CN115333480A - 模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法及系统。所述变温原位监测方法包括：以激光光源对置于拉曼变温系统的太阳能电池进行辐照，利用电化学监测装置与拉曼联用技术，采集不同温度下太阳能电池的电化学性能数据及拉曼光谱，对获得的电化学性能数据与拉曼光谱进行分析处理，实现对太阳能电池内部物种的变温原位监测分析。本发明利用变温拉曼电化学联用技术实现了变温条件下太阳能电池内部物种的无损监测分析，从而为进一步提高染料敏化太阳能电池的效率提供可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法及系统，具体涉及一种模拟真实户外环境下太阳能电池的变温原位无损监测分析方法及系统。
背景技术
染料敏化太阳能电池因其原材料丰富、成本低、同时所有原材料和生产工艺都是无毒、无污染的，部分材料可以得到充分的回收，对保护人类环境具有重要的意义，具有广阔的应用前景和商业化生产必要。然而，目前染料敏化电池面临着进一步实现商业化的重大难题，主要体现在户外实际应用的测试方面，由于对实际的外部环境中染料敏化电池的性能参数和工作情况所知甚少，这大大的阻碍了其商业化进程。染料敏化太阳能电池常用电解液为基于I-/I3 -氧化还原偶的液体离子电解质由于具有扩散速率高、成本低、制备容易、有利于实际应用等优点，在一定时期内仍具有潜在的应用前景。而在实际工作中，环境温度对液体电解质及凝胶型电解质的状态和工作性能的影响是不可忽略的，甚至会导致整个电池的损坏，而温度对电池性能的影响其中的原因和机制我们尚未清楚。现有的电化学表征技术包括伏安特性分析、电化学阻抗法、循环伏安法及线性伏安法等对于电池表征旨在最终性能以及部分指标的测试结果的体现，现有的物种分析方法包括紫外分光光度法、红外分光光度法以及色谱分析等等，可以灵敏快速的对部分组分进行组分分析。但是现有的这些技术无法实现对整个染料敏化太阳能电池工作过程的原位监测，由于这些仪器适应的环境局限性更无法实现室外不同环境温度下的测试，甚至测试时会对样品产生破坏和损耗。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法及系统，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法，其包括：
提供激光光源；
以所述激光光源对置于拉曼变温系统的太阳能电池进行辐照，利用电化学监测装置与拉曼联用技术，采集不同温度下太阳能电池的电化学性能数据及拉曼光谱，对获得的电化学性能数据与拉曼光谱进行分析处理，实现对太阳能电池内部物种的变温原位监测分析。
本发明的优点在于：变温拉曼电化学联用监测系统能够提供高度契合户外测试条件下的准确无损的原位工作数据，可对物种转换等微观界面进行分析监测，变温拉曼技术模拟户外环境温度条件对电池进行原位无损监测。
本发明实施例还提供了应用于前述变温原位监测方法的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测系统，其包括：
激光光源，至少用以对工作状态下的太阳能电池进行辐照和拉曼光谱扫描；
拉曼光谱采集单元，获得太阳能电池内部物种组成的实时变化信息；
电化学监测单元，至少用以对所述太阳能电池的电化学性能数据进行监测；
以及，分析处理单元，至少用以获得拉曼峰变化情况与对应的电化学性能数据之间的关系。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供了一种利用拉曼变温系统实现变温拉曼监测技术，成功实现模拟真实户外环境中的温度条件，通过与电化学技术联用分析监测温度对太阳能电池性能的影响，以及电池内物种在不同温度下的变化情况，以此从界面机制上找出温度对性能影响的症结，解决了户外测试这一方面的测试难题，填充了数据空白，从而为进一步提高染料敏化太阳能电池的效率提供可能，有望解决染料敏化太阳能电池商业化进程的一大难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1中不同温度下纤维型染料敏化太阳能电池的原位操作拉曼光谱图；
图2是本发明对比例1中室温25℃下三组相同配置的纤维型染料敏化太阳能电池的原位操作拉曼光谱图。
图3是本发明实施例1中原位拉曼成像表征电池内部物种分布情况图；
