張 平 王 弋 付立民 艾希成 張建平

(中國人民大學(xué)化學(xué)系,北京100872)

二極管特性簡化模型在染料敏化太陽能電池電流-電壓曲線擬合及在光電特性參數(shù)評估中的應(yīng)用

張 平 王 弋 付立民*艾希成 張建平

(中國人民大學(xué)化學(xué)系,北京100872)

利用瞬態(tài)光電導(dǎo)技術(shù)研究了在一個(gè)大的偏壓范圍內(nèi)染料敏化太陽能電池(DSSC)中的電荷收集和電荷復(fù)合過程的動(dòng)力學(xué).結(jié)果表明,在不同的電壓下電荷收集速率遠(yuǎn)快于電荷復(fù)合速率,用以解釋電荷的收集效率幾乎不變.基于這個(gè)結(jié)果,簡化了DSSC二極管特性模型,從而實(shí)現(xiàn)了對電流-電壓(I-V)曲線的直接擬合.利用這一模型擬合的結(jié)果提取出一系列與工作條件下DSSC光電轉(zhuǎn)化過程相關(guān)的參數(shù),可以用以描述包括電荷生成、電荷收集和復(fù)合以及DSSC器件的整流特性等關(guān)鍵性質(zhì).將這一擬合方法應(yīng)用于不同叔丁基吡啶(TBP)濃度電解液的電池,獲得的結(jié)果表明,不同TBP濃度可以導(dǎo)致電荷復(fù)合速率有較大的差別,但對電荷的收集速率影響甚小,這與I-V曲線擬合的結(jié)果非常吻合.同時(shí)研究證明TBP濃度對電池的理想因子(m)的影響較為明顯,即高濃度TBP的DSSC對應(yīng)大的m值以及較慢的電荷復(fù)合速率.

串聯(lián)電阻;并聯(lián)電阻;I-V曲線;叔丁基吡啶;理想因子

1 引言

DSSC制備過程簡單,成本低廉,環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)吸引了眾多研究者的廣泛關(guān)注.自從1991年O'Regan和Gr?tzel1將介孔TiO2引入到染料敏化太陽能電池后,DSSC的效率得到大幅度的提升.近年來染料敏化太陽能電池的實(shí)用化技術(shù)進(jìn)步顯著,眾多研究者在染料分子結(jié)構(gòu)、2-4電解液組成5以及光陽極和對電極的形貌控制6方面進(jìn)行了深入研究,使得DSSC的光電轉(zhuǎn)化效率得到了顯著的提高.因?yàn)殡姵氐男阅芸梢杂梅至麟娮琛⒋?lián)電阻和理想因子等相關(guān)參數(shù)來說明,所以精確地評價(jià)這些參數(shù)很重要.DSSC通?？梢杂脝谓Y(jié)二極管模型的等效電路表征.電流(I)和電壓(V)的關(guān)系可以用式(1)描述:

其中,Iph、I0分別代表飽和光電流密度、反向飽和電流密度,m為理想因子,kB為玻爾茲曼常數(shù),q為元電荷電量,T為溫度,Rs為串聯(lián)電阻,Rsh為并聯(lián)電阻.在上述參數(shù)中I0、m、Rs、Rsh對描述和總結(jié)DSSC的宏觀性能表現(xiàn)具有重要的意義.這些參數(shù)從理論上講可以通過數(shù)值擬合獲取,但在實(shí)際操作中因?yàn)槭?1)中參數(shù)眾多并且等式右邊同時(shí)含有因變量和自變量,導(dǎo)致擬合的運(yùn)算和平衡過程復(fù)雜,運(yùn)算量巨大.為了實(shí)現(xiàn)有效的擬合,研究者們在建立簡化的數(shù)學(xué)模型和尋找初值方法等方面進(jìn)行了大量的工作. Ishibashi等7在恒光強(qiáng)條件下提取所有參數(shù),首先為了有效擬合采用多項(xiàng)式近似和其他方法對原始數(shù)據(jù)做了平滑處理,然后對Rs和m初始賦值得到dV/dI隨的圖像,從y-截距和斜率分別得到Rs和m,在I=Isc(短路光電流)時(shí)得到Rsh.該方法的優(yōu)點(diǎn)在于僅從一條I-V曲線就可以得到所有參數(shù),擬合結(jié)果應(yīng)用到包括有機(jī)太陽能電池、硅太陽能電池及染料敏化太陽能電池中發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合,并且該方法有很好的收斂性.Zhang等8通過引入一個(gè)LamberW函數(shù)(y=xex的反函數(shù))對式(1)進(jìn)行變換處理,使等式右邊僅含有自變量V,從而化簡單結(jié)二極管模型I-V方程,通過采用最小二乘法擬合可以得到m、Rs和Rsh的精確值.Sarker等9利用電化學(xué)阻抗譜(EIS)得到DSSC的Rs,利用I-V擬合得到其Rsh,并且Rsh＞＞Rs.上述的幾種提取方法各自有其優(yōu)越性,但是它們僅僅從電學(xué)模型的角度考慮而缺少對動(dòng)力學(xué)過程的研究.

