Numerical Simulation of the Current-Voltage Curve in Dye-Sensitized Solar Cells

ABSTRACT

A theoretical model based on the numerical integration of the continuity equation for electrons with traplimited density-dependent diffusion and recombination constants is implemented to describe the functioning of dye-sensitized solar cells (DSSC). The application of the model combines recent theory on charge transport in nanocrystalline materials with parameters extracted from five simple measurements: the UV/vis spectrum of the dye in solution, the steady-state current–voltage curve, the open circuit photovoltage versus light intensity curve, photocurrent transient upon switching on an illumination source, and open-circuit voltage decay upon switching off the illumination source. As a novel feature not previously included in this kind of calculations, the model includes an additional term that accounts for the charge transfer from the transparent conducting oxide (TCO) substrate to the electrolyte solution. The general applicability of the model is illustrated by applying it to two different types of cell: a TiO2-based solar cell with an organic solvent electrolyte and a ZnO-based solar cell with a solvent-free electrolyte. It is found that the numerical model is capable of adequately fitting all data for both systems, resulting in quantitative estimates for the main parameters controlling solar cell functioning and efficiency. The results show that it is possible to provide a global description of DSSCs based on fundamental theories for trap-limited transport and recombination using simple experimental techniques available to every solar cell laboratory. The present paper tries to help fill the gap between pure theoreticians and experimentalists working on this kind of system.

INTRODUCTION

Numerical modeling of solar cells is a powerful tool to rationalize and understand the fundamentals of the photoconversion process and to help achieve better performing devices. Since their advent in 1991,1 solar cells based on sensitized nanostructured, mesoporous metal oxides (dye-sensitized solar cells: DSSCs) are among the most promising third generation devices. DSSCs yield good photoconversion efficiencies, with values of up to 11.1% under 1 sun, AM1.5G illumination.2,3 In addition, because of the low cost of materials and the simplicity of the fabrication process they offer an inexpensive alternative to conventional silicon- based solar cells. The performance of DSSCs is based on the combination of good visible light harvesting, efficient charge separation, relatively fast transport, and slow recombination. This fortunate combination is achieved in a system by interpenetrating an electron-conducting material with a “hole-conducting” medium on the nanoscale.

چکیده

یک مدل نظری بر اساس یکپارچگی عددی از معادله تداوم برای الکترونها با توزیع وابسته به تراکم وابسته و ثابت مجدد ترکیب شده است برای توصیف عملکرد سلول های خورشیدی حساسیت به رنگ (DSSC). کاربرد این مدل ترکیبی از نظریه اخیر در انتقال بار در مواد نانوبلور با پارامترهای استخراج شده از پنج اندازه گیری ساده: طیف UV / vis از رنگ در محلول، منحنی ولتاژ جریان ولتاژ پایدار، مدار مجتمع فوتوولته در برابر منحنی شدت نور ، جریان فوتوالکتریک پس از تعویض منبع روشنایی و افت ولتاژ باز در هنگام خاموش کردن منبع روشنایی. به عنوان یک ویژگی نوین که قبلا در این نوع محاسبات گنجانده نشده است، مدل شامل یک اصطلاح اضافی است که برای انتقال شار از بستر اکسید هدایت شفاف (TCO) به محلول الکترولیت، حساب می شود. کاربرد عمومی این مدل با استفاده از آن به دو نوع مختلف سلول نشان داده شده است: یک سلول خورشیدی مبتنی بر TiO2 با یک الکترولیت حلال آلی و یک سلول خورشیدی مبتنی بر ZnO با یک الکترولیت بدون حلال. یافته شده است که مدل عددی قادر است به اندازه کافی تمام داده ها را برای هر دو سیستم مناسب، به ارمغان می آورد برآوردهای کمی برای پارامترهای اصلی کنترل عملکرد سلول خورشیدی و بهره وری. نتایج نشان می دهد که ممکن است توصیف جهانی DSSC ها براساس نظریه های اساسی برای انتقال و بازسازی محدود تله با استفاده از تکنیک های تجربی ساده در دسترس برای هر آزمایشگاه سلول خورشیدی امکان پذیر باشد. مقاله حاضر تلاش می کند تا شکاف میان نظریه پردازان خالق و تجربیانی که بر روی این نوع سیستم کار می کنند، کمک کند.

مقدمه

مدلسازی عددی سلولهای خورشیدی یک ابزار قدرتمند برای تصحیح و درک مبانی فرآیند عکسبرداری و کمک به دستیابی به دستگاههای با عملکرد بهتر است. از زمان ظهور آنها در سال 1991، سلولهای خورشیدی مبتنی بر نانوساختارهای حساس شده، اکسید فلزی مزوپور (سلول های خورشیدی حساس به رنگ: DSSCs) از جمله کالاهای امیدوارکننده نسل سوم هستند. DSSCs عملکرد کارآیی فتوکارانتسنجی را با مقادیر تا 11.1٪ در زیر یک خورشید، AM1.5G illumination.2،3 تولید می کند. علاوه بر این، به دلیل کم هزینه مواد و سادگی فرآیند ساخت آنها جایگزین ارزان قیمت برای سیلیکون معمولی – سلول های خورشیدی مبتنی بر عملکرد DSSCs بر اساس ترکیبی از برداشت نور خوب قابل مشاهده، جداسازی شارژ کارایی، حمل و نقل نسبتا سریع و بازسازی آهسته است. این ترکیب خوشبختانه در یک سیستم با درهم آمیختن یک ماده هدایت الکتریکی با یک رسانه “حفره ای” انجام می شود که در نانومواد قرار دارد.

Year: 2009

Publisher : IEEE

By : Julio Villanueva, Juan A. Anta, Elena Guille, and Gerko Oskam