大面积染料敏化太阳电池及其应用研究

中国科学院等离子体物理研究所 中国科学院新型薄膜太阳电池重点实验室 潘斌 陈双宏 黄阳 翁坚 戴松元

一 引言

染料敏化太阳电池(DSC)是一种高效廉价的新型太阳电池，自1991年DSC被GrŠtzel教授发明以来[1]，立即成为各国研究人员的研究热点[2～6]。随着电池材料和电池结构的不断改进，目前DSC的实验室效率已经达到12%[7]。由于DSC潜在的应用前景，大面积DSC一直是各国企业和研究机构关注的热点[2,8～11]。中科院等离子体物理研究所一直致力于大面积DSC的设计和产业化研究[8,12]，在解决了电池的封装和电解质灌注等关键技术问题后，建立了0.5MW大面积染料敏化太阳电池中试生产线，展示了DSC未来规模化应用的良好前景。本文在课题组研制的大面积并联DSC的基础上介绍大面积DSC的设计方法，以及根据优化设计方案生产的用于光伏电站的组件的性能表现。针对未来DSC在光伏建筑一体化领域的应用，结合DSC的等效电路模型，探讨和分析不同透光率下DSC的输出性能变化，为未来的DSC-BIPV组件的研制和规模化生产提供理论基础。

二 大面积染料敏化太阳电池的优化设计

在DSC实用化研究过程中，大面积DSC的优化设计是关键的一步，如何在尽量减少组件成本的前提下获得最多的电能输出一直是研究人员关注的重点[2,8,13]。目前大面积DSC主要有四种结构类型:大面积并联DSC、串联Z型DSC、串联W型DSC以及一体结构DSC[14]。四种结构各有优势和特点，但无论何种结构，电池封装和电池间相互连接都是实现DSC产业化生产所必须要解决的问题。

中科院等离子体物理研究所一致致力于大面积DSC的产业化研究，在解决了电池的电极、密封以及连接等技术难题后，研发了效率稳定、制备工艺简单的大面积并联DSC[8]，并于2012年建成5kW示范电站，在DSC的实用化研究方面达到了国际领先水平。

并联结构的DSC的结构如图1所示。光阳极产生的电子被TCO上的银栅极搜集，经外电路回到DSC对电极，再经过氧化还原电对的复合反应将电子传递给光阳极上失去电子的染料，从而构成了完整的回路[1,8]。优化设计大面积DSC首先要在小面积DSC研究的基础上对DSC的相关参数进行优化，在尽量节省成本的前提下对透明导电玻璃、多孔膜电极厚度、染料吸附量以及银栅极的厚度等参数优化设置，以使DSC获得最佳的输出性能。

在电池的内部结构获得最优化配置后，需研究大面积DSC结构对电池性能的影响。大面积DSC的平面图如图2所示，图中l和w分别为烧结了纳米TiO2多孔薄膜的电池有效区域的长度和宽度；w1为两条栅极间距；s为银栅极宽度。不同的结构参数下DSC的串联内阻会有相应的变化，电池的功率损耗和转换效率也会随之变化，这就要求建立电池串联内阻的数学模型，以模拟计算不同结构时电池的输出性能。

课题组从串联内阻的功率损耗方面入手，建立了DSC的串联内阻损耗模型并研究了不同结构参数下DSC的输出性能，在此基础上对15×20cm大面积并联DSC进行了优化设计[15]。主要思路是在串联内阻损耗模型基础上，研究在大面积DSC组件中栅极遮阴造成的光采集损失与串联阻抗引起的光电子收集损失之间的竞争关系，对不同条件下并联大面积DSC组件的最优化结构进行了模拟，得到最优化的电池结构参数[16]。

图2 印刷银栅极的DSC平面示意图

三 大面积染料敏化太阳电池的产业化生产及应用

在大面积DSC优化设计的理论基础上，中科院等离子体物理研究所在戴松元研究员的带领下克服了电解质灌注、电池封装以及电池连接等技术难题，并开发了一系列DSC组件生产设备，在世界上率先建立了大面积DSC 0.5MW中试生产线(图3)。中试线自投产以来，运行稳定，批量生产的单片15×20cm DSC组件效率最高超过了7%，如图4、图5所示。

