专利名称：大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池设计技术领域，尤其涉及一种大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法。
背景技术：
染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell，DSSC)，或者称为格雷切尔电池(Gratzel Cell)，是由透明导电基板、半导体多孔纳米晶薄膜、电解质溶液以及镀钼对电极构成的“三明治”式结构。DSSC的结构与传统硅基太阳能电池相比，由于界面繁多，因此更加复杂。和硅基太阳能电池类似，DSSC的电路也可以用一个等效电路来描述。DSSC模块指的是在一块完整的基板上有分隔开的区室，每个区室容纳了一个 DSSC子电池，每个DSSC子电池都有相同的DSSC基本结构。大面积DSSC模块根据这些子电池的内部连接方式的不同，可以分为并联连接模块和串联连接模块。其中，并联连接模块指的是子电池之间的基板是导通的，并可以通过栅线促进电子的收集，模块能够输出相当于所有子电池输出之和的电流。串联连接模块指的是子电池之间的导电基板是不导通的，通过特殊的设计达到子电池串联的效果，模块能够输出相当于所有子电池输出之和的电压。 串联连接模块中又因为结构的差异分为W型串联模块和Z型串联模块。图1是常见的DSSC 模块结构示意图，图1(a)为并联连接模块结构示意图，图1(b)为W型串联连接模块结构示意图，图1(c)为Z型串联连接模块结构示意图；图1中，101为光阳极板，102为封装材料， 103为镀钼对电极，104为基板。日本夏普公司的韩礼元提出了简化的DSSC电路，并研究了影响其中各个元件大小的因素，得到了通过减小部分元件的阻值大小来提高DSSC性能的结论。东北大学的 Kenichi Ishibashi等人利用拟合的方法从一次测量的I_V特性曲线中得到了被研究DSSC 的所有基本参数。中科院物理所的戴松元老师研究了金属栅极的厚度，长度以及宽度对于电池效率的影响。虽然目前对于单块DSSC性能模拟的方法很多，综合这些研究现状可以发现，对于DSSC模块整体性能随电池设计的研究却还不够充分。电池设计对于DSSC模块获得最高的效率具有十分重大的意义。合理的电池设计能够在节约电池面积的同时，尽可能地提高电池的输出功率。而通过计算模拟对电池设计性能进行判定，可以预测不同的电池设计将会产生怎样的输出效果，并且可以给出一些在实验或者生产中难以达到的条件下电池的性能。利用计算模拟得出的结果来指导电池设计，既节约了实验的成本和时间，又有相当的参考价值。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法，能够模拟内部不同连接、不同设计的DSSC模块，进而评估DSSC模块的性能。为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法，其特征是所述方法包括下列步骤
步骤1 将待测DSSC模块的子电池的DSSC基本结构等效为由恒流源、二极管、旁路电阻、基板电阻、电解质电阻和电极电荷传输电阻组成的等效电路；其中，所述恒流源、二极管和旁路电阻并联组成并联电路，然后并联电路与基板电阻、电解质电阻和电极电荷传输电阻串联；步骤2 取与待测DSSC模块组成和结构相同的另一块DSSC模块作为验证DSSC模块；步骤3 利用拟合的方法从一次测量的I-V特性曲线中得到验证DSSC模块的子电池的基本参数；所述基本参数包括恒流源处产生的光电流Γ ph，二极管的反向饱和电流 I' 0，元电荷q'，二极管的理想因子η'，波尔兹曼常数k' b，热力学温度T'，输入电压 V'，输出电流Γ旁路电阻R' sh，基板电阻R' t。。、电解质电阻R' w和电极电荷传输电阻 R' ct ；步骤4 计算待测DSSC模块的子电池的旁路电阻Rsh、基板电阻Rt。。、电解质电阻Rw 和电极电荷传输电阻R。t的阻值；所述旁路电阻Rsh、电解质电阻Rw和电极电荷传输电阻R。t的阻值分别根据验证 DSSC模块的子电池的旁路电阻R' sh、电解质电阻R' w和电极电荷传输电阻R'。t的阻值
