不同光強(qiáng)下染料敏化太陽(yáng)能電池輸出特性仿真

殷 克 劍, 胡 志 強(qiáng), 張 延 大, 秦 穎, 楊 冬 雪, 黃 德 鋒, 熊 小 偉

( 1.大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034; 2.大連環(huán)球礦產(chǎn)有限公司, 遼寧 大連 116110; 3.大連森谷新能源電力技術(shù)有限公司, 遼寧 大連 116011 )

0 引 言

太陽(yáng)能作為一種可再生能源,具有取之不盡、功率巨大、使用安全、生態(tài)環(huán)保等其他能源所不可比擬的優(yōu)點(diǎn)[1]。太陽(yáng)能電池技術(shù)可將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能,被認(rèn)為是最有效的利用太陽(yáng)能的方式[2]。

在目前眾多的太陽(yáng)能電池中,染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)由于具有成本較低、工藝簡(jiǎn)單、光電轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)而備受人們關(guān)注。但是在研究DSSC的時(shí)候,由于實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境等因素的限制,導(dǎo)致較難獲得DSSC在不同光強(qiáng)下的輸出特性,因此尋找一種準(zhǔn)確而高效率的方法很有必要。

本文在Matlab仿真環(huán)境下,利用其提供的Simulink工具箱,根據(jù)牛頓迭代法對(duì)DSSC仿真模型進(jìn)行建模、仿真和分析,通過(guò)調(diào)節(jié)模塊中的環(huán)境變量可方便地獲得在不同條件下DSSC的輸出特性曲線。制備以TiO2薄膜為光陽(yáng)極的DSSC,測(cè)試其性能后通過(guò)計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,并分析光照強(qiáng)度對(duì)DSSC輸出特性的影響。

1 DSSC等效電路及仿真模型

為了在Simulink軟件包中建立染料敏化太陽(yáng)能光伏模型,首先要建立與之對(duì)應(yīng)的輸出伏安特性等效電路[3],如圖1所示。

圖1 染料敏化太陽(yáng)能電池等效電路圖

DSSC本身可看成由一個(gè)電流源,一個(gè)理想二極管與電阻的串并聯(lián)組成[4]。

由圖1中各物理量的關(guān)系,根據(jù)KCL定律及KVL定律可得到DSSC的輸出特性方程:

(1)

光生電流Iph的大小根據(jù)如下公式計(jì)算:

(2)

在式(1)中,兩邊均含有電流I,并且在計(jì)算二極管電流I時(shí)以指數(shù)函數(shù)的方式參與計(jì)算,因此該方程為超越方程,無(wú)法直接求解。通過(guò)牛頓迭代法可以解決輸出電流求解問(wèn)題[5]。

(3)

式(3)就是著名的牛頓迭代公式。

在DSSC仿真模型應(yīng)用中,根據(jù)式(1),設(shè):

對(duì)方程求導(dǎo),得:

(5)

根據(jù)DSSC等效電路及數(shù)學(xué)模型,由式(1)～(5)及相關(guān)電氣參數(shù),利用Matlab/Simulink軟件包建立DSSC計(jì)算機(jī)模型。將光照強(qiáng)度G、溫度T等參數(shù)輸入模型中,在RLMH Function模塊中編寫(xiě)程序。通過(guò)調(diào)用該模塊的方式就可以計(jì)算出電流I,從而得到了在計(jì)算機(jī)上仿真的DSSC輸出特性。本論文建立的DSSC仿真模型如圖2所示。

圖2 染料敏化太陽(yáng)能電池仿真模型

模型初始時(shí)設(shè)置I=0,利用牛頓迭代法進(jìn)行8次計(jì)算得出DSSC的輸出特性方程的近似解。運(yùn)行模型后,可分別在I-VGraph模塊和P-VGraph模塊中得到I-V特性曲線圖和P-V特性曲線圖。

2 DSSC的制備

2.1 玻璃基底及致密TiO2薄膜

本論文采用FTO導(dǎo)電玻璃作為基片,使用旋轉(zhuǎn)涂膜法在導(dǎo)電玻璃上制備致密TiO2薄膜。

2.2 TiO2薄膜的制備

在TiO2納米粉體(P25)中加入一定量的去離子水和乙酸后進(jìn)行研磨,形成印刷漿料。采用絲網(wǎng)印刷法制備薄膜:將漿料涂在FTO導(dǎo)電玻璃上,形成薄膜,經(jīng)干燥、500 ℃燒結(jié)后,浸入N719染料10 h[6]。用乙醇清洗、干燥后得到TiO2光陽(yáng)極。

2.3 DSSC的組裝

將TiO2光陽(yáng)極與鍍有鉑的對(duì)電極相固定,然后利用虹吸原理在兩電極間注入按一定比例配制好的LiI液體電解質(zhì),制得面積為1 cm2的DSSC。

2.4 DSSC的測(cè)試

在標(biāo)準(zhǔn)條件下(AM 1.5,1 000 W/m2, 298 K)及900 W/m2光強(qiáng)條件下測(cè)試制備好的DSSC的光電性能。使用的儀器為SS50 A型太陽(yáng)光模擬器。

