Gamry Dye Solar Cell Testing Kit – Aufbau zur Charakterisierung von Farbstoff-Solarzellen ohne Bipotentiostaten-System
Dieser experimentelle Aufbau aus synchronisiertem Bipotentiostaten und optischer Bank dient der detaillierten Charakterisierung von Farbstoffsolarzellen
Zur Charakterisierung von Farbstoffsolarzellen (Dye Sensititzed Solar Cells; DSSC´s) mit dem Aufbau zur Charakterisierung von Farbstoff-Solarzellen fokussiert man Licht von LED´s diskreter Wellenlänge (470 nm, 530 nm, 590 nm, 617 nm, 625 nm und 940 nm) auf die aktive Fläche der Farbstoffsolarzelle und misst die Antwort auf das eingestrahlte Licht. Zur elektrochemischen Charakterisierung verwendet man ein bipotentiostatisches Setup, bei dem ein Potentiostat die LED ansteuert und ein zweiter Potentiostat unter Datenaufnahme an der Farbstoffsolarzelle die Antwort nachverfolgt. Zum Erhalt der Phaseninformationen zwischen den beiden Potentiostaten dient ein Synchronisationskabel.

Der Aufbau zur Charakterisierung von Farbstoff-Solarzellen besteht aus einer miniaturisierten optischen Bank zur Unterbringung der LED ausgewählter Wellenlänge, einem KollimatorKit), einer universellen Befestigung für Farbstoffsolarzellen und einer Dummy Zelle (Photodiode) zur Bestimmung der optischen Leistung der verwendeten LED in Abhängigkeit der verwendeten Stromstärke. Dafür zeichnet man unter galvanostatischer Anregung der LED den Maximalstrom (ISC) der Photodiode beim Kurzschlusspotential (ESC = 0) auf. Damit erhält man für jede einstellbare Stromstärke (max. 1000 mA) die optische Leistung der LED am stellvertretenden Fokuspunkt der Farbstoffsolarzelle, was für die spätere Berechnung der Effizienz der Farbstoffsolarzelle wichtig ist. Eine Farbstoffsolarzelle produziert Strom, wenn man sie mit Licht bestrahlt. 

Je nach Intensität des eingestrahlten Lichtes hängt es außerdem noch stark davon ab, bei welchem Zellpotential der Strom produziert wird. Daher werden Potentialkurven zwischen Ausgangs- (Kurzschlusspotential) und Endpotential (Leerlaufpotential) des Halbleiters aufgenommen und der resultierende Strom gemessen. Nach jeder Messung ausreichender Reproduzierbarkeit wird die eingestrahlte Lichtintensität bis zur maximalen optischen Leistung der LED schrittweise erhöht. Als Ergebnis erhält man aus diesen Kurven in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtintensität Informationen über die maximal verfügbare Stromabgabe einer Solarzelle (Kurzschlusspotential), die maximale Betriebsspannung der Solarzelle (Leerlaufpotential), die maximal verfügbare Leistungsabgabe, den Füllfaktor als Quotient aus der maximal verfügbaren Leistungsabgabe ggü. der theoretischen Leistungsabgabe und über die Effizienz der Solarzelle. 

Mit dem Aufbau zur Charakterisierung von Farbstoff-Solarzellen kann bei Bestrahlung mit konstanter Lichtintensität die Farbstoffsolarzelle durch die Kontrolle des Potentials in einem Arbeitsbereich gemäß der vorherigen Strom-Spannungskurve mit einem überlagerten und modulierten AC-Signal impedanzspektrometrisch aufgeklärt werden. Das erhaltene Impedanzspektrum kann durch Ersatzschaltbilder (Transmission Lines „Unified) die porösen Grenzflächenstrukturen mit dem darin enthaltenen Farbstoff anpassen und liefert Informationen über Leistungsverluste durch limitierende Diffusionsvorgänge. Abschließend wird die Verwendungsmöglichkeit des Aufbau zur Charakterisierung von Farbstoff-Solarzellen durch die beiden intensitätsmodulierten Methoden IMPS (Lichtintensitätsmodulation beim Kurzschlusspotential) und IMVS (Lichtintensitätsmodulation beim Leerlaufpotential) abgerundet. 

An dieser Stelle wird das modulierte AC-Signal nicht dem Potential des Arbeitsbereiches überlagert, sondern die Farbstoffsolarzelle zum Kurzschlusspotential (IMPS) oder Leerlaufpotential (IMVS) gefahren, die Lichtquelle mit einem konstanten DC-Signal versorgt und mit einem modulierten AC-Signal überlagert. Die resultierende Stromantwort dieser modulierten Lichtintensität wird in der Stromantwort der Farbstoffsolarzellen bei dem jeweilig untersuchten Potential gemessen. Auf diese Weise können Zeitkonstanten zur Aufklärung verschiedenster Prozesse wie z.B. Aufsammeln der Ladungen, Diffusion und Lebensdauer bzw. Rekombinationsraten der Elektronen in der Farbstoffsolarzelle bestimmt werden. 

  • Der Aufbau zur Charakterisierung von Farbstoff-Solarzellen besteht aus einer miniaturisierten optischen Bank zur Unterbringung der LED ausgewählter Wellenlänge, einem KollimatorKit), einer universellen Befestigung für Farbstoffsolarzellen und einer Dummy Zelle (Photodiode) zur Bestimmung der optischen Leistung der verwendeten LED in Abhängigkeit der verwendeten Stromstärke. Dafür zeichnet man unter galvanostatischer Anregung der LED den Maximalstrom (ISC) der Photodiode beim Kurzschlusspotential (ESC = 0) auf. Damit erhält man für jede einstellbare Stromstärke (max. 1000 mA) die optische Leistung der LED am stellvertretenden Fokuspunkt der Farbstoffsolarzelle, was für die spätere Berechnung der Effizienz der Farbstoffsolarzelle wichtig ist. Eine Farbstoffsolarzelle produziert Strom, wenn man sie mit Licht bestrahlt. 

