水果电池实验教学设计

水果电池实验教学设计（共5篇）

1.水果电池实验教学设计 篇一

水果电子表

一、教学目标：

1、会用柠檬等酸性水果制作电池

2、研究电如何流动

3、检验你的柠檬电池在不同条件下工作效果如何

二、教学用品：

鲜柠檬、铜片、铝片、发光二极管、剪刀、电池 两端带鳄鱼夹的电线

三、教学过程：

1、引课

电在我们的现代生活中扮演着重要的角色，它也正驱动着现代社会。（1）电的两种类型：A 静电（干燥时产生的）

B流动的电：电荷从一个地方流到另一个地方所产生的现象。

（常用电路）

（2）电的威力很大----闪电（雷击）

2、新授课

电池是一种便利的电储存器，用于驱动便携式电器。多数电池是由一个或多个小单位的电池，而这些更小单位的电池是由一些令人惊奇的材料制成的。

制作柠檬电池：根据柠檬电池教材的步骤来制作柠檬电池。

知识点：（Ⅰ）所有的电池都有三部件组成：

A：正极（铜片）-----“ ＋” B：负极（铝片）-----“－”

C：电解质。电解质的作用是把终端分开，充当电子载体。

（Ⅱ）电池是便利的电储存器，电池有各种形状和型号，但它们的工作原理都是将化学能储存起来并将其转化为电能。

（Ⅲ）所有的电池都含有液体，糊剂或固体电解质，正电极和负电极。电解质是酸，储存电子，正电极吸收电子，负电极发生化学反应，产生电子流。电池在与电器相连时，电子将由负极流向正极，产生电流。

（Ⅳ）当你用不同的水果或蔬菜制作电池时，你会发现水果或蔬菜越酸，电压就越高。

（2）将几个柠檬电池串联起来，再测验一下电量的大小，你发现什么？

注意：要将电池的正极与另一个电池的负极相连接，剩下的两极再分别与伏特表相连接。

3、课堂小结（巩固提问，做作业）

四、实验扩展

1、电池是产生电的最基本单位，电池的作用如同水泵，促使电子流动产生电，每种电池都有固定的电压。

2、电路畅通的两个条件：电流和电压

3、电压是电子会在正负极两点间的流动，因为正负极之间具有电位差，这个电位差就是电压。

2.水果电池实验教学设计 篇二

实验器材: (1) 电压表 (1) ; (2) 导线; (3) 水果 (4种) 。

1 不同水果对水果电池电压的影响

利用相同的电极、电极之间具有相同的宽度l、插入相同的深度h, 测量不同的水果所产生的电压值, 具体数值如表1所示。

从表1我们可以看出不同的水果制成的水果电池所产生的电压是不相同的, 其中苹果所产生的电压最高, 马铃薯所产生的电压最低。在实验过程中应使用产生电压较高的水果制水果电池, 如苹果、奇异果等。

2 不同电极对水果电池电压的影响

分别利用不同的金属如铜棒、铁棒、铝棒、碳棒等和马铃薯制成一个水果电池, 电极之间的宽度l=2cm, 插入的深度h=2cm, 测量利用不同电极制成的水果电池的电压值, 具体数值见表2。

由表2可以看出, 采用不同金属做电极, 水果电池产生的电压是不同的, 利用铁-碳做水果电池的电极所产生的电压最高, 可以达到1.13V, 而利用铁-铝做电极产生的电压最低, 仅有0.33V, 相差较大。因此, 在实验的过程中可以选铁-碳做水果电池的电极。

3 电极插入不同的深度对水果电池电压的影响

利用同种水果 (马铃薯) , 同种电极 (铜-铁) 制成水果电池, 并且在测量过程中保证两电极之间的距离l相等, 将电极插入不同深度h, 测量水果电池的电压值。测量结果如表3所示。

根据表3作图1。

从表3和图1中我们可以看出, 电极插入水果中越深, 水果电池产生的电压越高。随着深度h的增大, 电压增加的越来越慢。

4 电极之间不同的距离对水果电池电压的影响

利用马铃薯和铜-铁电极制成水果电池, 并且在测量过程中保证两电极插入水果中的深度h相同, 测量两电极之间距离l不同的水果电池的电压值。测量结果如表4所示。

根据表4作图2。

可见, 电极之间的距离不同, 水果电池的电压也不同。两电极之间的距离l越大水果电池的电压越低, 两电极之间的距离l越小水果电池的电压越高。且随着宽度l的增加水果电池的电压降低得越慢。值得注意的是两电极之间的距离太近可能会使电源短路。

