不同光强下染料敏化太阳能电池输出特性仿真

殷 克 剑, 胡 志 强, 张 延 大, 秦 颖, 杨 冬 雪, 黄 德 锋, 熊 小 伟

( 1.大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034; 2.大连环球矿产有限公司, 辽宁 大连 116110; 3.大连森谷新能源电力技术有限公司, 辽宁 大连 116011 )

0 引 言

太阳能作为一种可再生能源,具有取之不尽、功率巨大、使用安全、生态环保等其他能源所不可比拟的优点[1]。太阳能电池技术可将太阳能直接转换为电能,被认为是最有效的利用太阳能的方式[2]。

在目前众多的太阳能电池中,染料敏化太阳能电池(DSSC)由于具有成本较低、工艺简单、光电转换率高等优点而备受人们关注。但是在研究DSSC的时候,由于实验条件和环境等因素的限制,导致较难获得DSSC在不同光强下的输出特性,因此寻找一种准确而高效率的方法很有必要。

本文在Matlab仿真环境下,利用其提供的Simulink工具箱,根据牛顿迭代法对DSSC仿真模型进行建模、仿真和分析,通过调节模块中的环境变量可方便地获得在不同条件下DSSC的输出特性曲线。制备以TiO2薄膜为光阳极的DSSC,测试其性能后通过计算进行数据拟合,并分析光照强度对DSSC输出特性的影响。

1 DSSC等效电路及仿真模型

为了在Simulink软件包中建立染料敏化太阳能光伏模型,首先要建立与之对应的输出伏安特性等效电路[3],如图1所示。

图1 染料敏化太阳能电池等效电路图

DSSC本身可看成由一个电流源,一个理想二极管与电阻的串并联组成[4]。

由图1中各物理量的关系,根据KCL定律及KVL定律可得到DSSC的输出特性方程:

(1)

光生电流Iph的大小根据如下公式计算:

(2)

在式(1)中,两边均含有电流I,并且在计算二极管电流I时以指数函数的方式参与计算,因此该方程为超越方程,无法直接求解。通过牛顿迭代法可以解决输出电流求解问题[5]。

(3)

式(3)就是著名的牛顿迭代公式。

在DSSC仿真模型应用中,根据式(1),设:

对方程求导,得:

(5)

根据DSSC等效电路及数学模型,由式(1)～(5)及相关电气参数,利用Matlab/Simulink软件包建立DSSC计算机模型。将光照强度G、温度T等参数输入模型中,在RLMH Function模块中编写程序。通过调用该模块的方式就可以计算出电流I,从而得到了在计算机上仿真的DSSC输出特性。本论文建立的DSSC仿真模型如图2所示。

图2 染料敏化太阳能电池仿真模型

模型初始时设置I=0,利用牛顿迭代法进行8次计算得出DSSC的输出特性方程的近似解。运行模型后,可分别在I-VGraph模块和P-VGraph模块中得到I-V特性曲线图和P-V特性曲线图。

2 DSSC的制备

2.1 玻璃基底及致密TiO2薄膜

本论文采用FTO导电玻璃作为基片,使用旋转涂膜法在导电玻璃上制备致密TiO2薄膜。

2.2 TiO2薄膜的制备

在TiO2纳米粉体(P25)中加入一定量的去离子水和乙酸后进行研磨,形成印刷浆料。采用丝网印刷法制备薄膜:将浆料涂在FTO导电玻璃上,形成薄膜,经干燥、500 ℃烧结后,浸入N719染料10 h[6]。用乙醇清洗、干燥后得到TiO2光阳极。

2.3 DSSC的组装

将TiO2光阳极与镀有铂的对电极相固定,然后利用虹吸原理在两电极间注入按一定比例配制好的LiI液体电解质,制得面积为1 cm2的DSSC。

2.4 DSSC的测试

在标准条件下(AM 1.5,1 000 W/m2, 298 K)及900 W/m2光强条件下测试制备好的DSSC的光电性能。使用的仪器为SS50 A型太阳光模拟器。

3 仿真结果与讨论

3.1 DSSC参数的提取及拟合

对制备好的DSSC进行测试,并以测试结果为依据,根据估算参数的方法提取太阳电池的5个重要参数。这5个参数分别是光生电流、反向饱和电流、二极管理想因子、串联电阻和并联电阻[7]。测试结果如图3和表1所示。

