專利名稱：染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域和光學(xué)領(lǐng)域，尤其是一種染料敏化納米薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率的測試方法。
背景技術(shù)：
隨著人類社會的發(fā)展，化石能源的大量消耗，人類面臨日益嚴峻的能源危機。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)處于突出的位置，該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用需要太陽能電池具有很高的轉(zhuǎn)化效率，同時還要求太陽能電池的制造成本低廉。1991年瑞士洛桑高等理工學(xué)院M.Grtzel教授實驗室報道了全新的染料敏化納米薄膜太陽能電池的研究成果，得到國際上廣泛關(guān)注和重視。其廉價的生產(chǎn)成本、容易工業(yè)化生產(chǎn)的工藝技術(shù)，以及廣闊的應(yīng)用前景吸引了眾多的科學(xué)家與企業(yè)的投入。染料敏化納米薄膜太陽能電池是利用有機染料分子與半導(dǎo)體納米材料結(jié)合的復(fù)合體系對太陽能進行光電轉(zhuǎn)換，其主要由以下幾個部分組成含納米多孔半導(dǎo)體薄膜的光陽極、有機染料、電解質(zhì)及對電極。由于染料敏化納米薄膜太陽能電池的內(nèi)部物理和化學(xué)環(huán)境復(fù)雜，電子在傳遞過程中伴隨著復(fù)雜的反應(yīng)過程，同時基于染料敏化太陽能電池的研究要求，需要了解該類太陽能電池的參數(shù)，即開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率、單波長外量子效率以及內(nèi)量子效率等。因此其參數(shù)測試方法對研究和提高染料敏化納米薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)化效率具有非常重大的實用意義。
中國專利CN03114762.3“多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的測試方法”公開了一種多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的測試方法，該方法步驟是測量多晶硅太陽能電池在紅外至可見光波段范圍內(nèi)的透射光譜；用理論透射率公式擬合實驗結(jié)果，得到多晶硅太陽能電池的帶尾能量等物理參數(shù)；實驗測量多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率η，并將其與不同多晶硅太陽能電池樣品帶尾能量Eu結(jié)合，得到兩者之間的線性關(guān)系式。該方法僅限于多晶硅太陽能電池，而且不能同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率，單波長內(nèi)量子效率與外量子效率的測量，提供的電池參數(shù)信息不夠全面。
單波長量子效率的測量分為兩種，一種為直流測量法，另一種為交流測量法。其中傳統(tǒng)直流測量法雖然簡單，但是測量信號偏小，測試結(jié)果不準確。而交流測量法的優(yōu)點是不需要屏蔽，能夠抑制各種頻率的噪音，但是相對比較復(fù)雜，它在染料敏化納米薄膜太陽能電池參數(shù)測量過程中存在一定的問題由于該類太陽能電池的材料以及光電轉(zhuǎn)化過程機理等與傳統(tǒng)的硅太陽能電池不同，電池對光的響應(yīng)也不同，因此在實際測量過程中，斬波頻率的大小以及信號頻率耦合都會引起其測量結(jié)果偏移。在單波長量子效率測量過程中，直流測量法和交流測量法都是利用分壓測量方法，即串聯(lián)一個0.01級標(biāo)準電阻作為取樣電阻，接在待測電池的兩端，利用測量取樣電阻上電壓降的方法測量短路電流，該方法會使待測電池具有一定的負載，影響了測量結(jié)果。而且標(biāo)準電阻的選取給系統(tǒng)帶來更多的變量?？偠灾?，傳統(tǒng)的單波長量子效率測試方法或者測量不準確或者太復(fù)雜，因此其測量的結(jié)果不能夠正確地反應(yīng)出染料敏化納米薄膜太陽能電池本身的特性，對太陽能電池性能的科學(xué)研究造成了不便。
