DSSC: Färgämneskänsliga solceller

Grundläggande principer och mätningar

Syfte med den här notisen

Den här applikationsnotisen är en del av en serie om färgämneskänsliga solceller. Teori och olika typer av experiment diskuteras som behövs för karakterisering av solceller.
I del 1 av denna serie diskuteras grundläggande principer för färgämnessolceller, deras uppbyggnad och underliggande elektrokemiska mekanismer.
Därutöver demonstreras karakterisering av färgämnessolceller med hjälp av grundläggande elektrokemiska experiment.

Introduktion

I tider av brist på fossila bränslen, stigande råoljepriser samt avvisande av konventionella energikällor (t.ex. kol- eller kärnkraftverk) blir hållbara energiformer mer och mer i fokus för uppmärksamheten. Vattenkraft, vindkraft, geotermisk kraft eller bearbetning av biomassa är bara några av dessa hållbara resurser.

En annan viktig källa för förnybar energi är solenergi. Solceller och solvärmekollektorer är de mest använda.

Solceller med färgämne (DSC) som diskuteras i detta tillämpningsmeddelande är tunnfilmsceller. De kallas också färgämneskänsliga solceller (DSSC) eller Grätzelceller, uppkallade efter den schweiziske kemisten Michael Grätzel som var mycket engagerad i utvecklingen av nya celltyper.

Framställningen av DSC är enkel, oftast billig och innehåller miljövänliga material. De har en god verkningsgrad (ca 10-14 %) även vid lågt flöde av solljus.

En stor nackdel är dock temperaturkänsligheten hos den flytande elektrolyten. Därför pågår mycket forskning för att förbättra elektrolytens prestanda och cellens stabilitet.

Teori

Uppbyggnad av en färgämnessolcell

Figur 1 visar ett förenklat diagram av en färgämnessolcell.

Anoden i en färgämnessolcell består av en glasplatta som är belagd med en transparent ledande oxidfilm (TCO-film). Indiumtinnoxid (ITO) eller fluordopad tennoxid är de mest använda. Ett tunt lager titandioxid (TiO2) appliceras på filmen. Halvledaren uppvisar en stor yta på grund av sin höga porositet.

Anoden blötläggs med en färgämneslösning som binder till TiO2. Färgämnet – även kallat fotosensibiliserare – är oftast ett rutheniumkomplex eller olika organiska metallfria föreningar. För demonstrationsändamål kan även vanlig fruktjuice (t.ex. från björnbär eller granatäpplen) användas. De innehåller pigment som också kan omvandla ljusenergi till elektrisk energi.

Katoden i en DSC är en glasplatta med en tunn Pt-film som fungerar som katalysator. En jodid/triiodidlösning används som elektrolyt.

Båda elektroderna pressas ihop och förseglas så att cellen inte läcker. En extern belastning kan drivas när ljus lyser på färgämnessolcellens anod.

Principen för en färgämnessolcell

Som namnet antyder bygger mekanismen för färgämnessolceller på fotoelektrokemiska processer. Figur 2 visar ett energidiagram för en färgämnessolcell. I följande avsnitt beskrivs alla relevanta elektrokemiska processer.

STEG 1: Färgämnesmolekylen befinner sig initialt i sitt grundtillstånd (S). Halvledarmaterialet i anoden är på denna energinivå (nära valensbandet) icke-ledande.

När ljus lyser på cellen exciteras färgämnesmolekylerna från sitt grundtillstånd till ett högre energitillstånd (S*), se ekvation 1.

Den exciterade färgämnesmolekylen har nu ett högre energiinnehåll och övervinner halvledarens bandgap.

STEG 2: Den exciterade färgämnesmolekylen (S*) oxideras (se ekvation 2) och en elektron injiceras i halvledarens ledningsband. Elektronerna kan nu röra sig fritt eftersom halvledaren är ledande vid denna energinivå.

Elektronerna transporteras sedan via diffusionsprocesser till anodens strömkollektor. En elektrisk belastning kan strömförsörjas om den är ansluten.

STEG 3: Den oxiderade färgämnesmolekylen (S+) regenereras återigen genom elektrondonation från jodiden i elektrolyten (se ekvation 3).

STEG 4: I gengäld regenereras jodid genom reduktion av triiodid på katoden (se ekvation 4).

Väsentliga parametrar

En solcell genererar ström när ljus lyser på den. Utgångsströmmen beror starkt på cellens potential samt intensiteten hos det infallande ljuset. Ström-potentialkurvor (även kallade I-V-kurvor) illustrerar sambandet.

Som i vanliga cykliska voltametriexperiment appliceras en potential E som sveps mellan en initial och en slutlig potential. Cellens ström I mäts. Dessutom fokuseras en ljuskälla med konstant intensitet på solcellen för att generera ström.

Figur 3 visar en typisk I-V-kurva för en solcell för ökande ljusintensitet och när inget ljus är närvarande.

