Az alapelvek és mérések
A jelen jegyzet célja
Ez az alkalmazási jegyzet a festék napelemekkel kapcsolatos sorozat része. A napelemek jellemzéséhez szükséges elméletet és különböző típusú kísérleteket tárgyalja.
A sorozat 1. része a festékes napelemek alapelveit, felépítésüket és a mögöttes elektrokémiai mechanizmusokat tárgyalja.
Ezeken kívül a festékes napelemek jellemzését mutatja be alapvető elektrokémiai kísérletekkel.
Bevezetés
A fosszilis üzemanyaghiány, a növekvő nyersolajárak, valamint a hagyományos energiaforrások (pl. szén- vagy atomerőművek) elutasítása idején a fenntartható energiaformák egyre inkább a figyelem középpontjába kerülnek. A vízenergia, a szélenergia, a geotermikus energia vagy a biomassza feldolgozása csak néhány ilyen fenntartható forrás.
A megújuló energiaforrások másik fontos forrása a napenergia. A fotovoltaikát és a napkollektorokat használják a legszélesebb körben.
A jelen alkalmazási jegyzetben tárgyalt festékes napelemek (DSC) vékonyfilmes cellák. Nevezik őket festékérzékenyített napelemeknek (DSSC) vagy Grätzel-celláknak is, amelyeket Michael Grätzel svájci vegyészről neveztek el, aki nagy szerepet játszott az új cellatípusok kifejlesztésében.
A DSC-k gyártása egyszerű, többnyire alacsony költségű, és környezetbarát anyagokat tartalmaz. Jó hatásfokkal rendelkeznek (kb. 10-14 %) még alacsony napfényáram mellett is.
Nagy hátrányuk azonban a folyékony elektrolit hőmérsékletérzékenysége. Ezért sok kutatás folyik az elektrolit teljesítményének és a cella stabilitásának javítása érdekében.
elmélet
A festék napelem felépítése
Az 1. ábra a festék napelem egyszerűsített ábráját mutatja.
1. ábra – A festék napelem egyszerűsített felépítése. A részleteket lásd a szövegben.
A DSC anódja egy üveglapból áll, amelyet átlátszó vezető oxid (TCO) filmmel vonnak be. Legelterjedtebb az indium-ón-oxid (ITO) vagy a fluorral adalékolt ón-oxid. A filmre vékony titán-dioxid (TiO2) réteget visznek fel. A félvezető nagy felületet mutat a nagy porozitása miatt.
Az anódot festékoldattal itatják át, amely a TiO2-hez kötődik. A festék – más néven fotoszenzibilizátor – többnyire rúthéniumkomplex vagy különböző szerves fémmentes vegyületek. Demonstrációs célokra egyszerű gyümölcslé (például szederből vagy gránátalmából) is használható. Ezek olyan pigmenteket tartalmaznak, amelyek szintén képesek a fényenergiát elektromos energiává alakítani.
A DSC katódja egy katalizátorként szolgáló, vékony Pt-filmmel ellátott üveglap. Elektrolitként jodid/trijodid oldatot használnak.
A két elektródát összepréselik és lezárják, hogy a cella ne szivárogjon. Egy külső terhelés táplálható, ha a festék napelem anódjára fény világít.
A festék napelem elve
Amint a neve is mutatja, a festék napelemek mechanizmusa a fotoelektrokémiai folyamatokon alapul. A 2. ábra egy festék napelem energiadiagramját ábrázolja. A következő részben az összes lényeges elektrokémiai folyamatot ismertetjük.
2. ábra – A festék napelem energiadiagramja. Pirossal kiemelve minden egyes lépés, amelyet a szövegben magyarázunk.
1. LÉPÉS: A festékmolekula kezdetben alapállapotban (S) van. Az anód félvezető anyaga ezen az energiaszinten (a valenciasáv közelében) nem vezető.
Amikor fény éri a cellát, a festékmolekulák alapállapotukból magasabb energiaállapotba (S*) gerjesztődnek, lásd az 1. egyenletet.
egyenlet. 1
A gerjesztett festékmolekula most magasabb energiatartalommal rendelkezik, és átlépi a félvezető sávhézagát.
2. LÉPÉS: A gerjesztett festékmolekula (S*) oxidálódik (lásd a 2. egyenletet), és egy elektron kerül a félvezető vezetési sávjába. Az elektronok most már szabadon mozoghatnak, mivel a félvezető ezen az energiaszinten vezetőképes.
2. egyenlet
Az elektronok ezután diffúziós folyamatokon keresztül az anód áramkollektorába jutnak. Egy elektromos terhelés táplálható, ha csatlakoztatva van.
3. LÉPÉS: Az oxidált festékmolekula (S+) ismét regenerálódik az elektrolitban lévő jodid elektronadományozásával (lásd a 3. egyenletet).
