染料敏化太陽電池光電能量轉(zhuǎn)換效率的測(cè)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上染料敏化太陽電池光電能量轉(zhuǎn)換效率的測(cè)定一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解染料敏化太陽電池的基本工作原理，學(xué)習(xí)CHI630電化學(xué)工作站的基本功能和調(diào)諧方法(或恒電位儀測(cè)量光電流的方法)；2. 了解染料敏化太陽電池的基本結(jié)構(gòu)，測(cè)定方法；3. 掌握利用I-V曲線計(jì)算染料敏化太陽電池的能量轉(zhuǎn)換效率二、 實(shí)驗(yàn)原理太陽能的利用是一個(gè)永恒的課題。染料敏化納米晶光電化學(xué)電池以其低成本和高效率而成為硅太陽能電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者。染料敏化太陽電池是由透明導(dǎo)電玻璃、TiO2多孔納米膜、電解質(zhì)溶液以及鍍鉑鏡對(duì)電極構(gòu)成的“三明治”式結(jié)構(gòu)。圖1染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖與p-n結(jié)固態(tài)太陽能電池不同的是，在染

2、料敏化太陽電池中光的吸收和光生電荷的分離是分開的。圖2是染料敏化太陽電池的能級(jí)分布和工作原理圖。圖2染料敏化納米晶太陽能電池的工作原理Ecb半導(dǎo)體的導(dǎo)帶邊;Evb半導(dǎo)體的價(jià)帶邊; D,D分別是染料的基態(tài)和激發(fā)態(tài); I,I是氧化還原電解質(zhì)。對(duì)電極表面鍍一層金屬鉑 上圖表示在光照射太陽電池后,電池內(nèi)的電子直接轉(zhuǎn)移過程。(1)染料分子的激發(fā)。(2)染料分子中激發(fā)態(tài)的電子注入到TiO2的導(dǎo)帶,CB和VB分別表示TiO2的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂。從圖中可以看出染料分子的能帶最好與TiO2的能帶重疊,這有利于電的注入。(3)染料分子通過接受來自電子供體的電子,得以再生。(4)注入到TiO2導(dǎo)帶中的電子與氧化態(tài)染料

3、之間的復(fù)合,此過程會(huì)減少流入到外電路中電子的數(shù)量,降低電池的光電流。(5)注入到TiO2導(dǎo)帶中的電子通過TiO2網(wǎng)格,傳輸TiO2膜與導(dǎo)電玻璃的接觸面后流入到外電路,產(chǎn)生光電流。(6)在TiO2中傳輸?shù)碾娮优c間的復(fù)合反應(yīng)。(7) 離子擴(kuò)散到對(duì)電極被還原再生,完成外電路中電流循環(huán)。太陽能電池的性能測(cè)試系統(tǒng)主要分為五部分，分別為光源，透鏡，電池器件，電化學(xué)工作站(恒電位儀)，計(jì)算機(jī)，通過對(duì)太陽能電池光照下的電流/電壓曲線的分析，來測(cè)試染料敏化TiO2納米晶光電化學(xué)電池的光電壓，光電流，光電轉(zhuǎn)換效率等性能。衡量光電化學(xué)太陽能電池的性能主要有五個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)：短路光電流(ISC)、開路光電壓(VOC)、填

4、充因子(FF)、入射光子到電子的轉(zhuǎn)換效率(IPCE)和能量轉(zhuǎn)換效率()。(1) 短路光電流(ISC)：太陽能電池在短路條件下的工作電流。此時(shí)，電池輸出的電壓為零。(2) 開路光電壓(VOC)：太陽能電池在開路條件下的輸出電壓。此時(shí)，電池的輸出電流為零。(3) 填充因子(FF)：填充因子定義為：FF= Pmax / ISC VOC。(4) 能量轉(zhuǎn)換效率()：定義為太陽能電池的最大功率輸出與入射太陽光的能量(Plight)之比。三、 儀器裝置和樣品1. 染料敏化的納米晶太陽電池（未注入電解液）2. 微量進(jìn)樣器3. 標(biāo)準(zhǔn)電解液：0.1 mol/L LiI ， 0.05mol/L I2 ，0.5 mo

5、l/L 4叔丁基吡啶（溶劑為體積比為1：1的PC和乙氰的混合物）4. 恒電位儀，三電極體系（工作電極，參比電極，對(duì)電極）5. 輻照計(jì)（FZ-A型）6. 氙燈光源（功率500W）7. 光學(xué)導(dǎo)軌及透鏡四、 實(shí)驗(yàn)步驟1. 調(diào)節(jié)光路：打開氙燈光源，將輻照計(jì)固定在導(dǎo)軌上。調(diào)節(jié)輻照計(jì)的相對(duì)距離，使輻照強(qiáng)度達(dá)到100mW/cm2并固定位置。2. 打開恒電位儀和計(jì)算機(jī)電源，屏幕顯示清晰后，再打開恒電位儀測(cè)量窗口。3. 使用微量進(jìn)樣器抽取一定量的標(biāo)準(zhǔn)電解液，并將標(biāo)準(zhǔn)電解液沿縫隙邊緣灌注至染料敏化納米晶太陽電池中。將工作電極夾在電池的照光一端，參比電極和對(duì)電極夾在另一端。固定在步驟1中所述位置。4. 使用恒電位儀