3 仿真結(jié)果與討論

3.1 DSSC參數(shù)的提取及擬合

對(duì)制備好的DSSC進(jìn)行測(cè)試,并以測(cè)試結(jié)果為依據(jù),根據(jù)估算參數(shù)的方法提取太陽(yáng)電池的5個(gè)重要參數(shù)。這5個(gè)參數(shù)分別是光生電流、反向飽和電流、二極管理想因子、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻[7]。測(cè)試結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 不同光強(qiáng)下TiO2薄膜電極的輸出特性

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

表1 TiO2薄膜電極的光電性能參數(shù)

將這些參數(shù)輸入模型進(jìn)行模擬,對(duì)I-V曲線進(jìn)行全局?jǐn)M合,將得到的計(jì)算曲線與測(cè)算曲線進(jìn)行對(duì)比。

估算參數(shù)的方法是Tian Hanmin等[8]提出的一種估算DSSC參數(shù)的新型方法。該方法是基于擴(kuò)展掃描電壓范圍從而得到在電壓取值為零到反向停止電壓區(qū)間內(nèi)的I-V線性函數(shù)。一個(gè)特定的DSSC等效電路只存在一組參數(shù)。

通過(guò)估算參數(shù)的方法擬合標(biāo)準(zhǔn)條件下制備的DSSC曲線,得到的結(jié)果如圖4所示。

將得到的擬合曲線與測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比可以看出,該方法能夠較為合理的對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行擬合。通過(guò)計(jì)算可知,該方法得出的計(jì)算值與測(cè)算值之間的最大誤差為5.2%。因此可以認(rèn)為該方法得出的擬合結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性。

圖4 擬合曲線與測(cè)試曲線對(duì)比

3.2 光照強(qiáng)度對(duì)DSSC輸出伏安特性的影響

光強(qiáng)大小對(duì)DSSC的輸出電流I有直接的影響。對(duì)于DSSC而言,通過(guò)設(shè)定光強(qiáng)大小來(lái)觀察其輸出電流的變化是十分必要的。

本研究在其他環(huán)境變量不變的情況下,通過(guò)改變仿真模型中的光強(qiáng)大小來(lái)獲得不同光強(qiáng)下的DSSC輸出特性曲線及輸出功率曲線。運(yùn)行仿真模型而得到的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 光照強(qiáng)度對(duì)DSSC輸出伏安特性的影響

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

仿真結(jié)果表明,光照強(qiáng)度的大小直接影響DSSC輸出電流的大小,光照強(qiáng)度越大,DSSC的短路電流就越大。同時(shí),隨著光照強(qiáng)度的增大,開(kāi)路電壓也略有增加。與此同時(shí),光照強(qiáng)度對(duì)填充因子FF也有一定影響,但影響效果不顯著。這些均與現(xiàn)有的理論分析相一致,見(jiàn)表2。

表2 不同光照強(qiáng)度下DSSC的性能參數(shù)

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 光照強(qiáng)度對(duì)DSSC最大功率的影響

每條DSSC的輸出伏安特性曲線上都有一個(gè)最優(yōu)工作點(diǎn),該點(diǎn)叫做最大功率點(diǎn),它的大小直接受到光照強(qiáng)度大小的影響。通過(guò)輸出伏安特性曲線可以計(jì)算輸出功率曲線。跟蹤最大功率點(diǎn)后,得到圖6所示的輸出功率曲線。

圖6 不同光照強(qiáng)度下DSSC輸出功率曲線

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

從圖6中可以看出,任何光強(qiáng)下DSSC的伏安特性曲線上均有一個(gè)最大功率點(diǎn),該點(diǎn)在輸出功率曲線中顯示為峰值。與700 W/m2時(shí)相比,1 000 W/m2時(shí)DSSC的最大功率增加了44.6%。從仿真結(jié)果中還可看出,光強(qiáng)越大,輸出功率就越大,最大功率值也越大；同時(shí)不同光強(qiáng)下最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓不為定值,光強(qiáng)增大時(shí),最大功率點(diǎn)電壓略有增加。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的結(jié)果表明,使用估算參數(shù)的方法可以有效模擬DSSC的輸出特性曲線,且計(jì)算值與測(cè)量值之間的最大誤差為5.2%,考慮到同時(shí)確定DSSC的5種特性數(shù)據(jù),5.2%仍可算是足夠高的精度。

(2)運(yùn)行仿真模型得出的仿真結(jié)果表明,DSSC的輸出特性受到光照強(qiáng)度影響明顯。光照強(qiáng)度越大,DSSC的Isc就越大,Voc也增加。同時(shí),隨著光照強(qiáng)度的增大,輸出功率也越大,最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電壓也略有增加。

(3)仿真結(jié)果表明,本文所建立的DSSC仿真模型設(shè)計(jì)合理,精確性高,具有較強(qiáng)的易用性和實(shí)用性。在制備DSSC的實(shí)驗(yàn)中,可以將DSSC的一組性能參數(shù)輸入本模型,進(jìn)而通過(guò)更改模型中的光強(qiáng)參數(shù)即可得到DSSC在不同光強(qiáng)下的輸出特性曲線,節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間,減少了實(shí)驗(yàn)工作量,提高了實(shí)驗(yàn)效率,因此本模型是研究DSSC輸出特性的有利工具。

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