CN103605029B - 一种染料敏化太阳能电池电子寿命分布的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种染料敏化太阳能电池电子寿命分布的测量方法，通过在一定入射光波长下改变光强对染料敏化太阳能电池的开路电压、短路电流、电子电量进行准连续测定，并依据染料敏化太阳能电池中电解质的氧化还原电势得到纳米多孔薄膜表面态电子的寿命分布。本发明的优点是：该测量方法可以获得处于不同能级的光生电子的电子寿命，有助于进一步研究染料敏化太阳能电池中多孔薄膜的界面电子转移机制，为研究多孔二氧化钛薄膜界面电子转移提供了可靠地表征手段，对高效染料敏化太阳能电池的设计和开发具有重要指导意义。

Description

一种染料敏化太阳能电池电子寿命分布的测量方法

技术领域

本发明属于薄膜器件界面电子转移测量技术领域，具体涉及一种染料敏化太阳能电池电子寿命分布的测量方法。

背景技术

1991年瑞士洛桑高等工业学院的教授研制成功了光电转换效率为7.1-7.9％的染料敏化太阳电池。目前基于钌配合物染料和碘电解质的敏化电池效率已经超过11％，采用有机染料和钴基电解质的敏化电池光电转换效率也超过10％。虽然敏化电池的效率在不断提升，但是相对于目前大规模应用的硅电池而言，敏化电池的电池效率仍有待提升。影响敏化电池效率的关键因素之一是多孔薄膜(如TiO₂或ZnO)与电解质的界面存在严重的电子复合。一部分的光生电子会因电池内部的复合反应而损失，进而无法形成光电流。所以研究光生电子的界面电子转移机制已成为开发高效染料敏化太阳能电池的关键问题之一。

电子寿命是描述界面电子转移速率的关键参数，这一参数表示电子从激发态染料注入到多孔薄膜开始直到电子被氧化态电解质分子复合为止的平均时间。目前，电子寿命的测量手段包括开路电压衰减方法、光强调制光电压谱和光电压瞬态技术等。研究表明，被注入到多孔薄膜的光生电子会处于不同的能量状态，这些方法测量获得电子寿命实质是不同能态光生电子寿命的统计平均。因此，上述技术的测量结果实质是对光生电子界面转移速率的表观描述。为了研究不同能态电子在复合速率上的差异，进而获得对多孔薄膜界面电子转移机制的进一步认识，需要建立一种测量不同能态电子寿命的实验技术，从而将电子寿命与电子的能量状态关联起来。

发明内容

本发明目的是克服现有电子寿命测量技术存在的上述不足，提供一种染料敏化太阳能电池电子寿命分布的测量方法，该测量方法可以获得处于不同能级的光生电子的电子寿命，有助于进一步研究染料敏化太阳能电池中多孔薄膜的界面电子转移机制，并深入认识电子转移速率与光生电子能级的关系，弥补了目前电子寿命测量只能获得平均电子寿命的不足。

本发明的技术方案：

一种染料敏化太阳能电池电子寿命分布的测量方法，步骤如下：

1)选取波长为525nm的单色LED作为入射光光源，光源的输出光功率为0-100mWcm^-2并连续可调，使用通光孔调节光斑大于等于染料敏化太阳能电池的薄膜面积，并将入射光光斑均匀覆盖在染料敏化太阳能电池的光阳极或对电极表面；

2)在输出光功率范围内，设定由低到高均匀选取一系列的n个入射光强度，n的范围是10-100；

3)固定LED光源的输出功率为选定的入射光强I₀ ⁱ，其中i表示准连续测量的采样点序号，将受光的染料敏化太阳能电池置于开路状态，待电池的状态稳定后，测量电池的开路电压V_oc ⁱ和电子电量Qⁱ，然后将电池置于短路条件，待电池的状态稳定后，测量电池的短路电流j_sc ⁱ；

4)重复步骤3)的操作，按照光强由小到大的顺序，以准连续方式测量步骤2)设定的所有入射光强度下的开路电压V_oc ⁱ、电子电量Qⁱ和短路电流j_sc ⁱ；

5)采用三电极循环伏安技术测量染料敏化太阳能电池所使用的电解液的氧化还原电势E_F,redox；

6)依据步骤3)-5)获得的测量结果，分别利用公式(1)和公式(2)计算光生电子的电子寿命分布τ(Eⁱ)及其对应的能级Eⁱ，

$\mathrm{\τ}\left(E^i\right)=\frac{Q^{i+1}-Q^i}{j_{\mathrm{sc}}^{i+1}-j_{\mathrm{sc}}^i}---\left(1\right)$