另外,DSSC內(nèi)部的充放電過程本質(zhì)就是描述電荷的收集和復(fù)合之間的競爭關(guān)系.電荷收集等效于電荷經(jīng)過Rs到達(dá)氟摻雜Sn2O2(FTO)導(dǎo)電玻璃電極,電荷復(fù)合等效于電荷經(jīng)過Rsh與電解液發(fā)生作用.10一般來說,光陽極中電荷壽命和電荷收集時(shí)間常數(shù)隨光照強(qiáng)度變化可以用MT(MultipleTrapping)模型來表述.簡言之,光陽極材料導(dǎo)帶能級下存在濃度呈指數(shù)衰減(隨能量/電壓的降低)分布的缺陷態(tài),正常光照強(qiáng)度下,染料向光陽極注入的大部分電荷被所在缺陷態(tài)俘獲;電荷通過熱活化逃逸到導(dǎo)帶,經(jīng)濃度擴(kuò)散方式收集,最終被透明電極收集;在收集過程中,電荷可以通過多種途徑與電解液中的氧化性碘元素復(fù)合.11,12Hopping模型能很好地解釋不同溫度下擴(kuò)散系數(shù)(Dn)與費(fèi)米能級(EF)注入的關(guān)系,在EF低于收集能級(Etr)時(shí)才能以Hopping模型收集電子,結(jié)果與MultipleTrapping模型基本一致,其中Etr一般比導(dǎo)帶低250mV.13光電子以Multiple Trapping模型收集時(shí),人們發(fā)現(xiàn)即使在弱光強(qiáng)下,一個(gè)優(yōu)化的電池中幾乎所有的光生電子都能到達(dá)基底.14在以Ti的納米管作為光陽極膜的電池中,電荷擴(kuò)散長度甚至可以達(dá)到100mm,遠(yuǎn)大于常見的DSSC光陽極膜厚.15電解液中添加劑能影響電荷的收集和復(fù)合,其中TBP作為一種重要的添加劑能顯著提升DSSC的開路電壓(Voc)并抑制電荷的復(fù)合,16,17因此研究TBP濃度對電荷收集/復(fù)合意義重大.

本文我們利用瞬態(tài)光電導(dǎo)技術(shù)研究了釕配合物為染料的DSSC的電荷收集18和電荷復(fù)合動(dòng)力學(xué),提出了一種新的簡化I-V曲線的擬合計(jì)算方法,在恒光強(qiáng)條件下實(shí)現(xiàn)了I-V曲線的快速擬合.基于擬合結(jié)果給出的光電特性參數(shù),探討了不同TBP濃度對電荷收集/復(fù)合及電池效率的影響.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 光陽極的制備

