Principii de bază și măsurători
Scopul acestei note
Această notă de aplicație face parte dintr-o serie referitoare la celulele solare cu coloranți. Se discută teoria și diferite tipuri de experimente necesare pentru caracterizarea celulelor solare.
Partea 1 a acestei serii discută principiile de bază ale celulelor solare cu coloranți, configurația acestora și mecanismele electrochimice subiacente.
În plus, caracterizarea celulelor solare cu coloranți este demonstrată prin intermediul unor experimente electrochimice de bază.
Introducere
În vremuri de penurie de combustibili fosili, de creștere a prețului țițeiului, precum și de respingere a surselor de energie convenționale (de exemplu, cărbunele sau centralele nucleare), formele de energie durabilă devin din ce în ce mai mult în centrul atenției. Energia hidroelectrică, energia eoliană, energia geotermală sau prelucrarea biomasei sunt doar câteva dintre aceste resurse durabile.
O altă sursă importantă pentru energia regenerabilă este energia solară. Celulele fotovoltaice și colectoarele solare termice sunt cele mai utilizate.
Celele solare cu colorant (DSC), care sunt discutate în această notă de aplicare, sunt celule cu film subțire. Ele sunt, de asemenea, numite celule solare sensibilizate cu coloranți (DSSC) sau celule Grätzel, după numele chimistului elvețian Michael Grätzel, care a fost foarte implicat în dezvoltarea de noi tipuri de celule.
Fabricarea DSC-urilor este simplă, în cea mai mare parte cu costuri reduse și încorporează materiale ecologice. Ele au un randament bun (aproximativ 10-14 %) chiar și în condiții de flux scăzut de lumină solară.
Cu toate acestea, un dezavantaj major este sensibilitatea la temperatură a electrolitului lichid. Prin urmare, se fac multe cercetări pentru a îmbunătăți performanța electrolitului și stabilitatea celulei.
Teorie
Configurarea unei celule solare cu coloranți
Figura 1 prezintă o schemă simplificată a unei celule solare cu coloranți.
Figura 1 – Configurația simplificată a unei celule solare cu coloranți. Pentru detalii, a se vedea textul.
Anodul unei DSC este format dintr-o placă de sticlă care este acoperită cu o peliculă de oxid conductiv transparent (TCO). Oxidul de indiu și staniu (ITO) sau oxidul de staniu dopat cu fluor sunt cele mai utilizate. Pe această peliculă se aplică un strat subțire de dioxid de titan (TiO2). Semiconductorul prezintă o suprafață mare datorită porozității sale ridicate.
Anodul este îmbibat cu o soluție de colorant care se lipește de TiO2. Colorantul – numit și fotosensibilizator – este în cea mai mare parte un complex de ruteniu sau diverși compuși organici fără metal. În scop demonstrativ, se poate folosi și suc de fructe simplu (cum ar fi cel din mure sau rodii). Acestea conțin pigmenți care sunt, de asemenea, capabili să transforme energia luminoasă în energie electrică.
Catodul unui DSC este o placă de sticlă cu o peliculă subțire de Pt care servește drept catalizator. Ca electrolit se folosește o soluție de iodură/triiodură.
Ambele electrozi sunt presați împreună și sigilați astfel încât celula să nu prezinte scurgeri. O sarcină externă poate fi alimentată atunci când lumina strălucește pe anodul celulei solare cu coloranți.
Principiul unei celule solare cu coloranți
După cum sugerează și numele, mecanismul celulelor solare cu coloranți se bazează pe procesele fotoelectrochimice. Figura 2 prezintă o diagramă energetică a unei celule solare cu coloranți. Următoarea secțiune descrie toate procesele electrochimice relevante.
Figura 2 – Diagrama energetică a unei celule solare cu coloranți. Evidențiate cu roșu sunt toate etapele unice care sunt explicate în text.
ETAPA 1: Molecula de colorant se află inițial în starea sa fundamentală (S). Materialul semiconductor al anodului este la acest nivel energetic (în apropierea benzii de valență) neconductor.
Când lumina luminează celula, moleculele de colorant sunt excitate din starea lor fundamentală într-o stare energetică superioară (S*), vezi ecuația 1.
Eq. 1
Molcula de colorant excitată are acum un conținut energetic mai mare și depășește banda interzisă a semiconductorului.
ETAPA 2: Molecula de colorant excitată (S*) este oxidată (vezi ecuația 2) și un electron este injectat în banda de conducție a semiconductorului. Electronii se pot acum mișca liber, deoarece semiconductorul este conducător la acest nivel energetic.
Ecuația 2
Electronii sunt apoi transportați către colectorul de curent al anodului prin procese de difuzie. O sarcină electrică poate fi alimentată dacă este conectată.