本發(fā)明針對染料敏化納米薄膜太陽能電池的參數(shù)測量系統(tǒng)進行了改進。提出利用一套儀器同時實現(xiàn)測量染料敏化太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和量子轉(zhuǎn)換效率的方法，本發(fā)明直接在單色光的出口處進行采樣測量，減少光程以避免光在空氣中散射和衰減，從而達到減小信號衰減和提高測量精度的目的。本發(fā)明還利用反饋安培計技術(shù)測量采集數(shù)據(jù)信號，使信號誤差降低了10000倍。因此相比于傳統(tǒng)測量方法，本發(fā)明提高了信號強度和電池參數(shù)測量的準確度，并且還可以得到樣品的均勻性參數(shù)，對多孔半導(dǎo)體薄膜光陽極以及整個電池系統(tǒng)提供了研究的基礎(chǔ)，對研究人員進行電池的工藝改進，有著很大指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種染料敏化納米薄膜太陽能點年的轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率的測量方法，減少太陽能電池參數(shù)測量設(shè)備的成本，克服傳統(tǒng)量子效率測量方法中的技術(shù)不足，提高信號強度與精度，提供更加全面的電池參數(shù)信息，用以指導(dǎo)制備工藝的改進，以及染料的研究。
本發(fā)明的技術(shù)方案是1、調(diào)節(jié)好標(biāo)準模擬光源，同時固定染料敏化納米薄膜太陽能電池受光面積的大小，搭建平衡電橋補償電路；2、調(diào)節(jié)電壓使電壓—電流測量范圍超出第一象限，落入第二象限和第四象限，測量得到電流-電壓曲線后，通過計算機程序得到開路電壓、短路電流、填充因子、轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)；3、利用汞燈的波長讀數(shù)，調(diào)節(jié)單色儀波長刻度與汞燈的標(biāo)準波長譜線一致；4、將鹵素?zé)艏半疅羝叫腥肷涞絾紊珒x，將已知各種參數(shù)的標(biāo)準參比電池放置于樣品架上，利用反饋電流計技術(shù)測量不同波長下標(biāo)準電池的短路電流信號；5、重復(fù)4的步驟，測量不同波長下樣品電池的短路電流信號。通過計算程序計算出染料敏化納米薄膜太陽能電池的外量子轉(zhuǎn)換效率；6、利用積分球附件，將所有入射光進行積分，使入射單色光全部被染料敏化太陽能電池表面吸收，重復(fù)5的步驟，測量并計算得到染料敏化納米薄膜太陽能電池的單波長內(nèi)量子效率；7、重復(fù)5的步驟，測量樣品電池不同部位的短路電流，得到樣品表面的效率分布圖。步驟4中固定的受光面積為16πmm2，測量的波段為200nm-1100nm。步驟4比較法的關(guān)系為Qλ＝Qref，λ·Jλ/Jref，λ其中Qref，λ，Jref，λ為在特定波長λ下標(biāo)準參比電池的量子效率，及其在該條件下的電流信號，Jλ為待測樣品電池在相同條件下的電流信號。
原理本發(fā)明直接在單色光的出口進行采樣測量，減少光程以避免光在空氣中散射和衰減，從而減少了信號的衰減，提高了測量準確度。本發(fā)明還利用反饋安培計技術(shù)，直接測量采集數(shù)據(jù)信號，可以降低信號誤差。同時本發(fā)明不用斬波器，避免電容的測量干擾，提高測量精度；簡化測量條件，本發(fā)明固定受光面積以減小樣品面積的測量誤差；本發(fā)明在同樣光照條件下利用標(biāo)準參比電池的信號與待測電池直接進行比較計算，同時保證標(biāo)準參比電池參與每次測量，增加了準確度。本發(fā)明利用積分球附件對所有入射光進行積分，入射到樣品表面，可以簡單、準確地測量內(nèi)量子效率。改變受光位置得到樣品的均勻性。
本發(fā)明的特點是同時免去斬波器，及鎖相放大器等儀器的使用，減少測量儀器成本；減小了測量誤差，增加了信號強度，具有信號準確的特點；本發(fā)明實現(xiàn)了外量子效率與內(nèi)量子效率的測量，數(shù)據(jù)參數(shù)提供全面，具有多功能的特點。本發(fā)明中測試系統(tǒng)可以通過計算機程序自動控制，方便快捷，減輕了人工的計算量和工作量，大大地提高了測量密度，得到可靠的染料敏化太陽能電池的微觀參數(shù)，用以指導(dǎo)制備工藝的改進，染料的研究，具有成本低、功能多、準確度高、方便快捷、實用性強的特點。


圖1染料敏化納米薄膜太陽能電池單波長量子效率測量裝置方框2染料敏化納米薄膜太陽能電池測量信號強度與傳統(tǒng)方法比較3染料敏化太陽能電池S1單波長外量子效率與波長關(guān)系圖具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步說明采用Orial模擬光源，鹵素?zé)粢约半疅舴謩e作為光源，利用卓立漢光單色儀，以及美國吉時利公司生產(chǎn)的小電流源測量儀，測量染料敏化納米薄膜太陽能電池樣品在紫外至可見光波段范圍內(nèi)的常溫轉(zhuǎn)換效率、單波長外量子效率和內(nèi)量子效率。測量時用兩塊不同方法制備的染料敏化太陽能電池樣品樣品S1的光陽極采用絲網(wǎng)印刷法制備；樣品S2的光陽極采用涂覆法制備。測試在如下條件進行光源為Zolix的溴鎢燈，氘燈，以及Orial模擬光源，測試溫度為25±2℃。標(biāo)準參比電池為Newport 818UV-ST探頭硅電池。測量方法具體包括如下步驟1.調(diào)節(jié)好模擬光源，直接垂直入射到樣品的表面，同時固定染料敏化納米薄膜太陽能電池受光面積的大小為1cm2，搭建平衡電橋補償電路.
