Principi di base e misure
Scopo di questa nota
Questa nota applicativa fa parte di una serie riguardante le celle solari dye. Vengono discussi la teoria e vari tipi di esperimenti necessari per la caratterizzazione delle celle solari.
La parte 1 di questa serie discute i principi di base delle celle solari a coloranti, la loro configurazione e i meccanismi elettrochimici sottostanti.
Inoltre, la caratterizzazione delle celle solari a coloranti viene dimostrata per mezzo di esperimenti elettrochimici di base.
Introduzione
In tempi di carenza di combustibili fossili, di aumento dei prezzi del greggio, così come di rifiuto delle fonti di energia convenzionali (per esempio carbone o centrali nucleari), le forme di energia sostenibile diventano sempre più al centro delle attenzioni. L’energia idroelettrica, eolica, geotermica o la lavorazione della biomassa sono solo alcune di queste risorse sostenibili.
Un’altra importante fonte di energia rinnovabile è l’energia solare. Il fotovoltaico e i collettori solari termici sono i più usati.
Le celle solari a colorante (DSC) che sono discusse in questa nota di applicazione sono celle a film sottile. Sono anche chiamate celle solari sensibilizzate a coloranti (DSSC) o celle Grätzel, dal nome del chimico svizzero Michael Grätzel, che fu molto coinvolto nello sviluppo di nuovi tipi di celle.
La fabbricazione delle DSC è semplice, per lo più a basso costo, e incorporano materiali ecologici. Hanno una buona efficienza (circa 10-14%) anche sotto un basso flusso di luce solare.
Tuttavia, uno svantaggio importante è la sensibilità alla temperatura dell’elettrolita liquido. Quindi molte ricerche sono in corso per migliorare le prestazioni dell’elettrolita e la stabilità della cella.
Teoria
Impostazione di una cella solare a coloranti
La figura 1 mostra uno schema semplificato di una cella solare a coloranti.
Figura 1 – Impostazione semplificata di una cella solare a coloranti. Per i dettagli, vedi il testo.
L’anodo di una DSC consiste in una piastra di vetro che è rivestita con una pellicola di ossido conduttivo trasparente (TCO). L’ossido di indio-stagno (ITO) o l’ossido di stagno drogato al fluoro sono i più usati. Un sottile strato di biossido di titanio (TiO2) è applicato sul film. Il semiconduttore presenta un’alta superficie a causa della sua elevata porosità.
L’anodo è imbevuto di una soluzione di colorante che si lega al TiO2. Il colorante – chiamato anche fotosensibilizzatore – è per lo più un complesso di rutenio o vari composti organici senza metallo. A scopo dimostrativo, si possono usare anche semplici succhi di frutta (come quelli delle more o dei melograni). Essi contengono pigmenti che sono anche in grado di convertire l’energia luminosa in energia elettrica.
Il catodo di un DSC è una piastra di vetro con un sottile film di Pt che serve da catalizzatore. Una soluzione di ioduro/triioduro è usata come elettrolita.
Entrambi gli elettrodi sono premuti insieme e sigillati in modo che la cella non abbia perdite. Un carico esterno può essere alimentato quando la luce brilla sull’anodo della cella solare a coloranti.
Principio di una cella solare a coloranti
Come implica il nome, il meccanismo delle celle solari a coloranti si basa sui processi fotoelettrochimici. La figura 2 mostra un diagramma energetico di una cella solare a coloranti. La sezione seguente descrive tutti i processi elettrochimici rilevanti.
Figura 2 – Diagramma energetico di una cella solare a coloranti. Evidenziati in rosso sono tutti i singoli passi che sono spiegati nel testo.
Passo 1: La molecola di colorante è inizialmente nel suo stato fondamentale (S). Il materiale semiconduttore dell’anodo è a questo livello energetico (vicino alla banda di valenza) non conduttivo.
Quando la luce illumina la cella, le molecole di colorante vengono eccitate dal loro stato fondamentale a uno stato di energia superiore (S*), vedi equazione 1.
Eq. 1
La molecola di colorante eccitata ha ora un contenuto energetico più alto e supera il band gap del semiconduttore.
Passo 2: La molecola di colorante eccitata (S*) viene ossidata (vedi equazione 2) e un elettrone viene iniettato nella banda di conduzione del semiconduttore. Gli elettroni possono ora muoversi liberamente poiché il semiconduttore è conduttivo a questo livello di energia.
Eq. 2
Gli elettroni sono poi trasportati al collettore di corrente dell’anodo tramite processi di diffusione. Un carico elettrico può essere alimentato se collegato.