Eq. 3
4. LÉPÉS: Cserébe a jodid regenerálódik a katódon lévő trijodid redukciójával (lásd 4. egyenlet).
4. egyenlet
Fontos paraméterek
A napelem áramot termel, ha fény világít rá. A kimenő áram erősen függ a cella potenciáljától, valamint a beeső fény intenzitásától. Az áram-potenciál görbék (más néven I-V görbék) szemléltetik ezt az összefüggést.
A szokásos ciklikus-voltammetriás kísérletekhez hasonlóan egy E potenciált alkalmazunk, amelyet egy kezdeti és egy végső potenciál között söpörünk. A cella I áramát mérjük. Emellett egy állandó intenzitású fényforrást fókuszálunk a napelemre, hogy áramot termeljünk.
A 3. ábra egy napelem tipikus I-V görbéjét mutatja növekvő fényintenzitás esetén és fény nélkül.
3. ábra – I-V görbék sematikus ábrája fénnyel és fény nélkül. A részleteket lásd a szövegben.
A festékes napelem fény hiányában diódaként viselkedik. Nem keletkezik áram, és energia szükséges a cella működtetéséhez.
Az I-V görbék tovább tolódnak lefelé, amikor fényt fókuszálnak a DSC-re. A napelem most áramot termel, amely a fényintenzitás növekedésével növekszik.
Az áramáram alacsonyabb potenciálokon közel állandó. Maximális értékét akkor éri el, amikor a potenciál nulla. A generált áram a potenciál növekedésével csökken. Nyitott áramköri potenciálnál nulla. E potenciál felett külső előfeszítésre van szükség a cella táplálásához. Túl magas értékeknél a cella károsodhat.
Az I-V görbékből több paraméter is levezethető, amelyeket a következő szakaszokban tárgyalunk. A 4. ábra egy I-V görbe paramétereket tartalmazó sematikus áttekintését mutatja.
4. ábra – Egy napelem sematikus I V görbéje és teljesítménygörbéje. Számos fontos paraméter látható. A részleteket lásd a szövegben.
Rövidzárlati áram
A rövidzárlati áram ISC a legnagyobb áram, amely a napelemből kivehető. A cella feszültsége ekkor nulla. Ezért a termelt teljesítmény is nulla.
5. egyenlet
A rövidzárlati áram a fényerősség növekedésével nő.
Nyitott áramkör potenciál
A nyitott áramkör potenciál EOC a napelem legnagyobb feszültsége adott fényerősség mellett. Ez az a potenciál, ahol a napelemen átfolyó áram nulla.
6. egyenlet
Az EOC a fényintenzitás növekedésével nő.
Teljesítmény
A napelem generált teljesítménye P a következő képlettel számítható ki:
7. egyenlet
A számított teljesítmény az alkalmazott potenciál függvényében is ábrázolható (lásd a 4. ábrát). Az így kapott teljesítménygörbe egy Pmax teljesítménymaximumot mutat.
Töltési tényező
A töltési tényező (FF) fontos paraméter a cella általános képességeinek meghatározásához. A napelem minőségét és ideális voltát írja le.
A kitöltési tényező a napelem maximálisan termelt Pmax teljesítményének és a napelem elméleti maximális Ptheo teljesítményének aránya. A kitöltési tényező általános képlete:
8. egyenlet
EMP és IMP az I-V görbe potenciálja és árama, ahol a termelt teljesítmény maximális.
A kitöltési tényezőt egy I-V görbén téglalapokkal is ábrázolhatjuk. Az 5. ábra egy sematikus ábrázolást mutat.
5. ábra – A Fill-tényező grafikus ábrázolása. A részleteket lásd a szövegben.
Az ideális esetben az I-V görbe egy téglalap (zöld terület). A teljesítménymaximum az EOC és az ISC értékeknél van, a Fill-faktor pedig egy.
A parazita hatások okozta nem ideális körülmények azonban csökkentik a teljesítménymaximumot, és az I-V görbe lekerekül. Az így kapott valódi terület, amely a teljesítménymaximumot képviseli (kék téglalap), kisebb. Ezt fedi le a potenciális EMP és az áram IMP.
Megjegyezzük, hogy a kitöltési tényező nem egyenlő a napelem hatásfokával.
Soros és sönt ellenállás
Mint már említettük, a belső ellenállások által okozott parazita hatások teljesítményveszteséghez vezetnek a napelemben. Ezek az ellenállások soros ellenállással (RS) és söntellenállással (RSH) írhatók le.
A 6. és 7. ábra azt mutatja, hogy a két ellenállás hogyan befolyásolja az I-V görbe alakját.