图3 不同光强下TiO2薄膜电极的输出特性

Fig.3 Output characteristic of TiO2films electrodes in various light intensity

表1 TiO2薄膜电极的光电性能参数

将这些参数输入模型进行模拟,对I-V曲线进行全局拟合,将得到的计算曲线与测算曲线进行对比。

估算参数的方法是Tian Hanmin等[8]提出的一种估算DSSC参数的新型方法。该方法是基于扩展扫描电压范围从而得到在电压取值为零到反向停止电压区间内的I-V线性函数。一个特定的DSSC等效电路只存在一组参数。

通过估算参数的方法拟合标准条件下制备的DSSC曲线,得到的结果如图4所示。

将得到的拟合曲线与测试曲线进行对比可以看出,该方法能够较为合理的对测试曲线进行拟合。通过计算可知,该方法得出的计算值与测算值之间的最大误差为5.2%。因此可以认为该方法得出的拟合结果具有较高准确性。

图4 拟合曲线与测试曲线对比

3.2 光照强度对DSSC输出伏安特性的影响

光强大小对DSSC的输出电流I有直接的影响。对于DSSC而言,通过设定光强大小来观察其输出电流的变化是十分必要的。

本研究在其他环境变量不变的情况下,通过改变仿真模型中的光强大小来获得不同光强下的DSSC输出特性曲线及输出功率曲线。运行仿真模型而得到的仿真结果如图5所示。

图5 光照强度对DSSC输出伏安特性的影响

Fig.5 Effect of light intensity on output characteristic of DSSC

仿真结果表明,光照强度的大小直接影响DSSC输出电流的大小,光照强度越大,DSSC的短路电流就越大。同时,随着光照强度的增大,开路电压也略有增加。与此同时,光照强度对填充因子FF也有一定影响,但影响效果不显著。这些均与现有的理论分析相一致,见表2。

表2 不同光照强度下DSSC的性能参数

Tab.2 Performance parameters of DSSC under various light intensity

G/(W·m-2)Voc/VIsc/APmax/WFF1 0000.603.381.070.539000.593.050.970.548000.582.720.860.557000.562.390.700.53

3.3 光照强度对DSSC最大功率的影响

每条DSSC的输出伏安特性曲线上都有一个最优工作点,该点叫做最大功率点,它的大小直接受到光照强度大小的影响。通过输出伏安特性曲线可以计算输出功率曲线。跟踪最大功率点后,得到图6所示的输出功率曲线。

图6 不同光照强度下DSSC输出功率曲线

Fig.6 The output power curve of DSSC under different light intensity

从图6中可以看出,任何光强下DSSC的伏安特性曲线上均有一个最大功率点,该点在输出功率曲线中显示为峰值。与700 W/m2时相比,1 000 W/m2时DSSC的最大功率增加了44.6%。从仿真结果中还可看出,光强越大,输出功率就越大,最大功率值也越大；同时不同光强下最大功率点对应的电压不为定值,光强增大时,最大功率点电压略有增加。

4 结 论

(1)对实验测得的数据进行拟合的结果表明,使用估算参数的方法可以有效模拟DSSC的输出特性曲线,且计算值与测量值之间的最大误差为5.2%,考虑到同时确定DSSC的5种特性数据,5.2%仍可算是足够高的精度。

(2)运行仿真模型得出的仿真结果表明,DSSC的输出特性受到光照强度影响明显。光照强度越大,DSSC的Isc就越大,Voc也增加。同时,随着光照强度的增大,输出功率也越大,最大功率点对应电压也略有增加。

(3)仿真结果表明,本文所建立的DSSC仿真模型设计合理,精确性高,具有较强的易用性和实用性。在制备DSSC的实验中,可以将DSSC的一组性能参数输入本模型,进而通过更改模型中的光强参数即可得到DSSC在不同光强下的输出特性曲线,节省了实验时间,减少了实验工作量,提高了实验效率,因此本模型是研究DSSC输出特性的有利工具。

[1] 于静,车俊铁,张吉月. 太阳能发电技术综述[J]. 世界科技研究与发展, 2008, 30(1):56-59.

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[8] TIAN Han-min, ZHANG Xiao-bo, YUAN Shi-kui, et al. An improved method to estimate the equivalent circuit parameters in DSSCs[J]. Solar Energy, 2009, 83:715-720.