專(zhuān)利名稱(chēng)：大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法。
背景技術(shù)：
染料敏化太陽(yáng)能電池(Dye Sensitized Solar Cell，DSSC)，或者稱(chēng)為格雷切爾電池(Gratzel Cell)，是由透明導(dǎo)電基板、半導(dǎo)體多孔納米晶薄膜、電解質(zhì)溶液以及鍍鉬對(duì)電極構(gòu)成的“三明治”式結(jié)構(gòu)。DSSC的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)硅基太陽(yáng)能電池相比，由于界面繁多，因此更加復(fù)雜。和硅基太陽(yáng)能電池類(lèi)似，DSSC的電路也可以用一個(gè)等效電路來(lái)描述。DSSC模塊指的是在一塊完整的基板上有分隔開(kāi)的區(qū)室，每個(gè)區(qū)室容納了一個(gè) DSSC子電池，每個(gè)DSSC子電池都有相同的DSSC基本結(jié)構(gòu)。大面積DSSC模塊根據(jù)這些子電池的內(nèi)部連接方式的不同，可以分為并聯(lián)連接模塊和串聯(lián)連接模塊。其中，并聯(lián)連接模塊指的是子電池之間的基板是導(dǎo)通的，并可以通過(guò)柵線促進(jìn)電子的收集，模塊能夠輸出相當(dāng)于所有子電池輸出之和的電流。串聯(lián)連接模塊指的是子電池之間的導(dǎo)電基板是不導(dǎo)通的，通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)達(dá)到子電池串聯(lián)的效果，模塊能夠輸出相當(dāng)于所有子電池輸出之和的電壓。 串聯(lián)連接模塊中又因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的差異分為W型串聯(lián)模塊和Z型串聯(lián)模塊。圖1是常見(jiàn)的DSSC 模塊結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(a)為并聯(lián)連接模塊結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(b)為W型串聯(lián)連接模塊結(jié)構(gòu)示意圖，圖1(c)為Z型串聯(lián)連接模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖1中，101為光陽(yáng)極板，102為封裝材料， 103為鍍鉬對(duì)電極，104為基板。日本夏普公司的韓禮元提出了簡(jiǎn)化的DSSC電路，并研究了影響其中各個(gè)元件大小的因素，得到了通過(guò)減小部分元件的阻值大小來(lái)提高DSSC性能的結(jié)論。東北大學(xué)的 Kenichi Ishibashi等人利用擬合的方法從一次測(cè)量的I_V特性曲線中得到了被研究DSSC 的所有基本參數(shù)。中科院物理所的戴松元老師研究了金屬柵極的厚度，長(zhǎng)度以及寬度對(duì)于電池效率的影響。雖然目前對(duì)于單塊DSSC性能模擬的方法很多，綜合這些研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于DSSC模塊整體性能隨電池設(shè)計(jì)的研究卻還不夠充分。電池設(shè)計(jì)對(duì)于DSSC模塊獲得最高的效率具有十分重大的意義。合理的電池設(shè)計(jì)能夠在節(jié)約電池面積的同時(shí)，盡可能地提高電池的輸出功率。而通過(guò)計(jì)算模擬對(duì)電池設(shè)計(jì)性能進(jìn)行判定，可以預(yù)測(cè)不同的電池設(shè)計(jì)將會(huì)產(chǎn)生怎樣的輸出效果，并且可以給出一些在實(shí)驗(yàn)或者生產(chǎn)中難以達(dá)到的條件下電池的性能。利用計(jì)算模擬得出的結(jié)果來(lái)指導(dǎo)電池設(shè)計(jì)，既節(jié)約了實(shí)驗(yàn)的成本和時(shí)間，又有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法，能夠模擬內(nèi)部不同連接、不同設(shè)計(jì)的DSSC模塊，進(jìn)而評(píng)估DSSC模塊的性能。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是，一種大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法，其特征是所述方法包括下列步驟