6. ábra – Az RS soros ellenállás hatása az I-V görbe alakjára.
A soros ellenállás RS becsülhető a meredekség inverzével a nyitott áramköri potenciál közelében (lásd a 6. ábrát).
Ideális esetben a soros ellenállás nulla lenne. A fémérintkezők vagy az ömlesztett szubsztrát ellenállásai azonban további feszültségeséshez vezetnek a cellán belül. Ennek eredményeként a görbe meredeksége az EOC közelében az RS növekedésével csökken. Ezért mind a görbe alatti terület, mind a teljesítménymaximum csökken.
Megjegyezzük, hogy a nyitott áramköri potenciált EOC nem befolyásolja az RS, mivel az áramáramlás nulla. A rövidzárlati áramot szintén nem befolyásolja az RS. Csak nagyon nagy értékek vezethetnek az ISC csökkenéséhez.
7. ábra – A söntellenállás RSH hatása az I V görbe alakjára.
A RSH az ISC rövidzárlati áram melletti inverz meredekségével becsülhető (lásd a 7. ábrát). Ideális esetben ez az ellenállás végtelen, így nincs további áramútvonal. Minél kisebb az RSH, annál jobban nő az I V görbe meredeksége a rövidzárlati áram közelében. Ez egyben kisebb EOC nyitott áramköri potenciálhoz is vezet.
A sönt ellenállás RSH egy párhuzamos ellenállással modellezhető. Ezt főként a cellán átfolyó szivárgási áram okozza, amelyet szennyeződések vagy gyártási hibák okoznak.
A teljesítménymaximumot, a kitöltési tényezőt és a hatásfokot negatívan befolyásolják a kis söntellenállások.
Megjegyzés:
Mindkét számítás RS és RSH csak becslésként használható a nyitott áramkör potenciál, illetve a rövidzárlati áram közelében.
Hatékonyság
A hatásfok η a maximálisan előállított Pmax teljesítmény és a fényforrásból származó elektromos bemeneti teljesítmény Pin aránya.
9. egyenlet
A hatásfok kiszámításához ismerni kell a beeső fény teljesítményét Pin.
Megjegyzés: A fényteljesítmény kiszámításával kapcsolatos további információkért lásd Gamry műszaki jegyzetét: Measuring the Optical Power of your LED
Kísérletek
A következő szakaszokban különböző kísérleteket írunk le festékes napelemekkel. Az összes DSC tartozék a Solaronix cégtől származik. A napelem titanát és platina elektródákat használ. Az elektrolit 50 mM jodid/trijodid oldat acetonitrilben. Festékként rutenizátor 535-bisTBA-t használunk. A cella aktív területe 0,64 cm2.
A 8. ábra I-V görbék sorozatát mutatja növekvő fényintenzitással (világosból sötétbe). A napelem potenciálját több cikluson keresztül 0 V és a nyitott áramköri potenciál között söpörtük. A söprési sebesség 5 mV/s volt a cella állandósult működésének biztosítása érdekében.
A vörös LED (625 nm) fényintenzitását fokozatosan növeltük 5,1 mW-ról 37,2 mW-ra minden egyes görbe esetében. Az egyes intenzitásoknál csak az utolsó előremenő ciklus van feltüntetve. A LED és a festék napelem közötti távolság 3 cm volt.
8. ábra – I-V görbék sorozata növekvő fényintenzitással (világosból a sötétbe). A részleteket lásd a szövegben.
Amint az várható volt, az áram növekszik a fényintenzitás növekedésével. Emellett a nyitott áramköri potenciál is magasabb értékek felé tolódik. Ennélfogva a napelem által termelt teljesítmény növekszik. A 9. ábra mutatja a megfelelő teljesítménygörbéket.
9. ábra – A teljesítménygörbék megfelelő sorozata növekvő fényintenzitással (világosból sötétbe).
A Pmax teljesítménymaximum kissé eltolódik a negatívabb áramok és a magasabb potenciálok felé.
A következő táblázat több olyan paramétert sorol fel, amelyek a 8. és 9. ábrán látható I V görbék és teljesítménygörbék alapján értékelhetők.
|
Pin |
ISC |
EOC |
Pmax |
Ptheo |
FF |
η |
|
1. táblázat – Az I V görbék és a teljesítménygörbék alapján számított paraméterek összefoglalása.
A kitöltési tényező közel állandóan 0,78 körül marad. Alacsony fényintenzitásnál kisebb.
A hatásfok általában nagyon alacsony, körülbelül 0,6 %. Ezzel kapcsolatban megjegyzendő, hogy a kísérletekhez egy szűk hullámhossz-tartományú vörös LED-et használtak. A hatékonyság enyhén csökken a fényintenzitás növekedésével.
