中國科學院等離子體物理研究所 中國科學院新型薄膜太陽電池重點實驗室 潘斌 陳雙宏 黃陽 翁堅 戴松元

一 引言

染料敏化太陽電池(DSC)是一種高效廉價的新型太陽電池，自1991年DSC被Gr?tzel教授發(fā)明以來[1]，立即成為各國研究人員的研究熱點[2～6]。隨著電池材料和電池結構的不斷改進，目前DSC的實驗室效率已經(jīng)達到12%[7]。由于DSC潛在的應用前景，大面積DSC一直是各國企業(yè)和研究機構關注的熱點[2,8～11]。中科院等離子體物理研究所一直致力于大面積DSC的設計和產(chǎn)業(yè)化研究[8,12]，在解決了電池的封裝和電解質(zhì)灌注等關鍵技術問題后，建立了0.5MW大面積染料敏化太陽電池中試生產(chǎn)線，展示了DSC未來規(guī)?；瘧玫牧己们熬?。本文在課題組研制的大面積并聯(lián)DSC的基礎上介紹大面積DSC的設計方法，以及根據(jù)優(yōu)化設計方案生產(chǎn)的用于光伏電站的組件的性能表現(xiàn)。針對未來DSC在光伏建筑一體化領域的應用，結合DSC的等效電路模型，探討和分析不同透光率下DSC的輸出性能變化，為未來的DSC-BIPV組件的研制和規(guī)模化生產(chǎn)提供理論基礎。

二 大面積染料敏化太陽電池的優(yōu)化設計

在DSC實用化研究過程中，大面積DSC的優(yōu)化設計是關鍵的一步，如何在盡量減少組件成本的前提下獲得最多的電能輸出一直是研究人員關注的重點[2,8,13]。目前大面積DSC主要有四種結構類型:大面積并聯(lián)DSC、串聯(lián)Z型DSC、串聯(lián)W型DSC以及一體結構DSC[14]。四種結構各有優(yōu)勢和特點，但無論何種結構，電池封裝和電池間相互連接都是實現(xiàn)DSC產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)所必須要解決的問題。

中科院等離子體物理研究所一致致力于大面積DSC的產(chǎn)業(yè)化研究，在解決了電池的電極、密封以及連接等技術難題后，研發(fā)了效率穩(wěn)定、制備工藝簡單的大面積并聯(lián)DSC[8]，并于2012年建成5kW示范電站，在DSC的實用化研究方面達到了國際領先水平。

并聯(lián)結構的DSC的結構如圖1所示。光陽極產(chǎn)生的電子被TCO上的銀柵極搜集，經(jīng)外電路回到DSC對電極，再經(jīng)過氧化還原電對的復合反應將電子傳遞給光陽極上失去電子的染料，從而構成了完整的回路[1,8]。優(yōu)化設計大面積DSC首先要在小面積DSC研究的基礎上對DSC的相關參數(shù)進行優(yōu)化，在盡量節(jié)省成本的前提下對透明導電玻璃、多孔膜電極厚度、染料吸附量以及銀柵極的厚度等參數(shù)優(yōu)化設置，以使DSC獲得最佳的輸出性能。

在電池的內(nèi)部結構獲得最優(yōu)化配置后，需研究大面積DSC結構對電池性能的影響。大面積DSC的平面圖如圖2所示，圖中l(wèi)和w分別為燒結了納米TiO2多孔薄膜的電池有效區(qū)域的長度和寬度；w1為兩條柵極間距；s為銀柵極寬度。不同的結構參數(shù)下DSC的串聯(lián)內(nèi)阻會有相應的變化，電池的功率損耗和轉(zhuǎn)換效率也會隨之變化，這就要求建立電池串聯(lián)內(nèi)阻的數(shù)學模型，以模擬計算不同結構時電池的輸出性能。

課題組從串聯(lián)內(nèi)阻的功率損耗方面入手，建立了DSC的串聯(lián)內(nèi)阻損耗模型并研究了不同結構參數(shù)下DSC的輸出性能，在此基礎上對15×20cm大面積并聯(lián)DSC進行了優(yōu)化設計[15]。主要思路是在串聯(lián)內(nèi)阻損耗模型基礎上，研究在大面積DSC組件中柵極遮陰造成的光采集損失與串聯(lián)阻抗引起的光電子收集損失之間的競爭關系，對不同條件下并聯(lián)大面積DSC組件的最優(yōu)化結構進行了模擬，得到最優(yōu)化的電池結構參數(shù)[16]。

圖2 印刷銀柵極的DSC平面示意圖

三 大面積染料敏化太陽電池的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應用

在大面積DSC優(yōu)化設計的理論基礎上，中科院等離子體物理研究所在戴松元研究員的帶領下克服了電解質(zhì)灌注、電池封裝以及電池連接等技術難題，并開發(fā)了一系列DSC組件生產(chǎn)設備，在世界上率先建立了大面積DSC 0.5MW中試生產(chǎn)線(圖3)。中試線自投產(chǎn)以來，運行穩(wěn)定，批量生產(chǎn)的單片15×20cm DSC組件效率最高超過了7%，如圖4、圖5所示。