步驟1 將待測(cè)DSSC模塊的子電池的DSSC基本結(jié)構(gòu)等效為由恒流源、二極管、旁路電阻、基板電阻、電解質(zhì)電阻和電極電荷傳輸電阻組成的等效電路；其中，所述恒流源、二極管和旁路電阻并聯(lián)組成并聯(lián)電路，然后并聯(lián)電路與基板電阻、電解質(zhì)電阻和電極電荷傳輸電阻串聯(lián)；步驟2 取與待測(cè)DSSC模塊組成和結(jié)構(gòu)相同的另一塊DSSC模塊作為驗(yàn)證DSSC模塊；步驟3 利用擬合的方法從一次測(cè)量的I-V特性曲線中得到驗(yàn)證DSSC模塊的子電池的基本參數(shù)；所述基本參數(shù)包括恒流源處產(chǎn)生的光電流Γ ph，二極管的反向飽和電流 I' 0，元電荷q'，二極管的理想因子η'，波爾茲曼常數(shù)k' b，熱力學(xué)溫度T'，輸入電壓 V'，輸出電流Γ旁路電阻R' sh，基板電阻R' t。。、電解質(zhì)電阻R' w和電極電荷傳輸電阻 R' ct ；步驟4 計(jì)算待測(cè)DSSC模塊的子電池的旁路電阻Rsh、基板電阻Rt。。、電解質(zhì)電阻Rw 和電極電荷傳輸電阻R。t的阻值；所述旁路電阻Rsh、電解質(zhì)電阻Rw和電極電荷傳輸電阻R。t的阻值分別根據(jù)驗(yàn)證 DSSC模塊的子電池的旁路電阻R' sh、電解質(zhì)電阻R' w和電極電荷傳輸電阻R'。t的阻值
計(jì)算，具體公式為:Kx務(wù)，Rw=K^' & =^ ^ ；其中，&為待測(cè)DSSC模塊
^O^o^o
的子電池的有效面積，S' ^為驗(yàn)證DSSC模塊的子電池的有效面積；步驟5 根據(jù)等效電路中二極管的電壓電流關(guān)系式 7 7 (q(V + RI)^ V+ RI
I = Iph-I0I^pry , / ；}]^，計(jì)算待測(cè)DSSC模塊的子電池的I-V特性曲線；其中， nkbTRsh
Iph=I' Ph' Io = I' o，q = q'，n = n'，kb = k' b，T = T' ,V = V'，I = I'；步驟6 利用待測(cè)DSSC模塊的子電池的I-V特性曲線，獲取待測(cè)DSSC模塊的子電池的效率；步驟7 利用待測(cè)DSSC模塊的子電池的效率乘以待測(cè)DSSC模塊的子電池的有效面積比，得到待測(cè)DSSC模塊的效率。所述步驟7之后還包括計(jì)算使待測(cè)DSSC模塊的效率最大的光陽(yáng)極寬度。所述計(jì)算待測(cè)DSSC模塊的子電池的基板電阻利用公式Rtra = 2X P X1/S計(jì)算， 其中，Rtco為基板電阻的阻值，P為導(dǎo)電薄膜的電阻率，1為沿電流方向?qū)щ姳∧さ拈L(zhǎng)度，S 為垂直電流方向?qū)щ姳∧さ臋M截面積。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中，無(wú)法對(duì)設(shè)計(jì)的大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊的性能進(jìn)行判定的問(wèn)題。


圖1是常見(jiàn)的DSSC模塊結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為并聯(lián)連接模塊結(jié)構(gòu)示意圖，(b) 為W型串聯(lián)連接模塊結(jié)構(gòu)示意圖，(c)為Z型串聯(lián)連接模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提供的大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法流程圖；圖3是DSSC基本結(jié)構(gòu)等效電路圖4是本發(fā)明提供的子電池面積為0. 