Passo 3: La molecola di colorante ossidata (S+) è nuovamente rigenerata dalla donazione di elettroni dallo ioduro nell’elettrolita (vedi equazione 3).
Eq. 3
Passo 4: In cambio, lo ioduro è rigenerato dalla riduzione del triioduro sul catodo (vedi equazione 4).
Eq. 4
Parametri importanti
Una cella solare genera corrente quando la luce la colpisce. La corrente in uscita dipende fortemente dal potenziale della cella e dall’intensità della luce incidente. Le curve corrente-potenziale (chiamate anche curve I-V) illustrano questa relazione.
Similmente agli esperimenti standard di volturammetria ciclica, un potenziale E viene applicato e fatto oscillare tra un potenziale iniziale e finale. La corrente I della cella viene misurata. Inoltre, una fonte di luce con un’intensità costante è focalizzata sulla cella solare per generare energia.
La figura 3 mostra una tipica curva I-V di una cella solare per intensità di luce crescente e in assenza di luce.
Figura 3 – Diagramma schematico delle curve I-V con e senza luce. Per i dettagli, vedere il testo.
Una cella solare colorata si comporta come un diodo quando non c’è luce. Non viene generata alcuna corrente e l’energia è necessaria per alimentare la cella.
Le curve I-V si spostano più in basso quando la luce si concentra su una DSC. La cella solare genera ora corrente che aumenta con l’aumentare dell’intensità della luce.
Il flusso di corrente è quasi costante ai potenziali più bassi. Raggiunge il suo massimo quando il potenziale è zero. La corrente generata diminuisce con l’aumento del potenziale. È zero al potenziale di circuito aperto. Al di sopra di questo potenziale, una tensione di polarizzazione esterna è necessaria per alimentare la cella. La cella può essere danneggiata a valori troppo alti.
Diversi parametri possono essere derivati dalle curve I-V che sono discusse nelle sezioni seguenti. La figura 4 mostra una panoramica schematica di una curva I-V che include i parametri.
Figura 4 – Curva I V schematica e curva di potenza di una cella solare. Sono mostrati diversi parametri importanti. Per i dettagli, vedi il testo.
Corrente di corto circuito
La corrente di corto circuito ISC è la massima corrente che può essere prelevata da una cella solare. La tensione della cella è a questo punto zero. Quindi anche la potenza generata è zero.
Eq. 5
La corrente di cortocircuito aumenta con l’aumentare dell’intensità della luce.
Potenziale di circuito aperto
Il potenziale di circuito aperto EOC è la massima tensione di una cella solare ad una data intensità luminosa. È anche il potenziale in cui il flusso di corrente attraverso una cella solare è zero.
Eq. 6
EOC è crescente con l’aumentare dell’intensità luminosa.
Potenza
La potenza generata P di una cella solare può essere calcolata dalla seguente formula:
Eq. 7
La potenza calcolata può anche essere tracciata in funzione del potenziale applicato (vedi Figura 4). La curva di potenza risultante mostra un massimo di potenza Pmax.
Fattore di riempimento
Il fattore di riempimento (FF) è un parametro importante per specificare le capacità generali di una cella. Descrive la qualità e l’idealità di una cella solare.
Il fattore di riempimento è il rapporto tra la potenza massima generata Pmax e la potenza massima teorica Ptheo di una cella solare. La formula generale per il fattore di riempimento è:
Eq. 8
EMP e IMP sono potenziale e corrente della curva I V dove la potenza generata è al massimo.
Il fattore di riempimento può essere rappresentato anche da rettangoli in una curva I-V. La figura 5 mostra un’illustrazione schematica.
Figura 5 – Illustrazione grafica del fattore di riempimento. Per i dettagli, vedere il testo.
Nel caso ideale, una curva I-V è un rettangolo (area verde). Il massimo di potenza è a EOC e ISC e il fattore di riempimento è uno.
Tuttavia, condizioni non ideali causate da effetti parassiti diminuiscono il massimo di potenza e la curva I-V si arrotonda. L’area reale risultante che rappresenta il massimo di potenza (rettangolo blu) è più piccola. Essa è coperta dal potenziale EMP e dalla corrente IMP.
Nota che il fattore di riempimento non è uguale all’efficienza di una cella solare.
Resistenza in serie e shunt
Come detto prima, gli effetti parassiti causati dalle resistenze interne portano alla perdita di potenza in una cella solare. Queste resistenze possono essere descritte da una resistenza serie (RS) e una resistenza shunt (RSH).