取P25(25mmTiO2粉末,德固賽公司,上海) 1.1g,二甘醇1.37g(分析純,AlfaAesar,天津),羥丙基纖維素1.37g(分析純,AlfaAesar,天津),置于離心管中,玻璃棒攪拌之后再離心,如此循環(huán)3-5次,獲得P25的漿料.FTO導(dǎo)電玻璃(奧匹維特公司,營口)經(jīng)過TiCl4(分析純,Sigma,上海)處理后,在馬弗爐中450°C煅燒30min,冷卻獲得致密層.采用刮涂法把制備好的P25漿料涂到覆有致密層的FTO玻璃片上,控制膜厚30mm,再將刮涂好的膜放到馬弗爐中燒結(jié),條件450°C、30min,再經(jīng)過第二次TiCl4處理和馬弗爐燒結(jié),條件同上.將P25膜放到0.3 mol·L-1N719((TBA)2-cis-Ru(Hdcbpy)2-(NCS)2,奧匹維特公司,營口)的乙醇溶液中,浸泡24h,取出后真空干燥.配制電解液溶液用0.05mol·L-1的LiI(分析純,AlfaAesar,天津),0.03mol·L-1I2(分析純,福晨化學(xué)),1mol·L-11-丙基-3-甲基碘化咪唑(PMII,奧匹維特公司,營口),0.5mol·L-1叔丁基吡啶(TBP,奧匹維特公司,營口),0.1mol·L-1異硫氰酸胍(GuNCS,奧匹維特公司,營口),溶劑是乙腈(分析純,北京伊諾凱科技有限公司)和丙腈(分析純,AlfaAesar,天津),乙腈和丙腈的體積比為15:85.我們稱作1#電解液.19固定其它物質(zhì)濃度不變,將TBP的濃度替換成0.01mol·L-1,我們稱作2#電解液.P25的光陽極膜做好后與Pt對電極組裝在一起,注入1#電解液和2#電解液組裝得到兩塊不同TBP濃度的電池,其中TBP濃度為0.5mol·L-1的電池用Cell-1表示,TBP濃度為0.01mol·L-1的電池用Cell-2表示.I-V測試在伏安特性測試系統(tǒng)(SolarIV-150B,Zolix卓立漢光)上進(jìn)行,光強(qiáng)為100mW·cm-2.

2.2 瞬態(tài)光電壓實(shí)驗(yàn)

用穩(wěn)壓直流電源驅(qū)動(dòng)波長為530nm的發(fā)光二極管(LED,10W)發(fā)光,經(jīng)過透鏡聚焦在電池表面,作為偏置光源,其光斑尺寸為5mm×5mm.為獲得不同的開路電壓,該LED輸出的照射光功率(以電池表面處光強(qiáng)計(jì))由可調(diào)直流電源(YK-AD15100,廣州郵科電源)控制,電壓在0-13V之間.微擾脈沖由納秒激光器提供,波長532nm,脈寬7ns,脈沖周期從2到20s,脈沖能量為0.3-1.2mJ.在測量瞬態(tài)光電壓(TPV)信號時(shí),電池兩極直接接到數(shù)字示波器(Lecroy64Xs),輸入阻抗為1MΩ,同時(shí)測量偏置光產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)開路電壓和脈沖光產(chǎn)生的瞬態(tài)光電壓信號,在測量瞬態(tài)光電壓上升時(shí)調(diào)節(jié)示波器分辨率并用示波器采集數(shù)據(jù).

2.3 瞬態(tài)光電壓動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)處理方法

基于TPV技術(shù),我們分別測試了不同背景開路電壓下,兩類器件的光電壓上升及衰減動(dòng)力學(xué),并通過指數(shù)擬合獲得了不同開路電壓下的瞬態(tài)光電壓上升時(shí)間常數(shù)(τc)和衰減時(shí)間常數(shù)(τn).通過分段多指數(shù)擬合及加權(quán)平均獲得瞬態(tài)光電壓上升時(shí)間常數(shù)和衰減時(shí)間常數(shù),以500mV光偏電壓下Cell-1和Cell-2的動(dòng)力學(xué)為例,擬合曲線見圖1,擬合參數(shù)結(jié)果見表1.