16cm2和IOOcm2的I-V特性曲線圖；圖5是本發(fā)明提供的Z型串聯(lián)連接DSSC模塊的效率隨光陽(yáng)極寬度變化的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。常見(jiàn)的DSSC模塊包括導(dǎo)電基板、半導(dǎo)體多孔納米晶薄膜、電解質(zhì)溶液以及鍍鉬對(duì)電極。DSSC模塊使用的染料可以是任意一種對(duì)于光陽(yáng)極材料有效的染料，如N3、N719或者 Z907。光陽(yáng)極材料可以采用氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(SiO)或者其它適用于DSSC模塊的光陽(yáng)極的半導(dǎo)體化合物。導(dǎo)電基板材料可以為IT0、FT0或者其它既導(dǎo)電又透明的剛性或者柔性的基板。光陽(yáng)極薄膜由吸光層單獨(dú)構(gòu)成，也可以由吸光層和散射層共同組成；光陽(yáng)極薄膜的制作方法可以是絲網(wǎng)印刷、刮涂、噴涂或者任意一種制備厚膜的方法。用于分隔區(qū)室的柵線材料可以是銀、碳或者其它良導(dǎo)體；柵線的制作方法可以是絲網(wǎng)印刷、濺射或者任意一種制備薄膜的方法。當(dāng)DSSC模塊的組成和結(jié)構(gòu)確定后，其基本結(jié)構(gòu)中的基本參數(shù)也就固定下來(lái)了。圖 2是本發(fā)明提供的大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法流程圖，圖2中，本發(fā)明提供的一種大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法包括下列步驟步驟1 將待測(cè)DSSC模塊的子電池的DSSC基本結(jié)構(gòu)等效為由恒流源、二極管、旁路電阻、基板電阻、電解質(zhì)電阻和電極電荷傳輸電阻組成的等效電路。圖3是DSSC基本結(jié)構(gòu)等效電路圖，圖3中，Iph為恒流源處產(chǎn)生的光電流，Diode為二極管，Rsh為旁路電阻，Rw為電解質(zhì)電阻，R。t為電極電荷傳輸電阻，Rtco為基板電阻。從圖 3中可以看出，DSSC基本結(jié)構(gòu)等效電路先由恒流源、二極管和旁路電阻并聯(lián)組成并聯(lián)電路， 然后該并聯(lián)電路再與基板電阻、電解質(zhì)電阻和電極電荷傳輸電阻串聯(lián)。步驟2 取與待測(cè)DSSC模塊組成和結(jié)構(gòu)相同的另一塊DSSC模塊作為驗(yàn)證DSSC模塊。步驟3 利用擬合的方法從一次測(cè)量的I-V特性曲線中得到驗(yàn)證DSSC模塊的子電池的基本參數(shù)；所述基本參數(shù)包括恒流源處產(chǎn)生的光電流Γ ph，二極管的反向飽和電流 I' 0，元電荷q'，二極管的理想因子η'，波爾茲曼常數(shù)k' b，熱力學(xué)溫度T'，輸入電壓 V'，輸出電流Γ旁路電阻R' sh，基板電阻R' t。。、電解質(zhì)電阻R' w和電極電荷傳輸電阻假設(shè)驗(yàn)證DSSC模塊的子電池已經(jīng)確定的有效面積為S'。= 0.16cm2，I' ph為 16mA/cm2, I'。為 1. 6X l(T9A/m2，η'為 1· 6，R' tc;。為 15 Ω/W (也就是方阻，ohm/square)， R' w*3Q，R'。t*lQ，R' sh* 4000Q。q'、n'、k' b、T'為已知常數(shù)。將這些參數(shù)帶
入表征I-V特性曲線的公式
權(quán)利要求