6、測(cè)量太陽電池的I-V曲線。5. 重復(fù)測(cè)量輻射照度為75mW/cm2和50mW/cm2下太陽電池的I-V曲線。五、 結(jié)果處理1. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出染料敏化太陽電池的IV曲線圖1。圖1染料敏化太陽電池的I-V曲線2. 利用IV曲線作圖得到染料敏化太陽電池的功率輸出曲線圖2。圖2染料敏化太陽電池的P-V曲線3. 根據(jù)圖1和圖2得出：Plight（mW/cm2）ISC（mA）VOC（V）Pmax（mW/cm2）FF(%)(%)500.4135029620.0405133.10.081750.46010.30050.0441331.90.0591000.68450.36680.0800331.90.08

7、0注：FF=Pmax/(Isc*Voc)六、思考題1. 討論影響太陽電池的光電能量轉(zhuǎn)化效率的因素。答：影響太陽電池的光電能量轉(zhuǎn)化效率的因素主要有：（1） 電池板材料的厚度和外形：我們知道，太陽能電池愈薄，電子的移動(dòng)路徑愈短，則其光電轉(zhuǎn)化效率愈高。電池板的外形也會(huì)影響其光電轉(zhuǎn)化效率，這是由于光照射到電池板上，在正反兩面發(fā)生的反射、折射等現(xiàn)象，從而降低了電池的短路電流。適當(dāng)?shù)碾姵赝庑偷母淖?如表面粗化處理、電極形狀)可以增加陽光入射量、太陽光版的角度調(diào)整等，從而提高其光電轉(zhuǎn)化效率；（2） 輻射強(qiáng)度：輻射強(qiáng)度不僅影響電流收集（短路電流）而且影響正向偏壓注入電流（開路電壓），因此會(huì)影響太陽能電池的光電

8、轉(zhuǎn)化效率；（3） 電阻的大小：根據(jù)電路知識(shí)，太陽能電池等效為一個(gè)理想電流源、一個(gè)正向二極管、一個(gè)串聯(lián)電阻和一個(gè)并聯(lián)電阻。所以，在負(fù)載一定的情況下，串聯(lián)電阻越大，并聯(lián)電阻越小，那么電流在輸出的過程中的損耗就越大，即流經(jīng)負(fù)載上的電流就越小。最終其光電轉(zhuǎn)化效率越低，反之將越高。2. 不同輻照強(qiáng)度對(duì)能量轉(zhuǎn)化效率有何影響？答:由本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：輻射強(qiáng)度越高，能量轉(zhuǎn)化效率越高。反之，能量轉(zhuǎn)化效率越低。3. 根據(jù)染料敏化太陽電池的結(jié)構(gòu)和原理，討論如何構(gòu)筑高效率的染料敏化太陽電池器件。答：1.為了盡量減少光學(xué)損失，我們主要有以下措施：1 電池表面的上接觸面積盡可能的小(盡管這可能會(huì)提高串聯(lián)電阻）2 光照面使

9、用減反射膜3 利用表面刻蝕減少反射4 增加電池厚度提高光吸收（盡管由于載流子復(fù)合吸收的光不一定貢獻(xiàn)電流）表面刻蝕與陷光結(jié)構(gòu)增加光在電池中的光路2. 減少電子空穴對(duì)的復(fù)合采用具有合適性能的半導(dǎo)體材料(尤其是光生載流產(chǎn)壽命長(zhǎng)的材料)可以將載流產(chǎn)復(fù)合損失降至最低，也就是減少材料缺陷從而消除載流子復(fù)合通道。 3.電極設(shè)計(jì)電極就是與P-N結(jié)兩端形成緊密歐姆接觸的導(dǎo)電材料。這樣的材料應(yīng)該滿足：與硅可形成牢固的接觸而且接觸電阻小、導(dǎo)電性優(yōu)良、遮擋面積小、收集效率高等要求。所示設(shè)計(jì)原則：讓電池的輸出最大，即電池的串聯(lián)電阻盡可能小且電池的光照作用面積盡可能大。商品化電池生產(chǎn)中大量被采用的工藝是鋁漿印刷。4.減小串聯(lián)電阻，增大并聯(lián)電阻串聯(lián)電阻主要是由硅片