3 結(jié)果與討論

3.1 電荷收集與電荷復(fù)合動(dòng)力學(xué)

相關(guān)結(jié)果如圖2中的插圖(a)、(b)所示.可以看到,相同電壓下,兩類器件τc的數(shù)值十分接近,而Cell-1的τn值明顯大于Cell-2.這意味著,兩類器件中的電荷收集速率相差不大,但Cell-1中電荷復(fù)合速率則慢于Cell-2.在本文工作中,我們調(diào)控了兩個(gè)電池器件電解液中的TBP濃度,使Cell-2的電解質(zhì)中TBP的濃度較Cell-1中的優(yōu)化濃度降低了50倍.兩種電池器件中電荷復(fù)合反應(yīng)的速率有了較大的差異,20,21此結(jié)果與之前的大量文獻(xiàn)報(bào)道相符.

如上文所述,電荷收集與復(fù)合動(dòng)力學(xué)的競爭關(guān)系是影響DSSC器件最終光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一,這一競爭關(guān)系可以通過“電荷收集效率(ηcc)”來描述.參照之前我們的工作,22我們基于τc和τn的數(shù)值計(jì)算了不同電壓下,兩類器件的ηcc.計(jì)算方法及最終結(jié)果分別如式(2)、圖2所示.

圖1 300m V光偏電壓下Cell-1和Cell-2的(a)上升動(dòng)力學(xué)及擬合曲線和(b)衰減動(dòng)力學(xué)及擬合曲線Fig.1 (a)Rise kineticsand fitting curvesand(b)decay kineticsand fitting curves for Cell-1 and Cell-2 under 300 m V bias photovoltage

表1 Cell-1和Cell-2分別在300m V光偏電壓下的瞬態(tài)光電壓上升和衰減動(dòng)力學(xué)雙指數(shù)擬合結(jié)果Table1 Bi-exponential fitting resultsof transient photovoltage riseand decay kinetics for Cell-1 and Cell-2 under 300m V biasphotovoltage

圖2 Cell-1和Cell-2在不同光電壓下的電荷收集時(shí)間常數(shù)(τc)(a)、電荷復(fù)合時(shí)間常數(shù)(τn)(b)和電荷收集效率(ηcc)Fig.2 Dependenceof charge collection time constant (τc)(a),charge com posite time constant(τn)(b),and charge collection efficiency(ηcc)on photovoltage for Cell-1 and Cell-2

其中kc和kr分別表示電荷收集時(shí)間常數(shù)和電荷復(fù)合時(shí)間常數(shù).可以看到,盡管Cell-2的τn值明顯小于Cell-1,且兩者的τc值接近,但最終兩類器件中各自計(jì)算得到的ηcc的數(shù)值相仿,并都接近于1.這是由于無論對于Cell-1還是Cell-2,其電荷收集速率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于電荷復(fù)合速率,即τc＜＜τn,進(jìn)而導(dǎo)致ηcc≈1,這一結(jié)果很容易從式(2)推導(dǎo)獲得.此結(jié)果說明,盡管我們在本工作中刻意調(diào)整TBP的濃度使電荷的復(fù)合速率加快,電荷收集速率仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于電荷復(fù)合速率.換言之,在光陽極內(nèi)部,電荷復(fù)合過程對電荷向FTO的傳輸收集過程的影響甚小.在下文中,我們將基于這一結(jié)果,提出一種新的對I-V曲線進(jìn)行數(shù)值擬合的簡化方法,并進(jìn)一步討論電荷收集與電荷復(fù)合的競爭關(guān)系對器件光電特性的影響.

3.2 I-V曲線的數(shù)值擬合

基于式(1)的完整形式進(jìn)行擬合,可以獲得Ipη、m、Rs、Rsη等與DSSC光伏性能相關(guān)的物理參數(shù).然而,式(1)的復(fù)雜性導(dǎo)致其求解困難,通常只能使用迭代法擬合且擬合參數(shù)的設(shè)置和求解都十分繁瑣.7前述的TPV實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在本文的實(shí)驗(yàn)電壓范圍(25-600mV)內(nèi),電荷復(fù)合速率均遠(yuǎn)小于電荷收集速率.表達(dá)在等效電路中,即可以認(rèn)為在我們關(guān)心的電壓區(qū)間內(nèi),串聯(lián)電阻遠(yuǎn)小于并聯(lián)電阻(Rs＜＜Rsη).因此式(1)中等號右側(cè)第三項(xiàng)貢獻(xiàn)極小,在忽略此項(xiàng)貢獻(xiàn)的情況下,式(1)可以簡化為:

相比于式(1),簡化后的式(3)允許我們對Cell-1和Cell-2進(jìn)行快速的直接數(shù)值擬合,基于最小二乘法得到的最優(yōu)化擬合結(jié)果如圖3所示.