图3 大面积DSC中试生产线

图4 大面积并联DSC(15×20cm)

图5 大面积并联DSC的I-V曲线(FF=0.6946，η=7.346%)

在研究大面积DSC产业化的关键技术的同时，课题组也开展了大面积DSC的应用研究，于2004年建立了世界领先的500W染料敏化太阳电池示范电站[12]，2012年建成了5kW示范电站(图6)，这些成果都显示了大面积DSC大规模应用的美好前景。

图6 DSC 5kW示范电站

目前建设光伏电站仍然是国内光伏发电的主要形式，但随着应用的深入，受土地成本昂贵、传输损耗大、建筑能耗高等因素的影响，光伏建筑一体化必将成为光伏发电应用的主流[17,18]。目前光伏建筑已占据了世界光伏市场的主要份额[19～22]。

由于DSC制造简单、视觉效果丰富多样，其在光伏建筑一体化(BIPV)上的应用开始受到关注[23～25]。目前对于DSC在BIPV上的应用多集中在利用其丰富的色彩将其作为一种装饰性材料而未能充分发挥其半透明的特点。为充分利用其透光性，制作出更加美观适用的BIPV组件，对电池可见光透过率与其输出性能之间关系的研究显得尤为必要。本文结合本课题组大面积并联DSC的制作工艺[8]，推导出不同透光率下电池输出性能的数学模型，由此模拟不同透光率下电池的输出功率和有效区域转换效率，并给出最优化设计结果，为下一步制作理想的DSC-BIPV组件提供理论指导。

四 DSC应用中的理论模型

1 DSC的可见光透过率以及电池有效面积的计算

染料敏化太阳电池主要由透明导电玻璃(TCO)、光阳极、电解质和对电极组成，大面积DSC中TCO上的电阻通常较大[12,15]。为降低TCO上的功率损耗，常见的方法是在TCO上印刷银栅极(图2)。通常电池中的银栅极不透明，若有效区域和TiO2与栅极之间的区域可见光透过率分别为t1和t2，忽略其他区域对平均透过率的影响，电池的平均可见光透过率可表示为:

t1、t2受TiO2纳米薄膜厚度、染料吸附量以及TCO等材料的影响。本文中所用的电池光阳极厚度为6µm，使用0.5mmol/L的N719染料浸泡12h后与对电极组装并灌注电解质，分别测量有效区域和TiO2与银条之间的区域的透射谱。根据GB/T 2680-1994《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》，计算得到两区域的可见光透射率分别为:t1=4.23%、t2=72.58%。

对于确定的可见光透过率T，由式(1)可知此时w1随w变化而变化。若大面积并联电池总宽度为K，电池中TiO2条数为N，则:

DSC的有效区域面积S表示为:

2 DSC的串联内阻

串联内阻是影响大面积DSC输出性能的重要因素[16,26]。Han L Y等人[27]通过研究DSC的电化学阻抗谱推导出电池的等效电路模型，如图7所示。

图7 DSC的等效电路模型

其中:Rh为导电玻璃的搜集电阻；R1为对电极的界面电阻；R2表示TiO2纳米颗粒/染料/电解质界面上的电子传输阻抗；R3表示电解质层的扩散电阻。并联电阻Rsh则与电子的复合有关[27～29]。根据DSC的等效电路模型串联内阻可表示为[27]:

忽略电荷在界面上传输的不均匀性，则界面电阻R1、扩散电阻R3与传输面积成反比，而与传输距离成正比。在电池厚度均匀的情况下，R1和R3的大小只与面积有关。直流电阻Rh包括两部分:导电玻璃的电阻RTCO和银栅极的体电阻RAg，相对于RTCO栅极电阻很小[15]，故为简化计算，只考虑TCO上的电阻RTCO。RTCO又分为两部分:有TiO2的有效区域部分RT以及有效区域和栅极之间的部分RG。

导电玻璃上的面电阻r=R W/L，其中:R为导电玻璃的方块电阻；W、L分别为电阻区域的宽度和长度，本文中R=15½/•。

当DSC所用材料和内部结构参数一定时，单条电池的串联内阻Rs只与w、w1和l这三个参数有关，即

3 DSC的转换效率

DSC的电流密度方程可表述为[16,30]:

式中，jph为光生电流密度；jo为反向饱和电流密度。

在DSC中并联电阻远大于电池串联内阻[31]，可忽略其对输出性能的影响，光生电流密度与短路电流密度近似相等( jsc≈jph），则式(5)可简化为:

其中，A=q/n kBT ，V=S j RL

式(6)等号两边同时乘以面积S=w l可得:联立式(4)即可得到与电池结构关联的DSC的I-V曲线方程。根据式(4)和式(7)可计算不同结构参数时的电池的输出曲线，继而得到不同结构时电池的最大输出功率和转换效率，再将电池结构的变化变换为DSC透过率的变化，即可得到DSC转换效率随可见光透过率变化的规律。

五 模拟结果与分析

式(7)中的参数A、I0、Rs只有两个是独立的，可由已知的I-V曲线拟合得到[31～33]。由式(7)可计算不同电池结构参数时的I-V曲线，根据模拟计算结果可得到电池的最大输出功率Pm=ImVm，电池有效区域转换效率为ηactive=Pm/S=Pm/w l，电池总的转换效率η=Pm/w1(l+2s)。结合以上所述的光学模型，将不同的电池结构变换为可见光透过率的变化，则可模拟不同可见光透过率下电池的转换效率变化，如图8、图9所示。

图8 模拟计算DSC有效区域转换效率随透过率变化(l=5cm,R=15½/•)

图9 模拟计算DSC转换效率随可见光透过率的变化(l=5cm，R=15½/•)

可见电池有效区域的转换效率随电池透过率先减小后增大。这是由于在透过率增大时，w/w1减小，电池总的内阻增大，而与此同时由于有效区域减小，电池输出电流也减小，输出功率在内阻上的损耗可表示为Ps=I2Rs，同时受到电流和内阻变化的影响。在透过率较小区间内阻的增大占主导作用，输出功率损耗增大，效率降低；而在透过率较大的区间电流减小对转换效率影响更大，电流减小，输出损耗减小，效率增大。

从图8可看出最低效率点出现在可见光透过率为20%左右，在制造染料敏化太阳电池BIPV组件时应尽量避免此透过率区间。在透光率一定时，w1越小DSC效率越高，主要原因是w1减小时，DSC内阻变小，而此时w也减小，从而导致输出电流降低，故功率损耗更小而转换效率提高。

电池宽度不同时，相同透过率的DSC总的转换效率非常接近，透过率为35%～45%，不同宽度的电池转换效率几乎相等。虽然电池宽度越小DSC有效区域转换效率越高，但是w1较小时其无效区域(包括栅极的面积和栅极与TiO2之间的面积)所占比例更大，故总转换效率相近。可见要使相同可见光透过率的大面积DSC组件具有最大的输出效率，必须考虑有效区域面积对总输出功率的影响。

以透光率30%为例，当大面积DSC的宽度和长度一定时，联立式(2)、式(4)、式(7)可得到组件的输出性能随TiO2条宽度的变化如图10所示。对于某一电池长度，存在最优化TiO2宽度使得DSC组件整体输出功率最大，透光率为30%时，15×20cm并联电池组件的最佳TiO2宽度值w约为1cm。

图10 模拟计算透光率30%时DSC组件的输出功率变化(K=15cm,R=15½/•)

六 结论与展望

简要介绍了本课题组在大面积染料敏化太阳电池设计研制方面的研究进展，对于大面积DSC的应用，提出未来在BIPV领域大面积DSC将会有很大的发展空间，使用DSC的I-V方程理论模拟了不同可见光透过率下电池的转换效率变化。模拟结果表明在保证一定的电池有效区域转换效率的前提下，DSC的透光率有较宽的调控范围，适合制作具有不同透光效果的光伏组件。当可见光透过率一定时，存在一个最优化的电池宽度使得组件的输出功率最高。

染料敏化太阳电池是一种廉价、制作简单、环境友好的新型太阳电池，随着中试生产线的成功建设以及相关技术的不断改进，大规模的应用将很快实现。因为其具有透光率灵活可控，颜色多样，视觉效果丰富等特点，大面积染料敏化太阳电池在光伏建筑一体化领域必将会有巨大的发展空间。

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