專利名稱：染料敏化太陽能電池轉換效率及單波長量子效率測量方法
技術領域：
本發明涉及半導體材料應用領域和光學領域，尤其是一種染料敏化納米薄膜太陽能電池轉換效率及單波長量子效率的測試方法。
背景技術：
隨著人類社會的發展，化石能源的大量消耗，人類面臨日益嚴峻的能源危機。太陽能電池發電系統處于突出的位置，該系統的廣泛應用需要太陽能電池具有很高的轉化效率，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院M.Grtzel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，得到國際上廣泛關注和重視。其廉價的生產成本、容易工業化生產的工藝技術，以及廣闊的應用前景吸引了眾多的科學家與企業的投入。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體納米材料結合的復合體系對太陽能進行光電轉換，其主要由以下幾個部分組成含納米多孔半導體薄膜的光陽極、有機染料、電解質及對電極。由于染料敏化納米薄膜太陽能電池的內部物理和化學環境復雜，電子在傳遞過程中伴隨著復雜的反應過程，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，即開路電壓、短路電流、填充因子、轉換效率、單波長外量子效率以及內量子效率等。因此其參數測試方法對研究和提高染料敏化納米薄膜太陽能電池轉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換效率的測試方法”公開了一種多晶硅太陽能電池轉換效率的測試方法，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的透射光譜；用理論透射率公式擬合實驗結果，得到多晶硅太陽能電池的帶尾能量等物理參數；實驗測量多晶硅太陽能電池的轉換效率η，并將其與不同多晶硅太陽能電池樣品帶尾能量Eu結合，得到兩者之間的線性關系式。該方法僅限于多晶硅太陽能電池，而且不能同時實現轉換效率，單波長內量子效率與外量子效率的測量，提供的電池參數信息不夠全面。
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。其中傳統直流測量法雖然簡單，但是測量信號偏小，測試結果不準確。而交流測量法的優點是不需要屏蔽，能夠抑制各種頻率的噪音，但是相對比較復雜，它在染料敏化納米薄膜太陽能電池參數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化過程機理等與傳統的硅太陽能電池不同，電池對光的響應也不同，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，即串聯一個0.01級標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，影響了測量結果。而且標準電阻的選取給系統帶來更多的變量。總而言之，傳統的單波長量子效率測試方法或者測量不準確或者太復雜，因此其測量的結果不能夠正確地反應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研究造成了不便。
本發明針對染料敏化納米薄膜太陽能電池的參數測量系統進行了改進。提出利用一套儀器同時實現測量染料敏化太陽能電池的轉換效率和量子轉換效率的方法，本發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。本發明還利用反饋安培計技術測量采集數據信號，使信號誤差降低了10000倍。因此相比于傳統測量方法，本發明提高了信號強度和電池參數測量的準確度，并且還可以得到樣品的均勻性參數，對多孔半導體薄膜光陽極以及整個電池系統提供了研究的基礎，對研究人員進行電池的工藝改進，有著很大指導意義。
發明內容
本發明目的是提供一種染料敏化納米薄膜太陽能點年的轉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測量設備的成本，克服傳統量子效率測量方法中的技術不足，提高信號強度與精度，提供更加全面的電池參數信息，用以指導制備工藝的改進，以及染料的研究。
本發明的技術方案是1、調節好標準模擬光源，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、調節電壓使電壓—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、轉換效率等參數；3、利用汞燈的波長讀數，調節單色儀波長刻度與汞燈的標準波長譜線一致；4、將鹵素燈及氘燈平行入射到單色儀，將已知各種參數的標準參比電池放置于樣品架上，利用反饋電流計技術測量不同波長下標準電池的短路電流信號；5、重復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量子效率；7、重復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比較法的關系為Qλ＝Qref，λ·Jλ/Jref，λ其中Qref，λ，Jref，λ為在特定波長λ下標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。本發明還利用反饋安培計技術，直接測量采集數據信號，可以降低信號誤差。同時本發明不用斬波器，避免電容的測量干擾，提高測量精度；簡化測量條件，本發明固定受光面積以減小樣品面積的測量誤差；本發明在同樣光照條件下利用標準參比電池的信號與待測電池直接進行比較計算，同時保證標準參比電池參與每次測量，增加了準確度。本發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、準確地測量內量子效率。改變受光位置得到樣品的均勻性。
本發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；本發明實現了外量子效率與內量子效率的測量，數據參數提供全面，具有多功能的特點。本發明中測試系統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，用以指導制備工藝的改進，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系圖具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明采用Orial模擬光源，鹵素燈以及氘燈分別作為光源，利用卓立漢光單色儀，以及美國吉時利公司生產的小電流源測量儀，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的常溫轉換效率、單波長外量子效率和內量子效率。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.調節好模擬光源，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.調節恒壓源，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以及轉換效率η等參數。(S1Voc＝590mV，Jsc＝12mA，FF＝58％，η＝4.11％；Voc＝622mV，Jsc＝15mA，FF＝65％，η＝6.06％)3.調節汞燈平行入射位置，利用已知的汞燈的標準波長譜線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.將鹵素燈和氘燈以平行入射的方式進入單色儀，通過單色儀的光柵分光后，將標準參比電池放置于標準樣品架上，固定樣品表面的受光面積為16πmm2，將標準參比電池接于電流計的兩端。
5.測量標準參比電池在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據。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，得到單波長內量子效率隨波長的變化關系。
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。
權利要求
1.染料敏化太陽能電池轉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，轉換效率等參數；2)在相同單色光照條件下，測量已知參數的標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量子效率；4)對于大塊染料敏化太陽能電池，重復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.根據權利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉換效率及單波長量子效率的測量方法，其特征是，步驟1-4在一臺儀器上實現同時測量轉換效率，及單波長量子效率測量方法。
3.根據權利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉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.根據權利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉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。
5.根據權利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉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由積分球附件進行積分，其中標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.根據權利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉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.根據權利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉換效率及單波長量子效率的測量方法，其特征是所述標準電池是硅電池。
8.根據權利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉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.根據權利要求1所述的染料敏化納米薄膜太陽能電池轉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)中數據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，轉換效率等參數；在相同單色光照條件下，測量已知參數的標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 優先權日2007年5月9日
發明者鄒志剛, 劉禮飛, 陳新益, 劉斌, 于濤 申請人:南京大學