從圖3可以看到,利用簡化后的二極管特征方程,能夠比較好地?cái)M合器件的I-V特征曲線,再一次證明了“Rs＜＜Rsη”這一近似的合理性.更重要的是,基于I-V曲線的擬合結(jié)果,我們提取出了理想因子(m)這一重要物理參數(shù),并且發(fā)現(xiàn)Cell-1和Cell-2的m值分別為3.24和2.48.m值的大小可以反映器件的整流特性,其數(shù)值越大,意味著DSSC的反向復(fù)合電流越小.23對于單結(jié)二極管而言,1＜m＜2,但在我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,兩個(gè)器件的m值均介于2-4,這一結(jié)果與諸多的文獻(xiàn)報(bào)道相符,7,8其原因可以歸結(jié)為雙結(jié)二極管串聯(lián)所致.本工作中,我們使用的DSSCs均包含兩個(gè)二極管結(jié)區(qū),即FTO/TiO2結(jié)區(qū)、TiO2/電解液結(jié)區(qū).然而,即使兩個(gè)器件的基本構(gòu)造一致,m值依然顯示較大的差異,Cell-1的m值幾乎為Cell-2的1.5倍,意味著Cell-1內(nèi)電荷復(fù)合慢于Cell-2,從而導(dǎo)致Cell-1具有比Cell-2更高的Voc,這與我們在圖2所展示的結(jié)果完全吻合.此外,從圖3中可以看到,隨著電壓的上升,Cell-2中電流密度的衰減程度明顯快于Cell-1,這同樣可以歸因?yàn)榍罢叩膹?fù)合速率較快或m值較小.

圖3 Cell-1和Cell-2的I-V特征曲線及擬合曲線Fig.3 Characteristic I-V curvesof and fitting curves Cell-1 and Cell-2

3.3 電荷收集/復(fù)合動(dòng)力學(xué)對I-V曲線的影響

如前文所述,電荷收集與電荷復(fù)合動(dòng)力學(xué)之間的競爭關(guān)系會(huì)顯著影響器件的光伏特性.在本工作中,Cell-1與Cell-2的電荷收集速率接近,但電荷復(fù)合速率相差很大.然而,即使對于復(fù)合較快的Cell-2,依然有τn＞＞τc,且ηcc≈1.該結(jié)果表明,通過提升電荷收集速率或降低電荷復(fù)合速率,對DSSC電荷收集效率提高所起的作用十分有限.與此同時(shí),我們發(fā)現(xiàn)由于Cell-2中電荷復(fù)合速率明顯快于Cell-1,致使其理想因子數(shù)值較小,并導(dǎo)致Voc較小,電流密度隨著電壓的升高而迅速降低,進(jìn)而嚴(yán)重影響光電轉(zhuǎn)換效率.因此,通過抑制電荷復(fù)合來增大器件理想因子,可能會(huì)成為DSSC器件優(yōu)化的重要途徑之一.

4 結(jié)論

利用瞬態(tài)光電導(dǎo)技術(shù)研究了DSSC的電荷收集和電荷復(fù)合動(dòng)力學(xué),發(fā)現(xiàn)即使加快電荷的復(fù)合速率,電荷的收集效率還是接近1.基于這一事實(shí),我們提出了一種簡化I-V曲線的擬合計(jì)算方法.從擬合中得到重要參數(shù)m并考察了電荷收集/復(fù)合對m的影響,在一定程度上表明DSSC中理想因子值越高,越有利于填充因子和光電轉(zhuǎn)化效率的提升.

