

Dertil kommer, at RS og RSH kan estimeres ud fra hældningerne af en I-V-kurve (se også figur 6 og figur 7). Tabel 2 opsummerer en liste over beregnede modstande for de I-V-kurver, der er vist i figur 8.

Tabel 2 – Liste over de beregnede seriemodstande RS og shuntmodstande RSH for forskellige lysstyrker.

Resultaterne viser, at både RS og RSH er faldende med stigende lysintensitet. Lavere RS-værdier har en tendens til at øge Fill-faktoren og effektiviteten af en DSC. Faldende RSH-værdier kan imidlertid påvirke en DSC’s ydeevne negativt.

Både tendenserne kan forklares ved stigende ledningsevner forårsaget af højere temperaturer i cellen. I det følgende afsnit forklares virkningen af temperatur på en DSC. Det omhandler også forskellige spørgsmål, som man bør tage hensyn til, når man udfører eksperimenter med DSC’er.

Sværdigheder ved måling af solceller

Temperaturændringer

Temperaturændringer påvirker ydeevnen af en farvesolcelle. Farvestof-solceller bliver varme, når der skinner lys på cellen. Dette kan påvirke Fill-faktoren såvel som effektiviteten af en DSC.

Farve-solceller er meget følsomme over for temperaturændringer, da de indeholder halvledermaterialer. Halvlederens båndgab indsnævres med stigende temperaturer (se også figur 2).

Dette fører på den ene side til stigende ledningsevner. Som følge heraf stiger kortslutningsstrømmen. På den anden side falder potentialet ved åben kreds. Figur 10 illustrerer denne effekt.

Til dette forsøg blev der fokuseret lys på en kold DSC, og flere på hinanden følgende I-V-kurver blev målt (fra lys til mørk). Lysintensiteten blev holdt konstant på 37,2 mW.

I begyndelsen varmer det indfaldende lys solcellen langsomt op . I denne fase driver kortslutningsstrømmen og potentialet i åbent kredsløb betydeligt, og kurvernes hældninger nær ISC og EOC ændrer sig.

I-V-kurverne begynder først at overlappe efter 40 cyklusser, når celletemperaturen er stabiliseret.

Scanningshastighed

En anden relevant parameter ved måling af I-V-kurver er scanningshastigheden. Høje scanningshastigheder kan føre til betydelig hysterese mellem fremadgående og omvendt cyklus (se figur 11).

Hysterese skyldes hovedsagelig polariseringseffekter samt lysinducerede ændringer i cellens kemi. Forskelle mellem fremadgående og omvendt cyklus gør dataevaluering vanskeligere og kan føre til forkerte resultater. For at finde en passende scanningshastighed anbefaler vi, at du udfører flere cyklusser, mens du justerer scanningshastigheden.

Lave scanningshastigheder øger måletiden, men de reducerer hystereseeffekten. Desuden giver lave scanningshastigheder mulighed for stationær celledrift. Hvis I-V-kurverne kun viser mindre hysterese, kan data fra fremadgående og omvendt cyklus midles sammen.

Summary

Denne applikationsnote vedrører målinger med farvesolceller (DSC’er). De grundlæggende principper og opsætningen af DSC’er behandles. Desuden forklares og beregnes flere vigtige parametre.

Der udføres eksperimenter med rigtige DSC’er ved hjælp af en rød LED. I-V-kurver måles og omdannes til effektkurver. Begge kurver bruges til at beregne forskellige vigtige parametre til karakterisering af DSC’en.

Slutteligt gives nyttige råd til bedre og mere pålidelige målinger og resultater.