图4是本发明一典型实施方案中应用于变温原位监测方法的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测系统的示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是利用拉曼变温系统实现变温拉曼测试，模拟太阳能电池实际环境中可能出现的极端温度条件，对染料敏化太阳能电池实行原位无损的监测，弥补这一部分数据空白，同时监测染料敏化内部物种在不同温度下对变化情况，尤其是受温度影响较大的电解液成分、染料分子以及光阳极材料(例如聚碘离子)，进一步明晰环境温度对电池性能的影响和电池界面工作机制的干扰情况，并且将造成电池性能降低的原因具体化，达到进一步解决问题优化电解液配置，促进染料敏化太阳能电池的商业化进程的目的。
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体的，作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的一种模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法包括：
提供激光光源；
以所述激光光源对置于拉曼变温系统的太阳能电池进行辐照，利用电化学监测装置与拉曼联用技术，采集不同温度下太阳能电池的电化学性能数据及拉曼光谱，对获得的电化学性能数据与拉曼光谱进行分析处理，实现对太阳能电池内部物种的变温原位监测分析。
在一些优选实施方案中，所述电化学监测装置包括电化学工作站、数字源表等其它能表征电化学性能的仪器及技术。
在一些优选实施方案中，所述拉曼变温系统至少可以实现不同温度下的拉曼测试。
在一些优选实施方案中，所述变温原位监测分析还包括采用拉曼成像功能监测太阳能电池在工作状态下内部物种的分布情况。
在一些优选实施方案中，所述太阳能电池包括染料敏化太阳能电池，所述染料敏化太阳能电池的内部物种包括光阳极材料、反电极(亦记为对电极)、电解液、染料分子、染料敏化电池在工作中产生的聚碘离子中的任意一种，且不限于此。
进一步地，所述染料敏化太阳能电池的内部物种包括电解液、染料分子、染料敏化电池在工作中产生的聚碘离子中的任意一种，且不限于此。
更近一步地，所述染料敏化太阳能电池的内部物种包括染料敏化电池在工作中产生的聚碘离子，且不限于此。
在一些优选实施方案中，所述电化学性能数据包括I-V伏安特性曲线、电化学阻抗谱、太阳能电池量子效率测试等等。
在一些具体的实施方案中，本发明中变温原位监测分析的对象可以包括整个染料敏化太阳能电池的所有物质，还可以包括染料敏化太阳电池的电化学性能参数。
其中，监测变温过程中内部物种变化情况，包括：
1.光阳极材料(二氧化钛、氧化锌等很多材料)
2.反电极(铂、碳材料等)
3.电解液
常用绝大部分电解液都使用I3-/I-还原对(注：使用I3-/I-还原对绝大部分工作中都会产生聚碘离子I5-)
(1)固态电解液(含有聚丙烯酰胺CuSCN等)
(2)液态电解液(电解液添加剂例如4-叔丁基吡啶，以此探究温度对电解液添加剂的影响及最优配比)；
(3)离子液体电解液(含有DMII、EMII、MPI和EPI等)
(4)准固态电解液(需添加聚偏二氟乙烯-六氟丙烯等，以此探究调试准固态电解质形成的凝胶状态及温度承受能力，调配最优比例的凝胶剂)；
(5)电池内产生的聚碘离子(I3-、I5-、I7-)；还有可以检测电解液的添加剂如TBP等；
(6)还包括电池内可能存在的电解液与光阳极，染料相互作用的副产物等；
4.染料分子(如N719、N3、Z907等包括但不限于)；
电解液包括上述举例类别包括但不限于，此外还可以比较上述不同状态电解液对温度的适应能力及优缺点。
在一些优选实施方案中，所述变温原位监测方法包括：以激光光源对所述太阳能电池进行辐照，利用电化学工作站采集不同温度下的太阳能电池工作过程中的I-V伏安特性曲线和电化学阻抗谱，同时利用拉曼变温系统采集不同温度下的太阳能电池工作过程中的拉曼光谱，从而利用拉曼光谱与I-V伏安特性曲线、电化学阻抗谱实时监测分析太阳能电池的内部物种的组成变化信息。
在一些优选实施方案中，所述变温原位监测方法包括：采集-40～150℃下太阳能电池的电化学性能数据及拉曼光谱。
进一步地，采集-30～30℃下太阳能电池的电化学性能数据及拉曼光谱。