(1)O'Regan,B.;Gr?tzel,M.Nature 1991,353,737.doi:10.1038/ 353737a0

(2)Lenzmann,F.O.;Kroon,J.M.Advances in OptoElectronics 2007,2007,65073.doi:10.1155/2007/65073

(3)Kuciauskas,D.;Monat,J.E.;Villahermosa,R.;Gray,H.B.; Lew is,N.S.;M cCusker,J.K.J.Phys.Chem.B 2002,106, 9347.doi:10.1021/jp014589f

(4)Luo,J.;Xu,M.F.;Li,R.Z.;Huang,K.W.;Jiang,C.Y.;Qi,Q. B.;Zeng,W.D.;Zhang,J.;Chi,C.Y.;Wang,P.;Wu,J.S.J.Am. Chem.Soc.2014,136,265.doi:10.1021/ja409291g

(5)(a)Xie,Y.;Joshi,P.;Darling,S.B.;Chen,P.L.;Zhang,T.; Galipeau,D.;Qiao,Q.Q.J.Phys.Chem.C 2010,114,17880. doi:10.1021/jp106302m (b)Zhang,R.K.;Sun,Z.;Xie,H.H.;Liang,M.;Xue,S.Acta Phys.-Chim.Sin.2012,28,1139.[張仁開,孫 喆,謝煥煥,梁 茂,薛 松.物理化學(xué)學(xué)報(bào),2012,28,1139.]doi:10.3866/ PKU.WHXB201202233

(6)(a)Zhu,F.;Wu,D.P.;Li,Q.;Dong,H.;Li,J.M.;Jiang,K.;Xu, D.S.RSCAdv.2012,2,11629.doi:10.1039/c2ra22043a (b)Gao,S.W.;Lan,Z.;Wu,W.X.;Que,L.F.;Wu,J.H.Acta Phys.-Chim.Sin.2014,30,446.[高素雯,蘭 章,吳晚霞,闋蘭芳,吳季懷.物理化學(xué)學(xué)報(bào),2014,30,446.]doi:10.3866/ PKU.WHXB201401022

(7)Ishibashi,K.;Kimura,Y.;Niwano,M.J.Appl.Phys.2008,103, 094507.doi:10.1063/1.2895396

(8)Zhang,C.F.;Zhang,J.C.;Hao,Y.;Lin,Z.H.;Zhu,C.X. J.Appl.Phys.2011,110,064504.doi:10.1063/1.3632971

(9)Sarker,S.;Seo,H.W.;Kim,D.M.J.Power Sources2014,248, 739.doi:10.1016/j.jpowsour.2013.09.101

(10)Han,L.Y.;Koide,N.;Chiba,Y.;M itate,T.Appl.Phys.Lett. 2004,84,13.doi:10.1063/1.1690495

(11)Fisher,A.C.;Peter,L.M.;Ponomarev,E.A.;Walker,A.B.; Wijayantha,K.G.U.J.Phys.Chem.B 2000,104,949.doi: 10.1021/jp993220b

(12)Dloczik,L.;Ileperuma,O.;Lauermann,I.;Peter,L.M.; Ponomarev,E.A.;Redmond,G.;Shaw,N.J.;Uhlendorf,I. J.Phys.Chem.B 1997,101,10281.doi:10.1021/jp972466i

(13)Bisquert,J.J.Phys.Chem.C 2007,111,17163.doi:10.1021/ jp077419x

(14)Duffy,N.W.;Peter,L.M.;Rajapakse,R.M.G.;Wijayantha,K. G.U.Electrochem.Commun.2000,2,658.doi:10.1016/S1388-2481(00)00097-7

(15)Jennings,J.R.;Ghicov,A.;Peter,L.M.;Schmuki,P.;Walker, A.B.J.Am.Chem.Soc.2008,130,13364.doi:10.1021/ ja804852z

(16)Katoh,R.;Kasuya,M.;Kodate,S.;Furube,A.;Fuke,N.;Koide, N.J.Phys.Chem.C 2009,113,20738.doi:10.1021/jp906190a