ETAPA 3: Molecula oxidată de colorant (S+) este din nou regenerată prin donare de electroni de la iodura din electrolit (vezi ecuația 3).
Eq. 3
ETAPA 4: În schimb, iodura este regenerată prin reducerea triiodurii de pe catod (vezi ecuația 4).
Ec. 4
Parametri importanți
O celulă solară generează curent atunci când lumina o luminează. Curentul de ieșire depinde în mare măsură de potențialul celulei, precum și de intensitatea luminii incidente. Curbele curent-potențial (numite și curbe I-V) ilustrează această relație.
Similar experimentelor standard de voltametrie ciclică, se aplică un potențial E și se mătură între un potențial inițial și unul final. Se măsoară curentul I al celulei. În plus, o sursă de lumină cu o intensitate constantă este focalizată pe celula solară pentru a genera energie.
Figura 3 prezintă o curbă I-V tipică a unei celule solare pentru intensități luminoase crescânde și atunci când nu este prezentă lumină.
Figura 3 – Diagramă schematică a curbelor I-V cu și fără lumină. Pentru detalii, a se vedea textul.
O celulă solară cu colorant se comportă ca o diodă atunci când nu este prezentă lumina. Nu se generează curent și este nevoie de energie pentru a alimenta celula.
Curbele I-V se deplasează mai mult în jos atunci când lumina este focalizată pe o DSC. Celula solară generează acum un curent care crește odată cu creșterea intensității luminii.
Fluxul de curent este aproape constant la potențiale mai mici. Acesta atinge maximul atunci când potențialul este zero. Curentul generat scade odată cu creșterea potențialului. Acesta este zero la potențialul de circuit deschis. Peste acest potențial, este necesară o tensiune de polarizare externă pentru a alimenta celula. Celula se poate deteriora la valori excesiv de mari.
Din curbele I-V pot fi derivați mai mulți parametri care sunt discutați în secțiunile următoare. Figura 4 prezintă o prezentare schematică a unei curbe I-V, inclusiv a parametrilor.
Figura 4 – Curba I V schematică și curba de putere a unei celule solare. Sunt reprezentați mai mulți parametri importanți. Pentru detalii, a se vedea textul.
Curent de scurtcircuit
Curentul de scurtcircuit ISC este cel mai mare curent care poate fi absorbit de o celulă solară. Tensiunea celulei este în acest punct zero. Prin urmare, puterea generată este, de asemenea, zero.
Eq. 5
Curentul de scurtcircuit crește odată cu creșterea intensității luminoase.
Potențialul de circuit deschis
Potențialul de circuit deschis EOC este cea mai mare tensiune a unei celule solare la o anumită intensitate luminoasă. Este, de asemenea, potențialul la care fluxul de curent printr-o celulă solară este zero.
Eq. 6
EOC crește odată cu creșterea intensității luminoase.
Putere
Puterea generată P de o celulă solară poate fi calculată cu următoarea formulă:
Eq. 7
Puterea calculată poate fi, de asemenea, reprezentată grafic în funcție de potențialul aplicat (vezi figura 4). Curba de putere rezultată prezintă un maxim de putere Pmax.
Factorul de umplere
Factorul de umplere (FF) este un parametru important pentru a specifica capacitățile generale ale unei celule. Acesta descrie calitatea și idealitatea unei celule solare.
Factorul de umplere este raportul dintre puterea maximă generată Pmax și puterea maximă teoretică Ptheo a unei celule solare. Formula generală pentru factorul de umplere este:
Eq. 8
EMP și IMP sunt potențialul și curentul curbei I V unde puterea generată este maximă.
Factorul de umplere poate fi reprezentat și prin dreptunghiuri într-o curbă I-V. Figura 5 prezintă o ilustrare schematică.
Figura 5 – Ilustrație grafică a factorului de umplere. Pentru detalii, a se vedea textul.
În cazul ideal, o curbă I-V este un dreptunghi (zona verde). Maximul de putere este la EOC și ISC, iar factorul de umplere este unu.
Cu toate acestea, condițiile neideale cauzate de efectele parazite scad maximul de putere și curba I-V se rotunjește. Zona reală rezultată care reprezintă maximul de putere (dreptunghiul albastru) este mai mică. Ea este acoperită de potențialul EMP și de curentul IMP.
Rețineți că factorul de umplere nu este egal cu randamentul unei celule solare.
Rezistența în serie și rezistența de șunt
După cum s-a menționat anterior, efectele parazite cauzate de rezistențele interne duc la pierderi de putere într-o celulă solară. Aceste rezistențe pot fi descrise printr-o rezistență serie (RS) și o rezistență de șunt (RSH).