En färgämnessolcell beter sig som en diod när det inte finns något ljus. Ingen ström genereras och energi behövs för att driva cellen.

I-V-kurvorna förskjuts ytterligare nedåt när ljus fokuseras på en DSC. Solcellen genererar nu ström som ökar med ökande ljusintensitet.

Strömflödet är nästan konstant vid lägre potentialer. Det når sitt maximum när potentialen är noll. Den genererade strömmen minskar med ökande potential. Den är noll vid potentialen för öppen krets. Över denna potential behövs en extern förspänning för att driva cellen. Cellen kan skadas vid alltför höga värden.

Flera parametrar kan härledas från I-V-kurvor som diskuteras i följande avsnitt. Figur 4 visar en schematisk översikt över en I-V-kurva inklusive parametrar.

Kortslutningsström

Kortslutningsströmmen ISC är den högsta ström som kan dras från en solcell. Cellspänningen är vid denna punkt noll. Därför är den genererade effekten också noll.

Kortslutningsströmmen ökar med ökande ljusintensitet.

Öppen krets potential

Oppen krets potential EOC är den högsta spänningen i en solcell vid en given ljusintensitet. Det är också den potential där strömflödet genom en solcell är noll.

EOC ökar med ökande ljusintensitet.

Effekt

Den genererade effekten P hos en solcell kan beräknas med följande formel:

Den beräknade effekten kan också plottas mot den applicerade potentialen (se figur 4). Den resulterande effektkurvan uppvisar ett effektmaximum Pmax.

Fyllnadsfaktor

Fyllnadsfaktorn (FF) är en viktig parameter för att specificera en cells totala kapacitet. Den beskriver solcellens kvalitet och idealitet.

Fyllnadsfaktorn är förhållandet mellan maximal genererad effekt Pmax och teoretisk maximal effekt Ptheo för en solcell. Den allmänna formeln för fyllnadsfaktorn är:

EMP och IMP är potential och ström i I V-kurvan där den genererade effekten är maximal.

Fyllnadsfaktorn kan också representeras av rektanglar i en I V-kurva. Figur 5 visar en schematisk illustration.

I idealfallet är en I-V-kurva en rektangel (grönt område). Effektmaximum är vid EOC och ISC och fyllnadsfaktorn är ett.

Men i icke-ideala förhållanden som orsakas av parasitära effekter minskar effektmaximum och I-V-kurvan avrundar. Den resulterande verkliga ytan som representerar effektmaximum (blå rektangel) är mindre. Den täcks av den potentiella EMP och den nuvarande IMP.

Bemärk att fyllnadsfaktorn inte är lika med solcellens verkningsgrad.

Serie- och shuntmotstånd

Som tidigare nämnts leder parasitära effekter orsakade av interna motstånd till effektförlust i en solcell. Dessa motstånd kan beskrivas med ett seriemotstånd (RS) och ett shuntmotstånd (RSH).

Figur 6 och figur 7 visar hur de båda motstånden påverkar formen på en I-V-kurva.

Serieresistansen RS kan uppskattas genom inversen av lutningen nära den öppna kretsens potential (se figur 6).

Idealt skulle serieresistansen vara noll. Men resistanserna hos metallkontakter eller bulksubstratet leder till ett ytterligare spänningsfall i cellen. Som ett resultat av detta minskar kurvans lutning nära EOC med ökande RS. Därför minskar både arean under kurvan och den maximala effekten.

Bemärk att den öppna kretsens potential EOC inte påverkas av RS eftersom strömflödet är noll. Kortslutningsströmmen påverkas inte heller av RS. Endast mycket stora värden kan leda till en minskning av ISC.

RSH kan uppskattas genom den inversa lutningen nära kortslutningsströmmen ISC (se figur 7). I det ideala fallet är detta motstånd oändligt så att det inte finns någon ytterligare strömväg. Ju lägre RSH desto mer ökar lutningen på I V-kurvan nära kortslutningsströmmen. Detta leder också till en mindre öppen krets potential EOC.

Shuntmotståndet RSH kan modelleras med ett parallellt motstånd. Den orsakas huvudsakligen av läckströmmen genom cellen som orsakas av orenheter eller defekter i tillverkningsprocessen.

Effektmaximum, fyllnadsfaktor och verkningsgrad påverkas negativt av små shuntmotstånd.

Effektivitet

Effektiviteten η är förhållandet mellan den maximalt genererade effekten Pmax och den elektriska tillförda effekten Pin från ljuskällan.

För att beräkna verkningsgraden måste effekten av det infallande ljuset Pin vara känd.

Experiment

De följande avsnitten beskriver olika experiment med färgämnessolceller. Alla DSC-tillbehör kommer från Solaronix. I solcellen används titanoxid och platinaelektroder. Elektrolyten är en 50 mM jodid/triodidlösning i acetonitril. Ruthenizer 535-bisTBA används som färgämne. Cellens aktiva yta är 0,64 cm2.