(17)Shi,C.W.;Dai,S.Y.;Wang,K.J.;Pang,X.;Kong,F.T.;Hu,L. H.Vibrational Spectroscopy 2005,39,99.doi:10.1016/j. vibspec.2005.01.002

(18)O'Regan,B.;Bakker,K.;Kroeze,J.;Sm it,H.;Sommeling,P.; Durrant,J.R.J.Phys.Chem.B 2006,110,17155.doi:10.1021/ jp062761f

(19)Sauvage,F.;Chen,D.H.;Com te,P.;Huang,F.Z.;Heiniger,L. P.;Cheng,Y.B.;Caruso,R.A.;Gr?tzel,M.ACSNano 2010,4, 4420.doi:10.1021/nn1010396

(20)Nakade,S.;Kanzaki,T.;Kubo,W.;Kitamura,T.;Wada,Y.; Yanagida,S.J.Phys.Chem.B 2005,109,3480.doi:10.1021/ jp0460036

(21)Hara,K.;Dan-oh,Y.;Kasada,C.;Ohga,Y.;Shinpo,A.;Suga, S.;Sayama,K.;Arakawa,H.Langmuir2004,20,4205.doi: 10.1021/la0357615

(22)Zhang,P.P.;Zhu,F.;Ai,X.C.;Fu,L.M.;Xu,D.S.;Zhang,J. P.Chem.J.Chin.Univ.2013,34,418.[張盼盼,朱 楓,艾希成,付立民,徐東升,張建平.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),2013,34, 418.]doi:10.7503/cjcu20120159

(23)Ma,T.L.;Yun,S.N.Dye Sensitized SolarCell——from Theoretic Foundation to TechnicalApplication;Chem ical Industry Press:Beijing,2013;pp 24-27.[馬庭麗,云斯寧.染料敏化太陽能電池——從理論基礎(chǔ)到技術(shù)應(yīng)用.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013:24-27.]

App lication o f a Sim p lified Diode Charac teristic Model in Curren t-Vo ltage Cu rve Fitting and Evaluation o f Photoelec tric Param eters w ithin Dye-Sensitized So lar Cell

ZHANG Ping WANG Yi FU Li-M in*AIXi-Cheng ZHANG Jian-Ping
(DepartmentofChemistry,Renmin University ofChina,Beijing 100872,P.R.China)

In the presentwork,we investigated the dynam ics of charge collection and recombination in dyesensitized solar cells(DSSCs)spanning a large region ofbias voltages using transientphotoconductivity.The rate of charge collection wasm uch faster than thatof charge recombination at varied voltages,which was responsible for the nearly uniform charge collection efficiency.Based on this result,we sim p lified the diode characteristicmodel,which allowed us to directly fit the current-voltage(I-V)curve.A series ofparameters related to the photo-to-electric processes in working DSSCs could be extracted from the proposedmodel,which could be used to evaluate the processes ofcharge generation,transport,and recombination in DSSCs,aswell as the rectification ofDSSC devices.We applied the fittingmethod to DSSCs w ith different4-tert-butylpyridine (TBP)concentrations ofelectrolyte.Itwas found that the rate ofcharge recombination significantly differed while thatof charge collection was rather constantunder differentTBP concentrations,which was in good agreement w ith the results of I-V curve fitting.In addition,this research shows that the change of TBP concentration significantly affects the ideality factor(m)ofDSSC devices.

Series resistance;Shunt resistance;I-V curve;4-tert-butylpyridine;Ideality factor

O649

icle]

10.3866/PKU.WHXB201503192 www.whxb.pku.edu.cn

Received:February 9,2015;Revised:March 18,2015;Published onWeb:March 19,2015.

?Corresponding author.Email:lm fu@ruc.edu.cn;Tel:+86-10-62516604.

The projectwassupported by the NationalNatural Science Foundation of China(21133001,20933010)and FundamentalResearch Funds for the CentralUniversitiesof China(10XNI007).

國家自然科學(xué)基金(21133001,20933010)和中央高校基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)(10XNI007)資助項(xiàng)目

?Editorialofficeof Acta Physico-Chim ica Sinica