色素增感太阳能电池的阻抗光谱调查退化由于老化

文摘

本文调查了老化对色素增感太阳能电池的性能的影响(DSCs)。电气特性的新鲜和退化完成DSCs AM1.5G频谱和当前density-voltage (jv)的特点进行了分析。短路电流密度()显著降低而明显提高开路电压。这些结果进一步调查electroanalytically使用电化学阻抗谱(EIS)。结果在一个较低的净增加阻力退化的DSC。这电流下降主要是由于TiO的退化₂染料的界面,这是观察从光明与黑暗jv特点,进一步证实了EIS测量。减少化学退化DSC的电容是观察,负责费米能级的变化对传导带边缘,进一步导致增加退化DSC的开路电压。也证实了从EIS退化导致更好的电解质和Pt电极之间形成接触,这提高了DSC的填充因子。但重组整个DSC发现增加退化。这项研究表明,在低照度条件下应该使用DSC和室温长寿。

1。介绍

色素增感太阳能电池的金属氧化物(DSCs)近年来吸引了大量研究人员的注意,因为他们的经济制造工艺和高效的漫射照明下工作。最高的认证设备效率已经达到11.9%1]。大面积DSC模块(100厘米²)已经证明效率8.4% (2]。阐述了DSC奥雷根和Gratzel3),通过公开染料分子光氧化染料激发态电子版本,然后恢复由氧化还原电子捐赠夫妇(碘/三碘化,我⁻/在电解液中)。对电极的氧化还原夫妇然后恢复与提取工作电极的电子通过外部的负载电路。尽管DSCs演示了一个高度承诺立即表现,长期性能起着非常重要的作用在太阳能光伏技术的商业化。DSC的稳定性差是主要由降解机制发生在不同层的设备经过长时间的操作。所以,退化机制在DSC的分析是极大的兴趣探索DSCs性能的影响因素。只有少数论文目前DSC的稳定性研究[4- - - - - -9]。不同的技术已经被用于分析DSCs退化机制;Uam et al。10)使用紫外可见吸收光谱识别TiO染料的解吸₂表面电流密度降低的原因是衰老细胞。此外,Tatay et al。11伴随发光的紫外可见吸收光谱和循环伏安法和观察到有机染料分子聚集形成恶化设备效率。同时,很少有研究利用电化学阻抗谱(EIS)研究退化老化DSCs [4,8),但他们缺乏深入理解电子动力学与设备性能的相关性。

在以前的报告中,我们分析了在大面积DSCs界面损失(12]。在延续以往的研究,本文报告electroanalytical各种退化机制在DSC分析相对面积较大(= 3.78厘米²)45天使用EIS技术的差距。原理图展示的退化机制报道DSC图所示1。

(一)新鲜DSC

(b)退化DSC

2。实验

制造的细节的DSCs讨论了我们的以前的工作12]。简而言之,FTO薄膜,约1毫米厚,喷射沉积在康宁玻璃表。银网格线(12毫米的间隔)沉积在上述FTO使用Ag)粘贴。介孔TiO₂之间沉积银网格后的样品浸入一个3毫米的解决方案N719染料12 h。反电极由轻溅射Pt (50 nm)厚度在1.1毫米钛金属板。对于每个单元格,光电极和反电极夹,紫外线辐照治疗密封剂而使用口罩的染料涂区域。制造细胞的有效面积是3.78厘米²(伪造社民党实验室,日本)。

光电测量进行了使用太阳能模拟器(光电发射Tec SS80AAA 1.5 am-g过滤器)和源测量单元(U2722A,安捷伦)。三电极稳压器(CHI 660 d)配备一个通用的软件被用于EIS测量。工作电极连接到电池的正极而对电极和参比电极卖空和DSC的连接到负极。10 mV的交流干扰信号(电压均方根)应用于10 mHz到1000 kHz的频率范围在EIS测量。连接之间的诱导效应导致和稳压器是在实验期间的照顾。

3所示。结果与讨论

3.1。jv分析

数据2(一个)和2 (b)描述光明与黑暗jv特征的新鲜和退化的DSC分别。收到了DSC表明一个电源转换效率()的4.0%,短路电流密度()9.92 mA /厘米²开路电压(0.65 V),填充因数(FF)的60.9%,但在退化降低到3.6%以7.74 mA /厘米²,0.685 V, FF的67%。从上面观察,很明显的下降发挥了至关重要的作用在退化的设备。这个重大损失在退化的细胞可以归因于增加复合设备和电阻损失。在DSCs,重组损失主要与从TiO (i)电子复合₂导带和深和浅能级陷阱的电解质和(2)电子复合层发现FTO电解液(13]。相反,电阻损失主要与FTO-TiO的阻力₂接口,由于氧化还原物种的扩散阻力在电解液中,电荷转移电阻在铂柜台electrode-electrolyte接口,和薄层电阻FTO [14,15]。