在一些优选实施方案中，所述变温原位监测方法包括：每隔1～15℃采集太阳能电池的电化学性能数据及拉曼光谱。
进一步地，所述变温原位监测方法包括：每隔15℃采集太阳能电池的电化学性能数据及拉曼光谱。
在一些优选实施方案中，所述拉曼光谱包括Raman单谱图和mapping图。
在一些优选实施方案中，所述太阳能电池包括电极、染料及电解液。
在一些较为具体的实施方案中，所述模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法包括：
以加入电解液量较多以及密封性良好的纤维型染料敏化太阳能电池为例；
1.采用阳极氧化法制备规则有序的TiO2纳米管，组装纤维型染料敏化太阳能电池
(1)TiO2纳米管的制备，通过阳极氧化法在Ti丝原位生长TiO2纳米管，将TiO2纳米管在马弗炉中烧结，得到锐钛矿晶型
(2)将生长TiO2纳米管置于N719染料中浸泡，使TiO2纳米管与染料完成附着。
(3)配置不同浓度，不同比例的电解液，加入Pt作为反电极，组装电池。
2.电化学工作站(CHI)与拉曼监测部分
(1)电化学工作站测光电流和暗电流，以及电化学阻抗谱
(2)利用拉曼变温系统采集不同温度下完整电池的相关Raman图谱(-30到30℃区间每隔15℃采集一套数据包括Raman单谱图和mapping图以及相对应I-V曲线、电化学阻抗谱)，处理相关数据，汇总成图；
电化学工作站与拉曼技术联用获得原位变温条件的工作数据，针对电池内所有物种拉曼峰进行峰位峰强等具体分析，结合拉曼峰变化情况与对应的电化学性能的变化情况找出导致电池性能的关键的因素，对症下药调节电解液配置找到适应环境的最优电解液配置。
本发明实施例的另一个方面还提供了应用于前述变温原位监测方法的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测系统，其包括：
激光光源，至少用以对工作状态下的太阳能电池进行辐照和拉曼光谱扫描；
拉曼光谱采集单元，获得太阳能电池内部物种组成的实时变化信息；
电化学工作站单元，至少用以对所述太阳能电池的电化学性能数据进行监测；
以及，分析处理单元，至少用以获得拉曼峰变化情况与对应的电化学性能数据之间的关系。
在一些优选实施方案中，本发明应用于前述变温原位监测方法的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测系统的示意图如图4所示。
本发明利用变温拉曼电化学联用技术实现了变温条件下太阳能电池内部物种的无损监测分析，从而为进一步提高染料敏化太阳能电池的效率提供可能。
下面结合若干优选实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
1.光阳极的制备：
将钛丝裁剪成6cm并至于乙醇、去离子水、丙酮乙醇溶液中，分别超声清洗15min，放入含有氟离子的电解液中进行第一次阳极氧化，钛片与阳极相连，石墨与阴极相连，电压为60V，时间为3h。将一次氧化后的钛丝置于去离子水中，超声50min，至膜脱落，再次将上述钛基板至于含氟离子溶液中进行第二次氧化，氧化电压为60V，时间1h。将二次氧化后的二氧化钛纳米管至于马弗炉中煅烧，煅烧温度为450℃，煅烧时间为2h。
2.一种适用于探究新物种聚碘离子的纤维型染料敏化太阳能电池的制备
将煅烧后的光阳极浸入N719染料中，注入LiI/I2电解液与对电极Pt组装成太阳能电池。
3.一种内部物种转换机制的原位监测方法
采用拉曼光谱与电化学工作站联用方法，对含有LiI/I2电解液组装的电池进行变温监测，在-20到30℃区间每隔5℃采集一套数据包括Raman单谱图和mapping图以及相对应I-V曲线电化学阻抗谱)的相关Raman图谱监测不同温度下在施加不同偏压的过程电池内物种的转换尤其是开路电压前后进一步确定聚碘离子对电池性能的影响，结合拉曼图谱分析调控电解液配置，提升高低温条件下的电池性能，探究加入相关电解液添加剂对电池性能的改善。
本实施例中不同温度下纤维型染料敏化太阳能电池的原位工作拉曼光谱图如1所示。