2.調(diào)節(jié)恒壓源，測量不同偏壓下樣品光生電流，使電壓—電流分別超出到第二、四象限，得到電壓—電流圖，經(jīng)過程序計算得到樣品的開路電壓Voc，短路電流Jsc以及填充因子FF以及轉(zhuǎn)換效率η等參數(shù)。(S1Voc＝590mV，Jsc＝12mA，F(xiàn)F＝58％，η＝4.11％；Voc＝622mV，Jsc＝15mA，F(xiàn)F＝65％，η＝6.06％)3.調(diào)節(jié)汞燈平行入射位置，利用已知的汞燈的標(biāo)準波長譜線253.65，313.20，365.48，404.72，435.84，253.65，546.07nm，校正單色儀的分光純度。
4.將鹵素?zé)艉碗疅粢云叫腥肷涞姆绞竭M入單色儀，通過單色儀的光柵分光后，將標(biāo)準參比電池放置于標(biāo)準樣品架上，固定樣品表面的受光面積為16πmm2，將標(biāo)準參比電池接于電流計的兩端。
5.測量標(biāo)準參比電池在200nm單色光照射下的電流信號，使單色儀的出射的單色光變成210mm，重復(fù)測量，即每隔10nm采樣一次，測量波長范圍為200nm～1100nm，6.換上實驗樣品S1，在同樣條件下采取數(shù)據(jù)。并且利用程序計算出單波長外量子效率。計算公式為Qλ＝Qref，λ·Jλ/Jref，λ得到單波長外量子效率隨波長的變化關(guān)系圖，見圖3。將樣品S2換上，流程同S1。
7.將積分球附件換上，測試及計算過程同6，得到單波長內(nèi)量子效率隨波長的變化關(guān)系。
8.換上二維步進裝置，過程同6類似，得到樣品性能的空間分布圖。
權(quán)利要求
1.染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率測量方法，其特征包括如下步驟1)固定染料敏化納米薄膜太陽能電池受光面積的大小，搭建平衡電橋補償電路，得到電流-電壓曲線，直接通過計算機程序得到開路電壓，短路電流，填充因子，轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)；2)在相同單色光照條件下，測量已知參數(shù)的標(biāo)準參比電池與實驗染料敏化納米薄膜太陽能電池的短路電流信號，并且將二者進行對比計算，得到實驗染料敏化納米薄膜太陽能電池的單波長外量子效率；3)在染料敏化太陽能電池受光之前的空間位置放置積分球進行光積分，測量得到短路電流信號，與標(biāo)準參比電池的電流信號進行對比計算，得到實驗染料敏化納米薄膜太陽能電池的單波長內(nèi)量子效率；4)對于大塊染料敏化太陽能電池，重復(fù)3)的步驟，測試不同部位的電流變化，得到電池性能的空間分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率的測量方法，其特征是，步驟1-4在一臺儀器上實現(xiàn)同時測量轉(zhuǎn)換效率，及單波長量子效率測量方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率的測量方法，其特征是，步驟1中，測量電路為平衡電橋補償電路，得到的電流-電壓曲線超出第一象限，分別跨越到第二、四象限。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率的測量方法，其特征是，步驟2，3中電池短路電流信號測量的方法為反饋電流計技術(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率的測量方法，其特征是，步驟4中光線在入射到樣品的表面之前經(jīng)由積分球附件進行積分，其中標(biāo)準參比電池與染料敏化納米薄膜電池受光面積為16πmm2。積分球直徑為10mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率的測量方法，其特征是被測量波長的波段為200nm-1100nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率的測量方法，其特征是所述標(biāo)準電池是硅電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率的測量方法，其特征是步驟2，3中所求量子效率Qλ和短路電流Jλ比值等于標(biāo)準參比電池量子效率Qref，λ與其短路電流Jref，λ的比值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率的測量方法，其特征是步驟1)，2)，3)，4)中數(shù)據(jù)采集及計算均為計算機程序控制。
全文摘要
染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)換效率及單波長量子效率測量方法，包括如下步驟定染料敏化納米薄膜太陽能電池受光面積的大小，搭建平衡電橋補償電路，得到電流—電壓曲線，直接通過計算機程序得到開路電壓，短路電流，填充因子，轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)；在相同單色光照條件下，測量已知參數(shù)的標(biāo)準參比電池與實驗染料敏化納米薄膜太陽能電池的短路電流信號，并且將二者進行對比計算，得到實驗染料敏化納米薄膜太陽能電池的單波長外量子效率；在染料敏化太陽能電池受光之前的空間位置放置積分球進行光積分，測量得到短路電流信號，與標(biāo)準參比電池的電流信號進行對比計算，得到實驗染料敏化納米薄膜太陽能電池的單波長內(nèi)量子效率。
文檔編號G01R31/36GK101074890SQ20071002222
公開日2007年11月21日 申請日期2007年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月9日
發(fā)明者鄒志剛, 劉禮飛, 陳新益, 劉斌, 于濤 申請人:南京大學(xué)