$E^i=\frac{1}{2}(V_{\mathrm{oc}}^{i+1}+V_{\mathrm{oc}}^i)+E_{F,\mathrm{redox}}---\left(2\right).$

本发明的优点和积极效果：

该测量方法可以获得处于不同能级的光生电子的电子寿命，有助于进一步研究染料敏化太阳能电池中多孔薄膜的界面电子转移机制，为研究多孔二氧化钛薄膜界面电子转移提供了可靠地表征手段，对高效染料敏化太阳能电池的设计和开发具有重要指导意义。

附图说明

图1为实施例1电子寿命分布随能级变化曲线。

图2为实施例2电子寿命分布随能级变化曲线。

图3为实施例3电子寿命分布随能级变化曲线。

具体实施方式

实施例1：

一种染料敏化太阳能电池电子寿命分布的测量方法，步骤如下：

采用波长为525nm的LED光源作为入射光光源，在0.01-7mWcm^-2之间选取21个不同光强作为入射光强序列，在每一个入射光强度下，对染料敏化太阳能电池进行辐照，利用通光孔调节辐照光斑大小为0.16cm²。

染料敏化太阳能电池的光阳极为光敏染料敏化的厚度为4μm的TiO₂多孔薄膜，采用铂化对电极作为光阴极，在光阳极和对电极之间填充钴基电解质。电解质的组成为0.1M碘化锂(LiI)、0.05M碘(I₂)、0.6M二甲基咪唑碘盐(DMPII)和1.0M叔丁基吡啶(tBP)的乙腈溶液。采用测得电解质溶液的氧化还原电势为0.40VvsNHE。

入射光强序列的确定方法：调节入射光强度至0.01mWcm^-2，使用电化学工作站(ZenniumCIPMS-2,ZAHNER-elektrik，德国)测定当前辐照强度下敏化电池的开路电压。然后，调节入射光强度直到电池的开路电压增大10mV，记录光强数据。以此类推，直到获得21个入射光强度。

依据确定的入射光强度顺序，使用电化学工作站(ZenniumCIPMS-2,ZAHNER-elektrik，德国)测量在每一个光强下开路条件的电子电量(Q)，开路电压(V_oc)、以及短路电流(j_sc)。按照公式(1)和(2)分别计算光生电子的能级(E)和电子寿命分布τ(E)。

举例说明：在光强为0.172mWcm^-2条件下测得开路电压为0.661V、短路电流为0.0389mAcm^-2、电子电量为5.67×10^-5Ccm^-2，下一个光强条件为0.215mWcm^-2，测得开路电压为0.671V、短路电流为0.0485mAcm^-2、电子电量为5.93×10^-5Ccm^-2，以此类推。利用公式(2)计算得到光生电子的能级为-0.260eV，该能级对应的电子寿命为0.271s。

图1为该实施例的电子寿命分布随能级变化曲线，图中表明：在所选取的光强范围内，电子寿命与光生电子能级之间呈现明确的指数关系，说明该测量方法具有可靠性。

实施例2：

一种染料敏化太阳能电池电子寿命分布的测量方法，步骤如下：

采用波长为525nm的LED光源作为入射光光源。在0.003mWcm^-2到3mWcm^-2之间选取22个不同光强作为入射光强序列。在每一个入射光强度下，对染料敏化太阳能电池进行辐照，利用通光孔调节辐照光斑大小为0.16cm²。

染料敏化太阳能电池的光阳极为光敏染料敏化的厚度为4μm的TiO₂多孔薄膜，采用铂化对电极作为光阴极，在光阳极和对电极之间填充钴基电解质。电解质的组成为0.25M邻菲罗啉二价钴配合物{[Co(II)(phen)₃](PF₆)₂}、0.05M邻菲罗啉三价钴配合物{[Co(III)(phen)₃](PF₆)₃}、0.1M二(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)和1.5M叔丁基吡啶(tBP)的乙腈溶液。采用测得电解质溶液的氧化还原电势为0.58VvsNHE。

入射光强序列的确定方法：调节入射光强度至0.01mWcm^-2，使用电化学工作站(ZenniumCIPMS-2,ZAHNER-elektrik，德国)测定当前辐照强度下敏化电池的开路电压。然后，调节入射光强度直到电池的开路电压增大10mV，记录光强数据。以此类推，直到获得22个入射光强度。

依据确定的入射光强度顺序，使用电化学工作站(ZenniumCIPMS-2,ZAHNER-elektrik，德国)测量在每一个光强下开路条件的电子电量(Q)，开路电压(V_oc)、以及短路电流(j_sc)。按照公式(1)和(2)分别计算光生电子的能级(E)和电子寿命分布τ(E)。