(一)

(b)

和FF出人意料地观察到改善细胞的退化。FF的改善可以归因于更好的接触电解液的形成和Pt电极降解[16]。的增加退化的DSC被赖观察et al。4]。也可以归因于增加更大的染料,收到的光子通量的减少³⁻浓度或减少染料阳离子浓度。

DSC的退化,得到更进一步的了解jv计算了特征,在那里是黑暗的交流电流,串联电阻,是二极管理想因素依赖于电子的复合反应的速率,在电解质氧化物种,分布的复合网站(17),而,,代表电子电荷,玻尔兹曼常数,分别和电池温度。(考虑到上述方程可以减少而可以忽略不计)(18,19]。

图3(一个)显示的情节与对新鲜和DSCs退化线性适合的实验数据来估计m和的值。新鲜的DSC m和得到了1.18和0.65Ω厘米²和退化的DSC他们得到了1.22和0.76Ω厘米²,分别。图3 (b)显示的情节与电压对新鲜和DSCs退化。的增加0.12Ω厘米²退化的DSC可以被认为是一个可能的低电阻损失增加的理由在退化的细胞。此外,新鲜和退化的分流电阻DSCs获得1552Ω厘米²和2845Ω厘米²,分别。增加分流电阻由于退化FF和负责改进退化的DSC。

(一)

(b)

没有确凿的证据可以确定完全退化的原因分析jv特点,DSCs有复杂的设备结构,非线性复合机制,和不可分割的设备参数。所以,为了有一个确凿的证据观察降解直流和交流的特征,也就是说,阻抗光谱学(是)jv组合在一起。

3.2。EIS分析

电化学阻抗谱(EIS)是用来识别性能的限制因素导致DSCs退化。使用EIS的各种物理过程可以模仿(在适当的条件下)的电阻和电容元件20.]。本文的目的是比较新鲜的DSC和退化的DSC,可以完成的基础上选定的关键参数的简化模型和传输线模型。传输线模型通常是用来描述DSC的工作细节,不需要在这里。特性阻抗光谱数据测量在黑暗条件下的新鲜和退化DSCs描绘了贡献从不同的电荷传输层,如图4。为了分析数据使用尼奎斯特图,显示不同的弧来表示不同的过程发生在设备对频率。这种方法有助于量化系统的动态特性来比较它们的值。尼奎斯特图(与)电阻的值可以估计的电弧在实轴的宽度。如设备操作所述,DSC的几个接口涉及高水平的电子转移和运输。这些过程包括通过多孔TiO电荷传输₂层,在TiO电子转移₂染料/电解液界面,在电解介质扩散区域,电子转移在电解质/ Pt接口。另一个重要的表现是波德图,也就是说,与频率和相位与频率的阴谋。可以从高原获得抗性。这个情节的重要方面信息不会丢失。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

3.2.1之上。在0偏见

数据4(一)- - - - - -4 (f)显示的奈奎斯特图新鲜,各种偏见在黑暗条件下退化细胞。实验数据图后的线4代表了理论。数据5(一个)- - - - - -5 (f)代表的波德图新鲜和DSCs退化。实验数据的拟合,使用等效电路如图6(一)。在零偏压,当设备在不导电状态,一个标准的奈奎斯特图观察新鲜DSC (21]。但是,退化的DSC增加阻抗的大小,这可以归因于增加(在FTO-TiO₂接口)。从EIS新鲜和退化的DSC测量估计为0.63Ω厘米²和0.78Ω厘米²分别在协议与获得jv测量。图5(一个),即零偏压的波德图,显示了变化。高原地区退化细胞的高度增加了描述变化在阻抗。高原的同样高度的变化显示了变化。雪et al。8)表明,增加阻力TiO由于地层裂缝引起的₂光电极。相位和频率的波德图几乎遵循类似的趋势为新鲜和DSCs退化。

(一)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(一)

(b)

(c)

(d)

3.2.2。在膝盖电压(最大功率点的电压)

膝盖附近的EIS DSCs收益率两个半圆形TiO的频率对应₂染料/电解液,电解液/ Pt,但占主导地位的半圆代表TiO₂染料/电解液中描绘了奈奎斯特Gerischer元素的特性和整体阻抗与增加细胞的减少偏见(22,23]。Gerischer元素来源于神奇动物减少离子的电子TiO的导带₂ (24]。它可以清楚地观察到EIS的新鲜和退化细胞抵抗(电阻TiO₂染料/电解质界面)显著降低了退化的设备。这减少了可以归因于减少电子从TiO集合₂FTO电极。在膝盖的波德图电压(图5 (b)),为退化细胞动态变化斜率,显示了增长。此外,电子寿命()可以估计从图5 (e)使用的关系(24,25),代表峰值频率。对新鲜DSCs观察是高于退化的样本。这减少了减少我的扩散³⁻离子电解液,增加我的浓度³⁻离子在TiO₂染料/电解液界面,进而增加DSCs的重组导致性能退化。