圖3 大面積DSC中試生產(chǎn)線

圖4 大面積并聯(lián)DSC(15×20cm)

圖5 大面積并聯(lián)DSC的I-V曲線(FF=0.6946，η=7.346%)

在研究大面積DSC產(chǎn)業(yè)化的關鍵技術的同時，課題組也開展了大面積DSC的應用研究，于2004年建立了世界領先的500W染料敏化太陽電池示范電站[12]，2012年建成了5kW示范電站(圖6)，這些成果都顯示了大面積DSC大規(guī)模應用的美好前景。

圖6 DSC 5kW示范電站

目前建設光伏電站仍然是國內(nèi)光伏發(fā)電的主要形式，但隨著應用的深入，受土地成本昂貴、傳輸損耗大、建筑能耗高等因素的影響，光伏建筑一體化必將成為光伏發(fā)電應用的主流[17,18]。目前光伏建筑已占據(jù)了世界光伏市場的主要份額[19～22]。

由于DSC制造簡單、視覺效果豐富多樣，其在光伏建筑一體化(BIPV)上的應用開始受到關注[23～25]。目前對于DSC在BIPV上的應用多集中在利用其豐富的色彩將其作為一種裝飾性材料而未能充分發(fā)揮其半透明的特點。為充分利用其透光性，制作出更加美觀適用的BIPV組件，對電池可見光透過率與其輸出性能之間關系的研究顯得尤為必要。本文結合本課題組大面積并聯(lián)DSC的制作工藝[8]，推導出不同透光率下電池輸出性能的數(shù)學模型，由此模擬不同透光率下電池的輸出功率和有效區(qū)域轉(zhuǎn)換效率，并給出最優(yōu)化設計結果，為下一步制作理想的DSC-BIPV組件提供理論指導。

四 DSC應用中的理論模型

1 DSC的可見光透過率以及電池有效面積的計算

染料敏化太陽電池主要由透明導電玻璃(TCO)、光陽極、電解質(zhì)和對電極組成，大面積DSC中TCO上的電阻通常較大[12,15]。為降低TCO上的功率損耗，常見的方法是在TCO上印刷銀柵極(圖2)。通常電池中的銀柵極不透明，若有效區(qū)域和TiO2與柵極之間的區(qū)域可見光透過率分別為t1和t2，忽略其他區(qū)域?qū)ζ骄高^率的影響，電池的平均可見光透過率可表示為:

t1、t2受TiO2納米薄膜厚度、染料吸附量以及TCO等材料的影響。本文中所用的電池光陽極厚度為6μm，使用0.5mmol/L的N719染料浸泡12h后與對電極組裝并灌注電解質(zhì)，分別測量有效區(qū)域和TiO2與銀條之間的區(qū)域的透射譜。根據(jù)GB/T 2680-1994《建筑玻璃可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數(shù)的測定》，計算得到兩區(qū)域的可見光透射率分別為:t1=4.23%、t2=72.58%。

對于確定的可見光透過率T，由式(1)可知此時w1隨w變化而變化。若大面積并聯(lián)電池總寬度為K，電池中TiO2條數(shù)為N，則:

DSC的有效區(qū)域面積S表示為:

2 DSC的串聯(lián)內(nèi)阻

串聯(lián)內(nèi)阻是影響大面積DSC輸出性能的重要因素[16,26]。Han L Y等人[27]通過研究DSC的電化學阻抗譜推導出電池的等效電路模型，如圖7所示。

圖7 DSC的等效電路模型

其中:Rh為導電玻璃的搜集電阻；R1為對電極的界面電阻；R2表示TiO2納米顆粒/染料/電解質(zhì)界面上的電子傳輸阻抗；R3表示電解質(zhì)層的擴散電阻。并聯(lián)電阻Rsh則與電子的復合有關[27～29]。根據(jù)DSC的等效電路模型串聯(lián)內(nèi)阻可表示為[27]:

忽略電荷在界面上傳輸?shù)牟痪鶆蛐?，則界面電阻R1、擴散電阻R3與傳輸面積成反比，而與傳輸距離成正比。在電池厚度均勻的情況下，R1和R3的大小只與面積有關。直流電阻Rh包括兩部分:導電玻璃的電阻RTCO和銀柵極的體電阻RAg，相對于RTCO柵極電阻很小[15]，故為簡化計算，只考慮TCO上的電阻RTCO。RTCO又分為兩部分:有TiO2的有效區(qū)域部分RT以及有效區(qū)域和柵極之間的部分RG。

導電玻璃上的面電阻r=R W/L，其中:R為導電玻璃的方塊電阻；W、L分別為電阻區(qū)域的寬度和長度，本文中R=15?/?。

當DSC所用材料和內(nèi)部結構參數(shù)一定時，單條電池的串聯(lián)內(nèi)阻Rs只與w、w1和l這三個參數(shù)有關，即

3 DSC的轉(zhuǎn)換效率

DSC的電流密度方程可表述為[16,30]:

式中，jph為光生電流密度；jo為反向飽和電流密度。

在DSC中并聯(lián)電阻遠大于電池串聯(lián)內(nèi)阻[31]，可忽略其對輸出性能的影響，光生電流密度與短路電流密度近似相等( jsc≈jph），則式(5)可簡化為:

其中，A=q/n kBT ，V=S j RL

式(6)等號兩邊同時乘以面積S=w l可得:聯(lián)立式(4)即可得到與電池結構關聯(lián)的DSC的I-V曲線方程。根據(jù)式(4)和式(7)可計算不同結構參數(shù)時的電池的輸出曲線，繼而得到不同結構時電池的最大輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，再將電池結構的變化變換為DSC透過率的變化，即可得到DSC轉(zhuǎn)換效率隨可見光透過率變化的規(guī)律。

五 模擬結果與分析

式(7)中的參數(shù)A、I0、Rs只有兩個是獨立的，可由已知的I-V曲線擬合得到[31～33]。由式(7)可計算不同電池結構參數(shù)時的I-V曲線，根據(jù)模擬計算結果可得到電池的最大輸出功率Pm=ImVm，電池有效區(qū)域轉(zhuǎn)換效率為ηactive=Pm/S=Pm/w l，電池總的轉(zhuǎn)換效率η=Pm/w1(l+2s)。結合以上所述的光學模型，將不同的電池結構變換為可見光透過率的變化，則可模擬不同可見光透過率下電池的轉(zhuǎn)換效率變化，如圖8、圖9所示。

圖8 模擬計算DSC有效區(qū)域轉(zhuǎn)換效率隨透過率變化(l=5cm,R=15?/?)

圖9 模擬計算DSC轉(zhuǎn)換效率隨可見光透過率的變化(l=5cm，R=15?/?)

可見電池有效區(qū)域的轉(zhuǎn)換效率隨電池透過率先減小后增大。這是由于在透過率增大時，w/w1減小，電池總的內(nèi)阻增大，而與此同時由于有效區(qū)域減小，電池輸出電流也減小，輸出功率在內(nèi)阻上的損耗可表示為Ps=I2Rs，同時受到電流和內(nèi)阻變化的影響。在透過率較小區(qū)間內(nèi)阻的增大占主導作用，輸出功率損耗增大，效率降低；而在透過率較大的區(qū)間電流減小對轉(zhuǎn)換效率影響更大，電流減小，輸出損耗減小，效率增大。

從圖8可看出最低效率點出現(xiàn)在可見光透過率為20%左右，在制造染料敏化太陽電池BIPV組件時應盡量避免此透過率區(qū)間。在透光率一定時，w1越小DSC效率越高，主要原因是w1減小時，DSC內(nèi)阻變小，而此時w也減小，從而導致輸出電流降低，故功率損耗更小而轉(zhuǎn)換效率提高。

電池寬度不同時，相同透過率的DSC總的轉(zhuǎn)換效率非常接近，透過率為35%～45%，不同寬度的電池轉(zhuǎn)換效率幾乎相等。雖然電池寬度越小DSC有效區(qū)域轉(zhuǎn)換效率越高，但是w1較小時其無效區(qū)域(包括柵極的面積和柵極與TiO2之間的面積)所占比例更大，故總轉(zhuǎn)換效率相近?？梢娨瓜嗤梢姽馔高^率的大面積DSC組件具有最大的輸出效率，必須考慮有效區(qū)域面積對總輸出功率的影響。

以透光率30%為例，當大面積DSC的寬度和長度一定時，聯(lián)立式(2)、式(4)、式(7)可得到組件的輸出性能隨TiO2條寬度的變化如圖10所示。對于某一電池長度，存在最優(yōu)化TiO2寬度使得DSC組件整體輸出功率最大，透光率為30%時，15×20cm并聯(lián)電池組件的最佳TiO2寬度值w約為1cm。

圖10 模擬計算透光率30%時DSC組件的輸出功率變化(K=15cm,R=15?/?)

六 結論與展望

簡要介紹了本課題組在大面積染料敏化太陽電池設計研制方面的研究進展，對于大面積DSC的應用，提出未來在BIPV領域大面積DSC將會有很大的發(fā)展空間，使用DSC的I-V方程理論模擬了不同可見光透過率下電池的轉(zhuǎn)換效率變化。模擬結果表明在保證一定的電池有效區(qū)域轉(zhuǎn)換效率的前提下，DSC的透光率有較寬的調(diào)控范圍，適合制作具有不同透光效果的光伏組件。當可見光透過率一定時，存在一個最優(yōu)化的電池寬度使得組件的輸出功率最高。

染料敏化太陽電池是一種廉價、制作簡單、環(huán)境友好的新型太陽電池，隨著中試生產(chǎn)線的成功建設以及相關技術的不斷改進，大規(guī)模的應用將很快實現(xiàn)。因為其具有透光率靈活可控，顏色多樣，視覺效果豐富等特點，大面積染料敏化太陽電池在光伏建筑一體化領域必將會有巨大的發(fā)展空間。

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