计算，具体公式为:Kx务，Rw=K^' & =^ ^ ；其中，&为待测DSSC模块
^O^o^o
的子电池的有效面积，S' ^为验证DSSC模块的子电池的有效面积；步骤5 根据等效电路中二极管的电压电流关系式 7 7 (q(V + RI)^ V+ RI
I = Iph-I0I^pry , / ；}]^，计算待测DSSC模块的子电池的I-V特性曲线；其中， nkbTRsh
Iph=I' Ph' Io = I' o，q = q'，n = n'，kb = k' b，T = T' ,V = V'，I = I'；步骤6 利用待测DSSC模块的子电池的I-V特性曲线，获取待测DSSC模块的子电池的效率；步骤7 利用待测DSSC模块的子电池的效率乘以待测DSSC模块的子电池的有效面积比，得到待测DSSC模块的效率。所述步骤7之后还包括计算使待测DSSC模块的效率最大的光阳极宽度。所述计算待测DSSC模块的子电池的基板电阻利用公式Rtra = 2X P X1/S计算， 其中，Rtco为基板电阻的阻值，P为导电薄膜的电阻率，1为沿电流方向导电薄膜的长度，S 为垂直电流方向导电薄膜的横截面积。本发明解决了现有技术中，无法对设计的大面积染料敏化太阳能电池模块的性能进行判定的问题。


图1是常见的DSSC模块结构示意图，其中，(a)为并联连接模块结构示意图，(b) 为W型串联连接模块结构示意图，(c)为Z型串联连接模块结构示意图；图2是本发明提供的大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法流程图；图3是DSSC基本结构等效电路图4是本发明提供的子电池面积为0. 16cm2和IOOcm2的I-V特性曲线图；图5是本发明提供的Z型串联连接DSSC模块的效率随光阳极宽度变化的关系图。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。常见的DSSC模块包括导电基板、半导体多孔纳米晶薄膜、电解质溶液以及镀钼对电极。DSSC模块使用的染料可以是任意一种对于光阳极材料有效的染料，如N3、N719或者 Z907。光阳极材料可以采用氧化钛(TiO2)、氧化锌(SiO)或者其它适用于DSSC模块的光阳极的半导体化合物。导电基板材料可以为IT0、FT0或者其它既导电又透明的刚性或者柔性的基板。光阳极薄膜由吸光层单独构成，也可以由吸光层和散射层共同组成；光阳极薄膜的制作方法可以是丝网印刷、刮涂、喷涂或者任意一种制备厚膜的方法。用于分隔区室的栅线材料可以是银、碳或者其它良导体；栅线的制作方法可以是丝网印刷、溅射或者任意一种制备薄膜的方法。当DSSC模块的组成和结构确定后，其基本结构中的基本参数也就固定下来了。图 2是本发明提供的大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法流程图，图2中，本发明提供的一种大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法包括下列步骤步骤1 将待测DSSC模块的子电池的DSSC基本结构等效为由恒流源、二极管、旁路电阻、基板电阻、电解质电阻和电极电荷传输电阻组成的等效电路。图3是DSSC基本结构等效电路图，图3中，Iph为恒流源处产生的光电流，Diode为二极管，Rsh为旁路电阻，Rw为电解质电阻，R。t为电极电荷传输电阻，Rtco为基板电阻。从图 3中可以看出，DSSC基本结构等效电路先由恒流源、二极管和旁路电阻并联组成并联电路， 然后该并联电路再与基板电阻、电解质电阻和电极电荷传输电阻串联。步骤2 取与待测DSSC模块组成和结构相同的另一块DSSC模块作为验证DSSC模块。步骤3 利用拟合的方法从一次测量的I-V特性曲线中得到验证DSSC模块的子电池的基本参数；所述基本参数包括恒流源处产生的光电流Γ ph，二极管的反向饱和电流 I' 0，元电荷q'，二极管的理想因子η'，波尔兹曼常数k' b，热力学温度T'，输入电压 V'，输出电流Γ旁路电阻R' sh，基板电阻R' t。。、电解质电阻R' w和电极电荷传输电阻假设验证DSSC模块的子电池已经确定的有效面积为S'。= 0.16cm2，I' ph为 16mA/cm2, I'。为 1. 6X l(T9A/m2，η'为 1· 6，R' tc;。为 15 Ω/W (也就是方阻，ohm/square)， R' w*3Q，R'。t*lQ，R' sh* 4000Q。q'、n'、k' b、T'为已知常数。将这些参数带