本实施例原位拉曼成像表征电池内部物种分布情况如图3所示，本案申请人利用原位显微拉曼成像技术，对短路状态下的DSSC进行了Z方向上拉曼扫描测试。Z方向的测试范围设置为-500μm～600μm。为了准确的测出各组分的空间分布，将532nm的激发光从DSSC的光阳极(FTO/TiO2/N719)向反电极(Pt)照射，得到了不同物种的纵向分布情况。按照从FTO向Pt的拉曼Z方向扫描顺序，分别得到了FTO导电玻璃、TiO2、N719、I5 -和I3 -(自下到上)的拉曼光谱强度。当FTO导电玻璃的拉曼信号强度变为0时，TiO2、N719和I5 -的拉曼强度同时变为最强，说明它们在DSSC内部的同一深度处。我们推测此时拉曼激光进入了TNA或在TNA的表面，说明N719和I5 -存在于光阳极附近。当TiO2、N719和I5 -的强度为0时，I3 -的强度变为最强。根据I3 -的强度峰值所在的深度位置，推测I3 -可能在Pt电极附近产生。这一利用拉曼光谱三维扫描样品的方法可以准确的获得DSSC中各个物种的空间分布情况。
对比例1
方法同实施例1，不同之处在于，本申请没有变温系统。提供未采用变温监测的数据采集作为对比。
本对比例中室温25℃下三组相同配置的纤维型染料敏化太阳能电池的原位工作拉曼光谱图如2所示。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法，其特征在于包括：
提供激光光源；
以所述激光光源对置于拉曼变温系统的太阳能电池进行辐照，利用电化学监测装置与拉曼联用技术，采集不同温度下太阳能电池的电化学性能数据及拉曼光谱，对获得的电化学性能数据与拉曼光谱进行分析处理，实现对太阳能电池内部物种的变温原位监测分析。
2.根据权利要求1所述的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法，其特征在于：所述拉曼变温系统至少可以实现不同温度下的拉曼测试。
3.根据权利要求1所述的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法，其特征在于：所述变温原位监测分析还包括采用拉曼成像功能监测太阳能电池在工作状态下内部物种的分布情况。
4.根据权利要求1所述的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法，其特征在于：所述太阳能电池包括染料敏化太阳能电池，所述染料敏化太阳能电池的内部物种包括光阳极材料、反电极、电解液、染料分子、染料敏化电池在工作中产生的聚碘离子中的任意一种；优选的，所述染料敏化太阳能电池的内部物种包括电解液、染料分子、染料敏化电池在工作中产生的聚碘离子中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法，其特征在于包括：以激光光源对所述太阳能电池进行辐照，利用电化学工作站采集不同温度下的太阳能电池工作过程中的I-V伏安特性曲线和电化学阻抗谱，同时利用拉曼变温系统采集不同温度下的太阳能电池工作过程中的拉曼光谱，从而利用拉曼光谱与I-V伏安特性曲线、电化学阻抗谱实时监测分析太阳能电池的内部物种的组成变化信息。
6.根据权利要求1所述的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法，其特征在于包括：采集-40～150℃下太阳能电池的电化学性能数据及拉曼光谱；优选为-30～30℃。
7.根据权利要求1所述的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法，其特征在于包括：每隔1～15℃采集太阳能电池的电化学性能数据及拉曼光谱。
8.根据权利要求1所述的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法，其特征在于：所述拉曼光谱包括Raman单谱图和mapping图。
9.根据权利要求1所述的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测方法，其特征在于：所述太阳能电池包括电极、染料及电解液。
10.应用于权利要求1)9中任一项所述变温原位监测方法的模拟户外环境下太阳能电池的变温原位监测系统，其特征在于包括：
激光光源，至少用以对工作状态下的太阳能电池进行辐照和拉曼光谱扫描；
拉曼光谱采集单元，获得太阳能电池内部物种组成的实时变化信息；
电化学监测单元，至少用以对所述太阳能电池的电化学性能数据进行监测；
以及，分析处理单元，至少用以获得拉曼峰变化情况与对应的电化学性能数据之间的关系。
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