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文本内容:
染料敏化太阳电池光电能量转换效率的测定
一、试验目的了解染料敏化太阳电池的基本工作原理,学习CHI630电化学工作站的基本功能和调谐方法(或恒电位仪测量光电流的方法);了解染料敏化太阳电池的基本结构,测定方法;把握采用IT曲线计算染料敏化太阳电池的能量转换效率
二、试验原理太阳能的采用是一个永恒的课题染料敏化纳米晶光电化学电池以其低成本和高效率而成为硅太阳能电池的有力竞争者染料敏化太阳电池是由透亮导电玻璃、TiO2多孔纳米膜、电解质溶液以及镀箱镜对电极构成的“三明治”式结构图1染料敏化太阳电池的结构示意图与p-n结固态太阳能电池不同的是,在染料敏化太阳电池中光的汲取和光生电荷的分别是分开的图2是染料敏化太阳电池的能级分布和工作原理图图2染料敏化纳米晶太阳能电池的工作原理Ecb半导体的导带边;Evb半导体的价带边;DD分别是染料的基态和激发态;1,匕是氧化还原电解质对电极表面镀一层金属伯上图表示在光照耀太阳电池后电池内的电子直接转移过程⑴染料分子的激发⑵染料分子中激发态的电子注入到Ti的导带CB和VB分别表示Ti的导带底和价带顶从图中可以看出染料分子的能带最好与Ti02的能带重叠这有利于电的注入⑶染料分子通过接受来自电子供体门的电子得以再生⑷注入到Ti导带中的电子与氧化态染料之间的复合此过程会削减流入到外电路中电子的数量,降低电池的光电流
(5)注入到Ti2导带中的电子通过Ti2网格,传输Ti2膜与导电玻璃的接触面后流入到外电路产生光电流
(6)在Ti中传输的电子与13间的复合反应⑺人离子集中到对电极被还原再生完成外电路中电流循环太阳能电池的性能测试系统主要分为五部分,分别为光源,透镜,电池器件,电化学工作站(恒电位仪),计算机,通过对太阳能电池光照下的电流/电压曲线的分析,来测试染料敏化Ti纳米晶光电化学电池的光电压,光电流,光电转换效率等性能衡量光电化学太阳能电池的性能主要有五个评价参数短路光电流(Isc)、开路光电压(Voc)、填充因子(FF)、入射光子到电子的转换效率(IPCE)和能量转换效率
(1)(D短路光电流(Isc)太阳能电池在短路条件下的工作电流此时,电池输出的电压为零
(2)开路光电压(V太阳能电池在开路条件下的输出电压此时,电池的输出电流为零
(3)填充因子(FF)填充因子定义为FF=Pmax/仆Voc
(4)能量转换效率
(71)定义为太阳能电池的最大功率输出与入射太阳光的能量(P.t)之比
三、仪器装置和样品
1.染料敏化的纳米晶太阳电池(未注入电解液)2微量进样器.标准电解液
0.1mol/LLil
0.05mol/LI
20.5mol/L4一叔丁基毗咤(溶剂为体积比为11的PC和乙氟的混合物).恒电位仪,三电极体系(工作电极,参比电极,对电极).辐照计(FZ-A型).然灯光源功率500W.光学导轨及透镜
四、试验步骤.调整光路打开氤灯光源,将辐照计固定在导轨上调整辐照计的相对距离,使辐照强度达到lOOmW/cm并固定位置.打开恒电位仪和计算机电源,屏幕显示清楚后,再打开恒电位仪测量窗口.使用微量进样器抽取肯定量的标准电解液,并将标准电解液沿缝隙边缘灌注至染料敏化纳米晶太阳电池中将工作电极夹在电池的照光一端,参比电极和对电极夹在另一端固定在步骤1中所述位置.使用恒电位仪测量太阳电池的I-V曲线.重复测量辐射照度为75mW/cm2和50mW/cm2下太阳电池的I-V曲线
五、结果处理.依据试验数据作出染料敏化太阳电池的I—V曲线图1图1染料敏化太阳电池的i-v曲线.采用I—V曲线作图得到染料敏化太阳电池的功率输出曲线图2图2染料敏化太阳电池的P-V曲线.依据图1和图2得出PlightmW/cm2IscmAVocVPmaxmW/cm2FF%T|%注:FF=Pmax/Isc*Voc
六、思索题.争论影响太阳电池的光电能量转化效率的因素答影响太阳电池的光电能量转化效率的因素主要有D电池板材料的厚度和外形我们知道,太阳能电池愈薄,电子的移动路径愈短,则其光电转化效率愈高电池板的外形也会影响其光电转化效率,这是由于光照耀到电池板上在正反两面发生的反射、折射等现象从而降低了电池的短路电流适当的电池外型的转变如表面粗化处理、电极外形可以增加阳光入射量、太阳光版的角度调整等,从而提高其光电转化效率;2辐射强度辐射强度不仅影响电流收集短路电流而且影响正向偏压注入电流开路电压,因此会影响太阳能电池的光电转化效率;3电阻的大小依据电路学问,太阳能电池等效为一个抱负电流源、一个正向二极管、一个串联电阻和一个并联电阻所以,在负载肯定的状况下,串联电阻越大,并联电阻越小,那么电流在输出的过程中的损耗就越大,即流经负载上的电流就越小最终其光电转化效率越低,反之将越局.不同辐照强度对能量转化效率有何影响?答:由本次试验结果可知辐射强度越高,能量转化效率越高反之,能量转化效率越低.依据染料敏化太阳电池的结构和原理,争论如何构筑高效率的染料敏化太阳电池器件答
1.为了尽量削减光学损失,我们主要有以下措施⑴电池表面的上接触面积尽可能的小(尽管这可能会提高串联电阻)⑵光照面使用减反射膜⑶采用表面刻蚀削减反射
(4)增加电池厚度提高光汲取(尽管由于截流子复合汲取的光不肯定贡献电流)⑸表面刻蚀与陷光结构增加光在电池中的光路.削减电子一空穴对的复合采纳具有合适性能的半导体材料(尤其是光生载流产寿命长的材料)可以将载流产复合损失降至最低也就是削减材料缺陷从而消退载流子复合通道.电极设计电极就是与P-N结两端形成紧密欧姆接触的导电材料这样的材料应当满意与硅可形成坚固的接触而且接触电阻小、导电性优良、遮挡面积小、收集效率高等要求所示设计原则:让电池的输出最大,即电池的串联电阻尽可能小且电池的光照作用面积尽可能大商品化电池生产中大量被采纳的工艺是铝浆印刷.减小串联电阻,增大并联电阻串联电阻主要是由硅片基体电阻、集中方块电阻、栅线电阻、烧结后的接触电阻等组成因此提高硅片的质量,可以减小它打算的基体电阻;此外金属栅线要窄和厚,即能削减对光的遮挡,又能保持低的电阻形成良好的Pf结,结深
0.5微米左右;电极形成好的欧姆接触等也可以减小串联电阻,从而增大负载上的功率
500.
41350.
29620.
0405133.
10.
081750.
46010.
30050.
0441331.
90.
0591000.
68450.
36680.
0800331.
90.080。