举例说明：在光强为0.954mWm^-2条件下测得开路电压为0.942V、短路电流为1.289mAcm^-2、电子电量为1.40×10^-4Ccm^-2，下一个光强条件为1.449mWcm^-2，测得开路电压为0.958V、短路电流为2.084mAcm^-2、电子电量为1.75×10^-4Ccm^-2，以此类推。利用公式(2)计算得到光生电子的能级为-0.37eV，该能级对应的电子寿命为0.0440s。

图2为该实施例的电子寿命分布随能级变化曲线，图中表明：在所选取的光强范围内，电子寿命与光生电子能级之间呈现明确的指数关系，说明该测量方法具有可靠性。

实施例3：

一种染料敏化太阳能电池电子寿命分布的测量方法，步骤如下：

采用波长为525nm的LED光源作为入射光光源。在0.1mWcm^-2到40mWcm^-2之间选取38个不同光强作为入射光强序列。在每一个入射光强度下，对染料敏化太阳能电池进行辐照，利用通光孔调节辐照光斑大小为0.16cm²。

染料敏化太阳能电池的光阳极为光敏染料敏化的厚度为4μm的TiO₂多孔薄膜，采用铂化对电极作为光阴极，在光阳极和对电极之间填充碘电解质。电解质的组成为0.1M碘化锂(LiI)、0.05M碘(I₂)、0.6M二甲基咪唑碘盐(DMPII)和0.5M叔丁基吡啶(tBP)的乙腈溶液。采用测得电解质溶液的氧化还原电势为0.40VvsNHE。

入射光强序列的确定方法：调节入射光强度至0.01mWcm^-2，使用电化学工作站(ZenniumCIPMS-2,ZAHNER-elektrik，德国)测定当前辐照强度下敏化电池的开路电压。然后，调节入射光强度直到电池的开路电压增大10mV，记录光强数据。以此类推，直到获得38个入射光强度。

依据确定的入射光强度顺序，使用电化学工作站(ZenniumCIPMS-2,ZAHNER-elektrik，德国)测量在每一个光强下开路条件的电子电量(Q)，开路电压(V_oc)、以及短路电流(j_sc)。按照公式(1)和(2)分别计算光生电子的能级(E)和电子寿命分布τ(E)。

举例说明：在光强为7.00mWm^-2条件下测得开路电压为0.699V、短路电流为0.137mAcm^-2、电子电量为6.588×10^-5Ccm^-2，下一个光强条件为9.01mWcm_- ²，测得开路电压为0.711V、短路电流为0.177mAcm_- ²、电子电量为7.358×10^-5Ccm^-2，以此类推。因此有公式(2)计算得到光生电子的能级为-0.305eV，该能级对应的电子寿命为0.193s。

图3为该实施例的电子寿命分布随能级变化曲线，图中表明：在所选取的光强范围内，电子寿命与光生电子能级之间呈现明确的指数关系，说明该测量方法具有可靠性。

Claims (1)

1.一种染料敏化太阳能电池电子寿命分布的测量方法，其特征在于步骤如下：

1)选取波长为525nm的单色LED作为入射光光源，光源的输出光功率为0-100mWcm^-2并连续可调，使用通光孔调节光斑大于等于染料敏化太阳能电池的薄膜面积，并将入射光光斑均匀覆盖在染料敏化太阳能电池的光阳极或对电极表面；

2)在输出光功率范围内，设定由低到高均匀选取的一系列的n个入射光强度，n的范围是10-100；

3)固定LED光源的输出功率为选定的入射光强I₀ ⁱ，其中i表示准连续测量的采样点序号，将受光的染料敏化太阳能电池置于开路状态，待电池的状态稳定后，测量电池的开路电压V_oc ⁱ和电子电量Qⁱ，然后将电池置于短路条件，待电池的状态稳定后，测量电池的短路电流j_sc ⁱ；

4)重复步骤3)的操作，按照光强由小到大的顺序，以准连续方式测量步骤2)设定的所有入射光强度下的开路电压V_oc ⁱ、电子电量Qⁱ和短路电流j_sc ⁱ；

5)采用三电极循环伏安技术测量染料敏化太阳能电池所使用的电解液的氧化还原电势E_F,redox；

6)依据步骤3)-5)获得的测量结果，分别利用公式(1)和公式(2)计算光生电子的电子寿命分布τ(Eⁱ)及其对应的能级Eⁱ，

$\mathrm{\τ}\left(E^i\right)=\frac{Q^{i+1}-Q^i}{j_{\mathrm{sc}}^{i+1}-j_{\mathrm{sc}}^i}---\left(1\right)$

$E^i=\frac{1}{2}(V_{\mathrm{oc}}^{i+1}+V_{\mathrm{oc}}^i)+E_{F,\mathrm{redox}}---\left(2\right).$