Figura 6 și Figura 7 arată modul în care ambele rezistențe afectează forma unei curbe I-V.
Figura 6 – Efectul rezistenței serie RS asupra formei unei curbe I-V.
Rezistența serie RS poate fi estimată prin inversul pantei în apropierea potențialului de circuit deschis (a se vedea figura 6).
În mod ideal, rezistența serie ar fi zero. Cu toate acestea, rezistențele contactelor metalice sau ale substratului masiv conduc la o cădere de tensiune suplimentară în interiorul celulei. Ca urmare, panta curbei în apropierea EOC scade odată cu creșterea RS. Prin urmare, atât aria de sub curbă, cât și puterea maximă scad.
Rețineți că potențialul circuitului deschis EOC nu este afectat de RS deoarece fluxul de curent este zero. Curentul de scurtcircuit nu este, de asemenea, afectat de RS. Numai valorile foarte mari pot duce la o reducere a ISC.
Figura 7 – Efectul rezistenței de șunt RSH asupra formei unei curbe I V.
RSH poate fi estimat prin panta inversă în apropierea curentului de scurtcircuit ISC (a se vedea figura 7). În cazul ideal, această rezistență este infinită, astfel încât nu există nicio cale suplimentară de curent. Cu cât RSH este mai mică, cu atât mai mult crește panta curbei I V în apropierea curentului de scurtcircuit. Aceasta conduce, de asemenea, la un potențial de circuit deschis mai mic EOC.
Rezistența de șunt RSH poate fi modelată printr-o rezistență paralelă. Ea este cauzată în principal de curentul de scurgere prin celulă cauzat de impurități sau defecte în procesul de fabricație.
Puterea maximă, factorul de umplere și randamentul sunt afectate negativ de rezistențele de șunt mici.
Nota:
Ambele calcule ale RS și RSH trebuie folosite doar ca estimări în apropierea potențialului de circuit deschis și, respectiv, a curentului de scurtcircuit.
Eficiența
Eficiența η este raportul dintre puterea maximă generată Pmax și puterea electrică de intrare Pin de la sursa de lumină.
Eq. 9
Pentru a calcula randamentul, trebuie cunoscută puterea luminii incidente Pin.
Nota: Pentru mai multe informații despre calcularea puterii luminii, consultați nota tehnică Gamry: Măsurarea puterii optice a LED-ului dvs.
Experimente
Secțiunile următoare descriu diverse experimente cu celule solare cu coloranți. Toate accesoriile DSC sunt de la Solaronix. Celula solară utilizează electrozi de titania și platină. Electrolitul este o soluție de iodură/triiodură de 50 mM în acetonitril. Ca colorant se utilizează Ruthenizer 535-bisTBA. Suprafața activă a celulei este de 0,64 cm2.
Figura 8 prezintă o serie de curbe I-V cu intensități luminoase crescânde (de la luminos la întunecat). Potențialul celulei solare a fost balansat între 0 V și potențialul de circuit deschis pentru mai multe cicluri. Viteza de baleiaj a fost de 5 mV/s pentru a asigura o funcționare stabilă a celulei.
Intensitatea luminoasă a LED-ului roșu (625 nm) a fost crescută în trepte de la 5,1 mW la 37,2 mW pentru fiecare curbă. Este prezentat doar ultimul ciclu înainte pentru fiecare intensitate. Distanța dintre LED și celula solară colorantă a fost de 3 cm.
Figura 8 – Serie de curbe I-V cu intensități luminoase crescânde (de la luminos la întunecat). Pentru detalii, a se vedea textul.
Cum era de așteptat, curentul crește odată cu creșterea intensității luminoase. În plus, potențialul de circuit deschis se deplasează spre valori mai mari. Prin urmare, puterea generată de celula solară crește. Figura 9 prezintă curbele de putere corespunzătoare.
Figura 9 – Serie corespunzătoare de curbe de putere cu intensități luminoase crescânde (de la luminos la întunecat).
Maximul de putere Pmax se deplasează ușor spre curenți mai negativi și potențiale mai ridicate.
Tabelul următor enumeră mai mulți parametri care pot fi evaluați din curbele I V și curbele de putere prezentate în Figura 8 și Figura 9.
|
Pin |
ISC |
EOC |
Pmax |
Ptheo |
FF |
FF |
η |
|
Tabelul 1 – Rezumatul parametrilor calculați din curbele I V și curbele de putere.
Factorul de umplere rămâne aproape constant la aproximativ 0,78. Acesta este mai mic la intensități luminoase scăzute.