La figura 6 e la figura 7 mostrano come entrambe le resistenze influenzano la forma di una curva I-V.
Figura 6 – Effetto della resistenza serie RS sulla forma di una curva I-V.
La resistenza in serie RS può essere stimata dall’inverso della pendenza vicino al potenziale di circuito aperto (vedi figura 6).
In teoria, la resistenza in serie sarebbe zero. Tuttavia, le resistenze dei contatti metallici o del substrato bulk portano a un’ulteriore caduta di tensione all’interno della cella. Di conseguenza, la pendenza della curva vicino all’EOC diminuisce all’aumentare della RS. Quindi sia l’area sotto la curva che la potenza massima diminuiscono.
Nota che il potenziale a circuito aperto EOC non è influenzato da RS perché il flusso di corrente è zero. Anche la corrente di corto circuito non è influenzata da RS. Solo valori molto grandi possono portare a una riduzione di ISC.
Figura 7 – Effetto della resistenza shunt RSH sulla forma di una curva I V.
RSH può essere stimato dalla pendenza inversa vicino alla corrente di corto circuito ISC (vedi Figura 7). Nel caso ideale, questa resistenza è infinita in modo che non esiste alcun percorso di corrente aggiuntivo. Più bassa è la RSH, più la pendenza della curva I V aumenta vicino alla corrente di corto circuito. Questo porta anche a un minore potenziale a circuito aperto EOC.
La resistenza shunt RSH può essere modellata da una resistenza parallela. È principalmente causata dalla corrente di dispersione attraverso la cella causata da impurità o difetti nel processo di fabbricazione.
La potenza massima, il fattore di riempimento e l’efficienza sono influenzati negativamente da piccole resistenze shunt.
Nota:
Entrambi i calcoli di RS e RSH dovrebbero essere usati solo come stime vicino al potenziale a circuito aperto e alla corrente di cortocircuito rispettivamente.
Efficienza
L’efficienza η è il rapporto tra la potenza massima generata Pmax e la potenza elettrica in ingresso Pin dalla sorgente luminosa.
Eq. 9
Per calcolare l’efficienza, bisogna conoscere la potenza della luce incidente Pin.
Nota: Per maggiori informazioni sul calcolo della potenza della luce, vedi la nota tecnica di Gamry: Measuring the Optical Power of your LED
Experiments
Le seguenti sezioni descrivono vari esperimenti con celle solari a colorante. Tutti gli accessori DSC sono della Solaronix. La cella solare utilizza elettrodi di titania e platino. L’elettrolita è una soluzione di ioduro/triioduro 50 mM in acetonitrile. Il Ruthenizer 535-bisTBA è usato come colorante. L’area attiva della cella è di 0,64 cm2.
La figura 8 mostra una serie di curve I-V con intensità di luce crescente (da chiaro a scuro). Il potenziale della cella solare è stato spazzato tra 0 V e il potenziale di circuito aperto per diversi cicli. La velocità di spazzata era di 5 mV/s per garantire un funzionamento stabile della cella.
L’intensità luminosa del LED rosso (625 nm) è stata aumentata gradualmente da 5,1 mW a 37,2 mW per ogni curva. Viene mostrato solo l’ultimo ciclo in avanti per ogni intensità. La distanza tra il LED e la cella solare dye era di 3 cm.
Figura 8 – Serie di curve I-V con intensità di luce crescente (da luminoso a scuro). Per i dettagli, vedere il testo.
Come previsto, la corrente aumenta con l’aumentare dell’intensità della luce. Inoltre, il potenziale a circuito aperto si sposta verso valori più alti. Quindi la potenza generata dalla cella solare aumenta. La figura 9 mostra le curve di potenza corrispondenti.
Figura 9 – Serie corrispondente di curve di potenza con intensità di luce crescente (da chiaro a scuro).
Il massimo della potenza Pmax si sposta leggermente verso correnti più negative e potenziali più alti.
La seguente tabella elenca diversi parametri che possono essere valutati dalle curve I V e dalle curve di potenza mostrate nella Figura 8 e Figura 9.
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Pin |
ISC |
EOC |
Pmax |
Ptheo |
FF |
η |
Tabella 1 – Sintesi dei parametri calcolati dalle curve I V e dalle curve di potenza.
Il fattore di riempimento rimane quasi costante a circa 0,78. È più piccolo a basse intensità di luce.
L’efficienza è in generale molto bassa a circa 0,6%. A questo proposito, si noti che per questi esperimenti è stato utilizzato un LED rosso con una gamma di lunghezza d’onda stretta. L’efficienza diminuisce leggermente con l’aumentare dell’intensità della luce.