5 水果的不同状态对水果电池电压的影响

水果处于不同状态时, 水果中的果汁的含量不同。在其他条件不变的情况下将奇异果捣成泥状, 分别测量奇异果和奇异果泥的电压。测量结果如表5所示。

由表5可知, 将奇异果捣成泥状后利用相同的电极测量水果电池的电压比未捣成泥状的奇异果的电压高。

通过实验可知, 水果电池的电压主要和水果的选择、电极的种类、电极插入的深度、电极之间的距离以及水果的状态有关。因此在实验过程中可以选择苹果、西红柿、奇异果等多汁的水果, 而且在条件允许的情况下, 将水果捣成泥状, 选择铁-碳做电极, 两电极之间的距离l为1cm左右, 将两电极尽可能深的插入水果中。这样就可以得到较大的电压, 实验现象较为明显, 也可以使初学者感受到物理的魅力, 发现生活中处处都有物理知识, 处处都离不开物理。

参考文献

[1]祝炎, 吴先强, 王程杰.水果电池实验效果影响因素分析及案例设计[J].教学仪器与实验, 2009 (9) .

3.水果也能做电池 篇三

某知名半导体企业发布了一段视频，介绍了一款只需要三颗葡萄就能正常工作的低功耗芯片。方法如下：把一块铜片和一块锌片插入葡萄里，两块金属片连上导线，就形成了一颗电池，其中，铜片为正极、锌片为负极。将三颗葡萄电池按极性串联起来，就能驱动一些低功耗的芯片、二极管、灯泡等器件了。不仅是葡萄，猕猴桃、荔枝、橙子、草莓……各种多汁水果，都是做电池的好材料。

原理何在?一个简单的实验会给我们解释。取一杯稀硫酸，将铜片插入酸中，由于铜的活泼性排在氢之后，不会有任何反应；将锌片插入酸中，锌会渐渐溶解，锌片表面有气泡冒出，锌片微微发热。这个过程中，化学能被转化为了热能。

LED(发光二极管)

LED即Light Emitting Diode。LED是一种能够将电能转化为光能的半导体，通用电气公司于1962年推出。它采用电场发光，改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理。

同时将锌片和铜片插入硫酸但不接通，仍然是锌片渐渐溶解冒泡，铜片毫无反应。但是如果用导线把铜片锌片接通，情况立刻发生了改变：锌片仍然在慢慢溶解，但是氢气泡却从铜片上冒了出来。用万用表测试的话，会发现铜片和锌片间有电压和电流。这就是铜锌硫酸原电池。

打个比喻，把锌看成农村，铜看成城市，电子看成农民。锌失去的外层电子变成了自由电子，自由电子就可以随机在铜——导线——锌这条路线上移动，正如改革开放后，从单纯农业生产中解放出来的农民开始进城务工，他们就沿着公路(导线)向城市移动。

移动的结果是铜带上了负电荷，锌带上了正电荷，铜锌之间渐渐产生了电势差，产生的电场力阻止更多自由电子的到来。就像城市里的工作机会渐渐被先来的农民占据，对于后来的农民来说，找工作变得越来越难，因此选择进城的农民就越来越少。直到某个时刻，城里的工作岗位被完全占据，形成了一种均势，不再有新的农民进入城市(实际上，电子的运动仍然是有的，电势差带来的平衡是动态平衡)。这个完全阻抑电子继续移动的电势差，就是原电池电压的来源。

那么电流又是怎么来的呢?铜这一极电子过多，就会与溶液中的氢离子结合，变成氢气。就像务工农民劳碌一生，退休回乡了，这就留出了空缺的岗位，从农村(锌)那边赶过来的年轻农民(新的自由电子)就奔向铜这一极，填补前辈留下的空缺。一代又一代自由电子生生不息地补充之下，两极之间的电势差总是能够刚刚好保持住抑制电子继续运动的临界值，直到泡在硫酸内的锌片消耗殆尽。这个过程里不断奔流的自由电子就构成了电流，由于负电荷流入了铜这一极，也就等效于正电荷从铜流到锌，所以铜就成了电池的正极。