Az RS és RSH ezen kívül az I-V görbe meredekségéből is megbecsülhető (lásd még a 6. és 7. ábrát). A 2. táblázat a 8. ábrán látható I-V görbékre számított ellenállások listáját foglalja össze.
|
Pin |
RS @ EOC |
RSH @ ISC |
|
2. táblázat – A számított soros ellenállások RS és sönt ellenállások RSH listája különböző fényerősségekre.
Az eredmények azt mutatják, hogy mind az RS, mind az RSH csökken a fényintenzitás növekedésével. Az alacsonyabb RS-értékek általában növelik a DSC kitöltési tényezőjét és hatékonyságát. A csökkenő RSH-értékek azonban negatívan befolyásolhatják a DSC teljesítményét.
Mindkét tendencia a cellán belüli magasabb hőmérséklet okozta növekvő vezetőképességgel magyarázható. A következő szakasz a hőmérsékletnek a DSC-re gyakorolt hatását ismerteti. Különböző kérdésekkel is foglalkozik, amelyeket figyelembe kell venni a DSC-vel végzett kísérletek során.
Nehézségek a napelemek mérésekor
Hőmérsékletváltozások
A hőmérsékletváltozások befolyásolják a festékes napelem teljesítményét. A festék napelemek felmelegednek, amikor fény süt a cellára. Ez befolyásolhatja a töltési tényezőt, valamint a DSC hatékonyságát.
A festék napelemek nagyon érzékenyek a hőmérséklet-változásokra, mivel félvezető anyagokat tartalmaznak. A félvezető sávhézaga a hőmérséklet növekedésével szűkül (lásd még a 2. ábrát).
Ez egyrészt növekvő vezetőképességhez vezet. Ennek eredményeképpen nő a rövidzárlati áram. Másrészt a nyitott áramköri potenciál csökken. A 10. ábra szemlélteti ezt a hatást.
Ezért a kísérletért a fényt egy hideg DSC-re fókuszálták, és több egymást követő I-V görbét mértek (világosból sötétbe). A fényintenzitást 37,2 mW-on tartottuk állandó értéken.
10. ábra – I-V görbék különböző ciklusoknál. Az 1., 5., 10., 20., 30., 40., 50., 60. és 70. ciklus látható (világosból sötétbe). A részleteket lásd a szövegben.
A beeső fény kezdetben lassan felmelegíti a napelemet. Ebben a fázisban a rövidzárlati áram és a nyitott áramkör potenciálja jelentősen sodródik, és a görbék meredeksége az ISC és az EOC közelében változik.
Az I-V görbék csak 40 ciklus után kezdenek átfedni, amikor a cella hőmérséklete stabilizálódik.
Megjegyzés: A helyes adatkiértékeléshez szükséges a cella hőmérsékletének stabilizálása. Több egymást követő ciklus lefuttatása segít a hőmérséklet állandóságának ellenőrzésében. A végső számításokhoz csak az egymást átfedő I-V görbék adatait szabad felhasználni.
Scan rate
A másik lényeges paraméter az I-V görbék mérésekor a scan rate. A nagy letapogatási sebesség jelentős hiszterézist eredményezhet az előre- és a hátrameneti ciklus között (lásd a 11. ábrát).
11. ábra – Hiszterézishatás az előre- és a hátrameneti ciklus között egy IV kísérlet során.
A hiszterézist elsősorban a polarizációs hatások, valamint a fény által kiváltott változások okozzák a cella kémiájában. Az előremenő és a fordított ciklus közötti különbségek megnehezítik az adatok kiértékelését, és téves eredményekhez vezethetnek. A megfelelő pásztázási sebesség megtalálása érdekében javasoljuk, hogy a pásztázási sebesség beállítása közben több ciklust végezzen el.
Az alacsony pásztázási sebesség növeli a mérési időt, de csökkenti a hiszterézishatást. Ezenkívül az alacsony letapogatási sebességek lehetővé teszik a cella állandósult működését. Ha az I-V görbék csak csekély hiszterézist mutatnak, az előremenő és a hátramenő ciklus adatai együttesen átlagolhatók.
Összefoglaló
Ez az alkalmazási megjegyzés a festékes napelemekkel (DSC) végzett mérésekre vonatkozik. A DSC-k alapelveit és beállítását tárgyalja. Ezenkívül számos fontos paramétert ismertetünk és kiszámítunk.
Vörös LED segítségével valós DSC-kkel végzett kísérleteket végzünk. I-V görbéket mérünk és átalakítjuk teljesítménygörbékké. Mindkét görbét a DSC jellemzésére szolgáló különböző fontos paraméterek kiszámításához használjuk.
Végül hasznos tanácsokat adunk a jobb, megbízhatóbb mérésekhez és eredményekhez.