入表征I-V特性曲线的公式
权利要求
1.一种大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法，其特征是所述方法包括下列步骤步骤1 将待测DSSC模块的子电池的DSSC基本结构等效为由恒流源、二极管、旁路电阻、基板电阻、电解质电阻和电极电荷传输电阻组成的等效电路；其中，所述恒流源、二极管和旁路电阻并联组成并联电路，然后并联电路与基板电阻、电解质电阻和电极电荷传输电阻串联；步骤2 取与待测DSSC模块组成和结构相同的另一块DSSC模块作为验证DSSC模块； 步骤3 利用拟合的方法从一次测量的I-V特性曲线中得到验证DSSC模块的子电池的基本参数；所述基本参数包括恒流源处产生的光电流Γ ph，二极管的反向饱和电流Γ。， 元电荷q'，二极管的理想因子η'，波尔兹曼常数k' b，热力学温度T'，输入电压V'，输出电流Γ旁路电阻R' sh，基板电阻R' t。。、电解质电阻R' w和电极电荷传输电阻R' ct； 步骤4 计算待测DSSC模块的子电池的旁路电阻Rsh、基板电阻Rt。。、电解质电阻Rw和电极电荷传输电阻1^的阻值；所述旁路电阻Rsh、电解质电阻Rw和电极电荷传输电阻R。t的阻值分别根据验证DSSC模块的子电池的旁路电阻R' sh、电解质电阻R' w和电极电荷传输电阻R'。t&阻值计算，具体公式为Rsh =Kh存’ K=Kx咢’ I=^x參唭中，&为待测Dssc模块的子电池的有^o^o^o效面积，S' ^为验证DSSC模块的子电池的有效面积；步骤5 根据等效电路中二极管的电压电流关系式 7 7tq(V + RI)^ V+ RII = Iph-I0[^Pry , / ；}]^，计算待测DSSC模块的子电池的I-V特性曲线；其中， nkbTRshIph=I' hp，I0 = I' O'Q = q'，n = n'，kb = k' b，T = T' ,V = V'，I = I'；步骤6 :利用待测DSSC模块的子电池的I-V特性曲线，获取待测DSSC模块的子电池的效率；步骤7 利用待测DSSC模块的子电池的效率乘以待测DSSC模块的子电池的有效面积比，得到待测DSSC模块的效率。
2.根据权利要求1所述的一种大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法， 其特征是所述步骤7之后还包括计算使待测DSSC模块的效率最大的光阳极宽度。
3.根据权利要求1或2所述的一种大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法，其特征是所述计算待测DSSC模块的子电池的基板电阻利用公式Rte。= 2X P X1/S 计算，其中，Rte。为基板电阻的阻值，P为导电薄膜的电阻率，1为沿电流方向导电薄膜的长度，S为垂直电流方向导电薄膜的横截面积。
全文摘要
本发明公开了太阳能电池设计技术领域中的一种大面积染料敏化太阳能电池模块设计性能的判定方法，用于判定设计的大面积染料敏化太阳能电池模块的性能。包括将大面积染料敏化太阳能电池模块的子电池的DSSC基本结构等效为由恒流源、二极管、旁路电阻、基板电阻、电解质电阻和对电极电荷传输电阻组成的等效电路；根据等效电路中二极管的电压电流关系式，计算DSSC基本结构的I-V特性曲线；利用DSSC基本结构的I-V特性曲线，获取DSSC子电池的效率；利用DSSC子电池的效率乘以DSSC子电池的有效面积比，得到DSSC模块的效率。本发明实现了对设计的大面积染料敏化太阳能电池模块的性能进行判定的效果。
文档编号G01R31/26GK102269795SQ201110103490
公开日2011年12月7日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者张璟, 林红 申请人:清华大学