Figur 8 visar en serie I-V-kurvor med ökande ljusintensitet (från ljust till mörkt). Solcellens potential sveptes mellan 0 V och den öppna kretsens potential under flera cykler. Svephastigheten var 5 mV/s för att säkerställa en stationär celldrift.

Ljusintensiteten hos den röda lysdioden (625 nm) ökades stegvis från 5,1 mW till 37,2 mW för varje kurva. Endast den sista framåtgående cykeln för varje intensitet visas. Avståndet mellan lysdioden och färgämnets solcell var 3 cm.

Som väntat ökar strömmen med ökande ljusintensitet. Dessutom förskjuts den öppna kretsens potential till högre värden. Därmed ökar solcellens genererade effekt. Figur 9 visar motsvarande effektkurvor.

Effektmaximum Pmax förskjuts något mot mer negativa strömmar och högre potentialer.

I följande tabell listas flera parametrar som kan utvärderas från I V-kurvorna och effektkurvorna som visas i figur 8 och figur 9.

Tabell 1 – Sammanfattning av de parametrar som beräknats från I V-kurvor och effektkurvor.

Fyllnadsfaktorn förblir nästan konstant på cirka 0,78. Den är mindre vid låga ljusintensiteter.

Varuförbrukningen är i allmänhet mycket låg, ca 0,6 %. I detta avseende bör man notera att en röd lysdiod med ett smalt våglängdsområde användes för dessa experiment. Verkningsgraden minskar något med ökande ljusintensitet.

Det går dessutom att uppskatta RS och RSH från lutningarna på en I-V-kurva (se även figur 6 och figur 7). I tabell 2 sammanfattas en lista över beräknade resistanser för de I-V-kurvor som visas i figur 8.

Tabell 2 – Lista över beräknade seriemotstånd RS och shuntmotstånd RSH för olika ljusintensiteter.

Resultaten visar att både RS och RSH minskar med ökande ljusintensitet. Lägre RS-värden tenderar att öka fyllnadsfaktorn och effektiviteten hos en DSC. Minskande RSH-värden kan dock påverka en DSC:s prestanda negativt.

Båda trenderna kan förklaras av stigande konduktiviteter som orsakas av högre temperaturer i cellen. I följande avsnitt förklaras temperaturens inverkan på en DSC. Det tar också upp olika frågor som man bör ta hänsyn till när man utför experiment med DSC.

Svårigheter vid mätning av solceller

Temperaturförändringar

Temperaturförändringar påverkar prestandan hos en färgämnessolcell. Färgämnesolceller värms upp när ljus lyser på cellen. Detta kan påverka Fillfaktorn samt effektiviteten hos en DSC.

Färgsolceller är mycket känsliga för temperaturförändringar eftersom de innehåller halvledarmaterial. Halvledarens bandgap smalnar av med stigande temperaturer (se även figur 2).

Detta leder å ena sidan till stigande ledningsförmåga. Som ett resultat av detta ökar kortslutningsströmmen. Å andra sidan minskar potentialen i öppen krets. Figur 10 illustrerar denna effekt.

För detta experiment fokuserades ljuset på en kall DSC och flera på varandra följande I-V-kurvor mättes (från ljust till mörkt). Ljusintensiteten hölls konstant på 37,2 mW.

Inledningsvis värmer det infallande ljuset långsamt upp solcellen . I denna fas driver kortslutningsströmmen och potentialen i öppen krets betydligt och lutningarna på kurvorna nära ISC och EOC förändras.

I-V-kurvorna börjar överlappa varandra först efter 40 cykler när celltemperaturen stabiliserats.

Scanhastighet

En annan relevant parameter vid mätning av I-V-kurvor är scanhastigheten. Höga skanningshastigheter kan leda till betydande hysterese mellan framåt- och bakåtcykel (se figur 11).

Hysterese orsakas främst av polariseringseffekter samt av ljusinducerade förändringar i cellens kemi. Skillnader mellan framåt- och bakåtcykel gör datautvärderingen svårare och kan leda till felaktiga resultat. För att hitta en lämplig skanningsfrekvens rekommenderar vi att du utför flera cykler samtidigt som du justerar skanningsfrekvensen.

Låga skanningsfrekvenser ökar mättiden, men de minskar hystereseeffekten. Dessutom möjliggör låga skanningshastigheter stationär celldrift. Om I-V-kurvorna endast visar en mindre hysteres kan data från framåt- och bakåtcykeln medelvärdesbildas tillsammans.

Sammanfattning

Denna tillämpningsanvisning gäller mätningar med färgämnessolceller (DSC). Grundläggande principer och inställningen av DSC diskuteras. Dessutom förklaras och beräknas flera viktiga parametrar.

Experiment med riktiga DSC:er utförs med hjälp av en röd lysdiod. I-V-kurvor mäts och omvandlas till effektkurvor. Båda kurvorna används för att beräkna olika viktiga parametrar för att karakterisera DSC:n.

Slutligt ges användbara råd för bättre och mer tillförlitliga mätningar och resultat.