1.一種大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法，其特征是所述方法包括下列步驟步驟1 將待測(cè)DSSC模塊的子電池的DSSC基本結(jié)構(gòu)等效為由恒流源、二極管、旁路電阻、基板電阻、電解質(zhì)電阻和電極電荷傳輸電阻組成的等效電路；其中，所述恒流源、二極管和旁路電阻并聯(lián)組成并聯(lián)電路，然后并聯(lián)電路與基板電阻、電解質(zhì)電阻和電極電荷傳輸電阻串聯(lián)；步驟2 取與待測(cè)DSSC模塊組成和結(jié)構(gòu)相同的另一塊DSSC模塊作為驗(yàn)證DSSC模塊； 步驟3 利用擬合的方法從一次測(cè)量的I-V特性曲線中得到驗(yàn)證DSSC模塊的子電池的基本參數(shù)；所述基本參數(shù)包括恒流源處產(chǎn)生的光電流Γ ph，二極管的反向飽和電流Γ。， 元電荷q'，二極管的理想因子η'，波爾茲曼常數(shù)k' b，熱力學(xué)溫度T'，輸入電壓V'，輸出電流Γ旁路電阻R' sh，基板電阻R' t。。、電解質(zhì)電阻R' w和電極電荷傳輸電阻R' ct； 步驟4 計(jì)算待測(cè)DSSC模塊的子電池的旁路電阻Rsh、基板電阻Rt。。、電解質(zhì)電阻Rw和電極電荷傳輸電阻1^的阻值；所述旁路電阻Rsh、電解質(zhì)電阻Rw和電極電荷傳輸電阻R。t的阻值分別根據(jù)驗(yàn)證DSSC模塊的子電池的旁路電阻R' sh、電解質(zhì)電阻R' w和電極電荷傳輸電阻R'。t&阻值計(jì)算，具體公式為Rsh =Kh存’ K=Kx咢’ I=^x參唭中，&為待測(cè)Dssc模塊的子電池的有^o^o^o效面積，S' ^為驗(yàn)證DSSC模塊的子電池的有效面積；步驟5 根據(jù)等效電路中二極管的電壓電流關(guān)系式 7 7tq(V + RI)^ V+ RII = Iph-I0[^Pry , / ；}]^，計(jì)算待測(cè)DSSC模塊的子電池的I-V特性曲線；其中， nkbTRshIph=I' hp，I0 = I' O'Q = q'，n = n'，kb = k' b，T = T' ,V = V'，I = I'；步驟6 :利用待測(cè)DSSC模塊的子電池的I-V特性曲線，獲取待測(cè)DSSC模塊的子電池的效率；步驟7 利用待測(cè)DSSC模塊的子電池的效率乘以待測(cè)DSSC模塊的子電池的有效面積比，得到待測(cè)DSSC模塊的效率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法， 其特征是所述步驟7之后還包括計(jì)算使待測(cè)DSSC模塊的效率最大的光陽(yáng)極寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法，其特征是所述計(jì)算待測(cè)DSSC模塊的子電池的基板電阻利用公式Rte。= 2X P X1/S 計(jì)算，其中，Rte。為基板電阻的阻值，P為導(dǎo)電薄膜的電阻率，1為沿電流方向?qū)щ姳∧さ拈L(zhǎng)度，S為垂直電流方向?qū)щ姳∧さ臋M截面積。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域中的一種大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊設(shè)計(jì)性能的判定方法，用于判定設(shè)計(jì)的大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊的性能。包括將大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊的子電池的DSSC基本結(jié)構(gòu)等效為由恒流源、二極管、旁路電阻、基板電阻、電解質(zhì)電阻和對(duì)電極電荷傳輸電阻組成的等效電路；根據(jù)等效電路中二極管的電壓電流關(guān)系式，計(jì)算DSSC基本結(jié)構(gòu)的I-V特性曲線；利用DSSC基本結(jié)構(gòu)的I-V特性曲線，獲取DSSC子電池的效率；利用DSSC子電池的效率乘以DSSC子電池的有效面積比，得到DSSC模塊的效率。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)的大面積染料敏化太陽(yáng)能電池模塊的性能進(jìn)行判定的效果。
文檔編號(hào)G01R31/26GK102269795SQ201110103490
公開(kāi)日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月25日
發(fā)明者張璟, 林紅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)