3.2.3。附近的开路电压

附近的奈奎斯特图显示了三个半圆图形代表所有三个区域内的设备。有趣的是退化的DSCs随着偏压代表TiO的圆₂染料/电解质界面减少和电解质/ Pt界面增加。在波德图我们看到两个特征峰:对应于TiO的峰值较低频率₂染料/电解液界面,在高频率对应于电解质/ Pt接口。TiO的峰值₂染料/电解质界面降低退化DSC比新鲜的相应减少界面电荷转移。而比较新鲜的奈奎斯特图和退化的DSC电解质/ Pt接口,我们观察到一个更高的峰值退化DSC,验证更好在界面电荷转移。因此我们可以说,DSC退化导致更好的电解质之间的联系形成和Pt。这更好的接触形成进一步更高的FF和负责退化的DSC (16]。

数据6 (b)- - - - - -6 (d)显示的情节,,与电压的新鲜和退化的细胞。较低的价值在图退化细胞的偏见6 (b)是减少的原因之一吗。退化细胞高于新鲜细胞等,除了它减少,这意味着低电荷转移装置内退化DSCs。有趣的是,(耐电解质/ Pt-FTO接口)退化细胞的观察是低于新鲜的来吧。这减少了可能归因于更好的电解质之间的电荷转移和Pt,波德图中验证的观察,进一步证明了在FF和增强由于退化。电阻的总和,,产生更高的净串联电阻导致低。化学电容增加阻力下降,中观察到的设备意味着较低的电子注入TiO的导带₂。Bisquert [20.显示的直接依赖关系在电子费米能级的位置之间的差异对导带。较低的价值结果在费米能级的转向传导带边缘,进一步增加由于退化。

Bisquert和Mora-Sero25)表明,电子重组率(在DSC)是非线性的。这个非线性性质的复合使用反应速率可以表示β,表示为,在那里是一个常数,是免费的电子密度。的顺序重组,β,范围从0和1。复合顺序1显示一个简单的单分子的重组通过传导带状态。一般,DSCs重组的范围在0.6和0.8之间观察到(26,27]。的具体作用和估计β在我们以前的工作(DSCs发表在12]。估计的阴谋β如图7(一)。的β新鲜和退化的DSCs值估计为0.85和0.81,分别。袍et al。27表示的依赖在β作为。从上面的方程可以表示减少β随着退化负责负责收集减少由于重组和增加。

(一)

(b)

据王et al。21化学电容可以表示为,在那里相关的指数陷阱分布电子在导带或只是一个带隙调制因素。的情节与偏见申请新鲜和退化的DSC图所示7 (b)。图的线性匹配提供的价值。的价值新鲜和退化的DSC得到0.47和0.45,分别。的减少再次证明了费米能级的变化观察到EIS,负责增加和填充因数以及DSC的退化。

网络终端jvDSC的特征是由(28] 在这个术语表明电荷转移电流的应用电压的依赖和可以通过简化Butler-Volmer近似方程(22,29日),本质上是一样的二极管方程描述jv特征。从EIS中提取的参数测量的新鲜和退化DSCs表中列出1。使用这些参数和方程模拟jv生成和拟合实验数据。模拟和实验的拟合jv新鲜和退化的DSC图所示8。适合的实验数据表明一个非常好的评价EIS性能参数的测量,进一步验证结论。


参数	新鲜的DSC	退化的DSC

串联电阻,(Ω厘米²)	0.65	0.76
光电流密度,(mA /厘米²)	9.73	7.64
的顺序重组,	0.85	0.81
反向饱和电流,(一个/厘米²)

(一)

(b)

4所示。结论

探讨环境的影响参数对DSC的性能下降。电气特性的新鲜和退化进行DSC AM1.5G频谱和电流电压特性进行了分析。短路电流明显下降而明显提高开路电压。这些结果进一步研究利用电化学阻抗光谱技术。发现当前的减少主要是由于染料分子的离解暴露于周围的环境条件,这是证实了暗电流-电压分析。的增加是由于费米能级调整由阻抗光谱学研究应用范围的偏差从−0.7 V为0 V。结果表明,复合增加随着老龄化DSC。研究表明,DSC应该在低照度条件下和在室温下使用。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者Parth Bhatt与Pandey要感谢太阳能研发中心(SRDC),太阳能学院PDPU,和科技部激发奖学金计划提供资金支持,分别。作者要感谢美国Kaneko社民党实验室(日本滨松),本文中使用DSC。

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