Inoltre, RS e RSH possono essere stimati dalle pendenze di una curva I-V (vedi anche la figura 6 e la figura 7). La tabella 2 riassume un elenco di resistenze calcolate per le curve I-V mostrate nella figura 8.
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Pin |
RS @ EOC |
RSH @ ISC |
Tabella 2 – Elenco delle resistenze serie RS e delle resistenze shunt RSH calcolate per diverse intensità di luce.
I risultati mostrano che sia RS che RSH diminuiscono con l’aumentare dell’intensità della luce. Valori RS più bassi tendono ad aumentare il fattore di riempimento e l’efficienza di un DSC. Tuttavia, valori RSH decrescenti possono influenzare negativamente le prestazioni di un DSC.
Entrambe le tendenze possono essere spiegate dall’aumento della conduttività causato da temperature più elevate all’interno della cella. La sezione seguente spiega l’effetto della temperatura su un DSC. Affronta anche varie questioni che dovrebbero essere prese in considerazione quando si eseguono esperimenti con i DSC.
Difficoltà quando si misurano le celle solari
Le variazioni di temperatura
Le variazioni di temperatura influenzano le prestazioni di una cella solare a coloranti. Le celle solari a coloranti si riscaldano quando la luce illumina la cella. Questo può influenzare il fattore di riempimento e l’efficienza di una DSC.
Le celle solari a coloranti sono molto sensibili ai cambiamenti di temperatura perché incorporano materiali semiconduttori. Il band gap del semiconduttore si restringe con l’aumento della temperatura (vedi anche la figura 2).
Questo porta da un lato all’aumento della conducibilità. Come risultato, la corrente di cortocircuito aumenta. D’altra parte, il potenziale a circuito aperto sta diminuendo. La figura 10 illustra questo effetto.
Per questo esperimento, la luce è stata focalizzata su un DSC freddo e sono state misurate diverse curve I-V consecutive (da chiaro a scuro). L’intensità della luce è stata mantenuta costante a 37,2 mW.
Figura 10 – Curve I V a diversi cicli. Sono mostrati il 1°, 5°, 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60° e 70° ciclo (da chiaro a scuro). Per i dettagli, vedere il testo.
Inizialmente, la luce incidente riscalda lentamente la cella solare. In questa fase, la corrente di corto circuito e il potenziale di circuito aperto sono alla deriva in modo significativo e le pendenze delle curve vicino a ISC e EOC stanno cambiando.
Le curve I-V iniziano a sovrapporsi solo dopo 40 cicli quando la temperatura della cella si è stabilizzata.
Nota: Per una corretta valutazione dei dati, è necessario stabilizzare la temperatura della cella. L’esecuzione di diversi cicli consecutivi aiuta a verificare che la temperatura sia costante. Solo i dati delle curve I-V sovrapposte dovrebbero essere usati per i calcoli finali.
Scan rate
Un altro parametro rilevante quando si misurano le curve I-V è la velocità di scansione. Elevate velocità di scansione possono portare a una significativa isteresi tra il ciclo in avanti e quello inverso (vedi Figura 11).
Figura 11 – Effetto di isteresi tra il ciclo in avanti e quello inverso durante un esperimento IV.
L’isteresi è causata principalmente dagli effetti di polarizzazione e dai cambiamenti indotti dalla luce nella chimica della cella. Le differenze tra il ciclo in avanti e quello inverso rendono la valutazione dei dati più difficile e possono portare a risultati errati. Per trovare una velocità di scansione adatta si raccomanda di eseguire diversi cicli mentre si regola la velocità di scansione.
Le velocità di scansione basse aumentano il tempo di misurazione ma riducono l’effetto di isteresi. Inoltre, le basse velocità di scansione permettono il funzionamento della cella allo stato stazionario. Se le curve I-V mostrano solo un’isteresi minore, i dati del ciclo in avanti e del ciclo inverso possono essere mediati insieme.
Sommario
Questa nota di applicazione si riferisce alle misurazioni con celle solari a coloranti (DSC). Vengono discussi i principi di base e la configurazione delle DSC. Inoltre, vengono spiegati e calcolati diversi parametri importanti.
Si eseguono esperimenti con DSC reali utilizzando un LED rosso. Le curve I-V sono misurate e convertite in curve di potenza. Entrambe le curve sono usate per calcolare diversi parametri importanti per caratterizzare il DSC.
Infine, vengono forniti consigli utili per misure e risultati migliori e più affidabili.