Eficiența este în general foarte scăzută, la aproximativ 0,6 %. În acest sens, rețineți că pentru aceste experimente a fost utilizat un LED roșu cu o gamă îngustă de lungimi de undă. Eficiența scade ușor odată cu creșterea intensităților luminoase.
În plus, RS și RSH pot fi estimate din pantele unei curbe I-V (a se vedea, de asemenea, figura 6 și figura 7). Tabelul 2 însumează o listă de rezistențe calculate pentru curbele I-V prezentate în figura 8.
|
Pin |
RS @ EOC |
RSH @ ISC |
||
Tabelul 2 – Lista rezistențelor serie RS și a rezistențelor de șunt RSH calculate pentru diferite intensități luminoase.
Rezultatele arată că atât RS cât și RSH scad odată cu creșterea intensităților luminoase. Valorile RS mai mici tind să crească factorul de umplere și eficiența unui DSC. Cu toate acestea, valorile RSH în scădere pot afecta în mod negativ performanța unui DSC.
Ambele tendințe pot fi explicate prin creșterea conductivității cauzată de temperaturile mai ridicate din interiorul celulei. Următoarea secțiune explică efectul temperaturii asupra unui DSC. De asemenea, se abordează diverse aspecte de care ar trebui să se țină cont atunci când se efectuează experimente cu DSC.
Dificultăți la măsurarea celulelor solare
Schimbări de temperatură
Schimbările de temperatură afectează performanța unei celule solare cu coloranți. Celulele solare cu colorant se încălzesc atunci când lumina strălucește asupra celulei. Acest lucru poate afecta factorul de umplere, precum și eficiența unei DSC.
Celele solare cu coloranți sunt foarte sensibile la schimbările de temperatură, deoarece încorporează materiale semiconductoare. Banda interzisă a semiconductorului se îngustează odată cu creșterea temperaturilor (a se vedea, de asemenea, figura 2).
Aceasta duce, pe de o parte, la creșterea conductivității. Ca urmare, curentul de scurtcircuit este în creștere. Pe de altă parte, potențialul de circuit deschis este în scădere. Figura 10 ilustrează acest efect.
Pentru acest experiment, lumina a fost focalizată pe un DSC rece și au fost măsurate mai multe curbe I-V consecutive (de la lumină la întuneric). Intensitatea luminii a fost menținută constantă la 37,2 mW.
Figura 10 – Curbe I V la diferite cicluri. Sunt prezentate ciclurile 1, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60 și 70 (de la luminos la întunecat). Pentru detalii, a se vedea textul.
Început, lumina incidentă încălzește lent celula solară . În această fază, curentul de scurtcircuit și potențialul de circuit deschis sunt în derivă semnificativă, iar pantele curbelor din apropierea ISC și EOC se modifică.
Curbele I-V încep să se suprapună abia după 40 de cicluri, când temperatura celulei s-a stabilizat.
Nota: Pentru o evaluare corectă a datelor, este necesară stabilizarea temperaturii celulei. Efectuarea mai multor cicluri consecutive ajută la verificarea faptului că temperatura este constantă. Numai datele curbelor I-V suprapuse ar trebui să fie utilizate pentru calculele finale.
Rată de scanare
Un alt parametru relevant la măsurarea curbelor I-V este rata de scanare. Vitezele mari de scanare pot duce la o histerezis semnificativă între ciclul înainte și cel invers (a se vedea figura 11).
Figura 11 – Efectul de histerezis între ciclul înainte și cel invers în timpul unui experiment IV.
Histerezisul este cauzat în principal de efectele de polarizare, precum și de modificările induse de lumină în chimia celulei. Diferențele dintre ciclul înainte și cel invers fac ca evaluarea datelor să fie mai dificilă și pot duce la rezultate greșite. Pentru a găsi o rată de scanare adecvată, vă recomandăm să efectuați mai multe cicluri în timp ce reglați rata de scanare.
Ratele de scanare scăzute măresc timpul de măsurare, dar reduc efectul de histerezis. În plus, ratele mici de scanare permit funcționarea în regim staționar a celulei. Dacă curbele I-V prezintă doar o histerezis minoră, datele ciclului înainte și invers pot fi mediate împreună.
Rezumat
Această notă de aplicare se referă la măsurători cu celule solare cu coloranți (DSC). Sunt discutate principiile de bază și configurarea DSC-urilor. În plus, sunt explicați și calculați mai mulți parametri importanți.
Experimentele cu DSC-uri reale sunt efectuate cu ajutorul unui LED roșu. Curbele I-V sunt măsurate și convertite în curbe de putere. Ambele curbe sunt folosite pentru a calcula diferiți parametri importanți pentru caracterizarea DSC.
În final, sunt oferite sfaturi utile pentru măsurători și rezultate mai bune și mai fiabile.
.