    Je nach Intensität des eingestrahlten Lichtes hängt es außerdem noch stark davon ab, bei welchem Zellpotential der Strom produziert wird. Daher werden Potentialkurven zwischen Ausgangs- (Kurzschlusspotential) und Endpotential (Leerlaufpotential) des Halbleiters aufgenommen und der resultierende Strom gemessen. Nach jeder Messung ausreichender Reproduzierbarkeit wird die eingestrahlte Lichtintensität bis zur maximalen optischen Leistung der LED schrittweise erhöht. Als Ergebnis erhält man aus diesen Kurven in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtintensität Informationen über die maximal verfügbare Stromabgabe einer Solarzelle (Kurzschlusspotential), die maximale Betriebsspannung der Solarzelle (Leerlaufpotential), die maximal verfügbare Leistungsabgabe, den Füllfaktor als Quotient aus der maximal verfügbaren Leistungsabgabe ggü. der theoretischen Leistungsabgabe und über die Effizienz der Solarzelle. 

    Mit dem Aufbau zur Charakterisierung von Farbstoff-Solarzellen kann bei Bestrahlung mit konstanter Lichtintensität die Farbstoffsolarzelle durch die Kontrolle des Potentials in einem Arbeitsbereich gemäß der vorherigen Strom-Spannungskurve mit einem überlagerten und modulierten AC-Signal impedanzspektrometrisch aufgeklärt werden. Das erhaltene Impedanzspektrum kann durch Ersatzschaltbilder (Transmission Lines „Unified) die porösen Grenzflächenstrukturen mit dem darin enthaltenen Farbstoff anpassen und liefert Informationen über Leistungsverluste durch limitierende Diffusionsvorgänge. Abschließend wird die Verwendungsmöglichkeit des Aufbau zur Charakterisierung von Farbstoff-Solarzellen durch die beiden intensitätsmodulierten Methoden IMPS (Lichtintensitätsmodulation beim Kurzschlusspotential) und IMVS (Lichtintensitätsmodulation beim Leerlaufpotential) abgerundet. 

    An dieser Stelle wird das modulierte AC-Signal nicht dem Potential des Arbeitsbereiches überlagert, sondern die Farbstoffsolarzelle zum Kurzschlusspotential (IMPS) oder Leerlaufpotential (IMVS) gefahren, die Lichtquelle mit einem konstanten DC-Signal versorgt und mit einem modulierten AC-Signal überlagert. Die resultierende Stromantwort dieser modulierten Lichtintensität wird in der Stromantwort der Farbstoffsolarzellen bei dem jeweilig untersuchten Potential gemessen. Auf diese Weise können Zeitkonstanten zur Aufklärung verschiedenster Prozesse wie z.B. Aufsammeln der Ladungen, Diffusion und Lebensdauer bzw. Rekombinationsraten der Elektronen in der Farbstoffsolarzelle bestimmt werden. 

  • SYSTEM

    Dimensionen: 30 cm (L) x 10 cm (B) x 20 cm (H)
    Gewicht: 3 kg

    KONFIGURATION

    LED (M470L3; THORLABS)
    Wellenlänge 470 nm
    Leistung (typisch) 710 mW (1000 mA)
    Spannung 3.2 V
    Peakbreite (FWHM) 25 nm
    Lebensdauer 100.000 Stunden

    LED (M530L3; THORLABS)
    Wellenlänge 530 nm
    Leistung (typisch) 370 mW (1000 mA)
    Spannung 3.2 V
    Peakbreite (FWHM) 33 nm
    Lebensdauer 100.000 Stunden

    LED (M590L3; THORLABS)
    Wellenlänge 590 nm
    Leistung (typisch) 170 mW (1000 mA)
    Spannung 2.2 V
    Peakbreite (FWHM) 18 nm
    Lebensdauer 100.000 Stunden

    LED (M617L3; THORLABS)
    Wellenlänge 617 nm
    Leistung (typisch) 650 mW (1000 mA)
    Spannung 2.2 V
    Peakbreite (FWHM) 18 nm
    Lebensdauer 100.000 Stunden

    LED (M625L3; THORLABS)

    Wellenlänge 625 nm
    Leistung (typisch) 770 mW (1000 mA)
    Spannung 2.2 V
    Peakbreite (FWHM) 18 nm
    Lebensdauer 100.000 Stunden

    LED (M940L3; THORLABS)
    Wellenlänge 940 nm
    Leistung (typisch) 1000 mW (1000 mA)
    Spannung 2.75 V
    Peakbreite (FWHM) 37 nm
    Lebensdauer 100.000 Stunde
  • • Interface 1000 Bipotentiostat

    Interface 1010 Bipotentiostat

    Interface1000/1010 Bipotentiostat Synchronization Cable 

     • LED Collimator Kit

     • Blue (470 nm) LED Assembly

     • Green (530 nm) LED Assembly

     • Amber (590 nm) LED Assembly

     • Orange (617 nm) LED Assembly

    Red (625 nm) LED Assembly

     • NIR (940 nm) LED Assembly

     • Warm White LED Assembly (3.500K)

     • Cold White LED Assembly (6.500K)