铜锌硫酸原电池产生的电压和电流都不大，很难在实际中应用，一般只有教师会拿它教学生。不过这个原电池有很多变种，稍加改变就可以作为技术宅讨好女生的利器：正极的铜可以由其他不活泼金属或非金属导体取代；锌可以由其他活泼金属取代；最重要的是，硫酸可以用其他酸来取代。

许多水果都富含有机酸，例如葡萄含酒石酸、苹果含苹果酸、柠檬含柠檬酸。虽然这些酸的酸性没有硫酸来得强，但是只要能电离出氢离子，就一样能当作电池的电解液，不过是电流大小有些差异而已。各位读者，你们还在等什么?赶快买个LED，搞到金属片和导线，抓起你手边的水果，向朋友们展示你的水果电池吧!(欢迎各位Geek高手踊跃尝试，如果用水果就能点亮发光二极管，欢迎给《科学Fans》投稿!)

电池的发展史

1780年，意大利解剖学家伽伐尼在做青蛙解剖时，发现了“生物电”。

1799年，伏打把锌板和银板浸在盐水里，成功制成世界上第一个电池——伏打电堆。

1836年，英国人丹尼尔使用稀硫酸作电解液，制造出“丹尼尔电池”，解决了电池极化问题。

1839年，英国人Grove发明了燃料电池，这是以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池。

1860年，法国人普朗泰发明用铅做电极的蓄电池，这种电池能充电，可反复使用。

1860年，法国人雷克兰士发明了世界上广受使用的碳锌电池的前身。

1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。

1890年，美国人爱迪生发明可充电的铁镍电池。

1899年，Waldmar Jungner发明镍镉电池。

1904年，美国人爱迪生用氢氧化钠(烧碱)溶液代替硫酸，用镍、铁代替铅，制成世界上第一个镍铁碱电池。

1914年，美国人爱迪生发明碱性电池。

1954年，第一个太阳能电池诞生在贝尔实验室。

1961年，锌银扣式电池研制成功，主要用于小型日用电子器具。

1990年，Sony成功开发出锂离子电池。

2009年，科研人员成功研制出硬币大小的“核电池”，通过同位素的衰变产生电能。

……

4.水果电池实验教学设计 篇四

关键词：锂离子电池,温度,一致性,库伦效率,开路电压

作为目前电动汽车高电能储备的主流型式,锂离子动力电池正越来越多地受到人们的关注[1,2,3]。由于锂离子动力电池单体的能量、功率等性能参数满足不了电动汽车的要求,实际使用时,常将数量巨大的电池串联成组使用,但是由于电池不一致、环境温度差异等因素,限制了动力电池组的应用和发展。

电池组在使用过程中,电池单体之间的差异主要是通过电池电压、内阻、温度、荷电状态(Stage of Charge,简称SOC)表现出来的。为了减少或消除上述差异,需要采用电池成组技术及均衡管理技术[4,5,6],主要涉及SOC估测、电池组的热安全等。国外V.Pop等人提出了EMF-SOC模型[7],相当于开路电压法[8],该方法需要将电池静置很长的时间,不能实时估计;也有人用安时积分法[9]和卡尔曼滤波法[10,11,12]来估计SOC值。文献[13]中,张志杰等人针对锰酸锂电池进行了实验,揭示了其内阻随SOC以及温度的变化规律,对于电池的温升分析以及电池的热管理都有重要的现实意义。文献[14]中,唐志远等分析了锂离子电池高倍率放电性能,并给出一种相应的充、放电制度。文献[15]中,姜久春等利用混合脉冲功率测试方法测试电池在不同温度及SOC较低情况下的变化情况。

本文基于实验数据,通过最小二乘法拟合了电池开路电压(OCV)和SOC以及库伦效率的关系;除了测试温度对电池的内阻影响之外,还研究了动态锂离子电池的放电倍率对电池电压一致性影响,并进行了放电倍率与电池温度变化的关系特性、电池单体不同测点温升差异及SOC辨识等相关实验。

1 实验方案

1.1 实验内容及目的

本文主要对电动汽车用动力锂离子电池展开了以下几项测试实验:测试25 ℃下电池SOC-开路电压(简称OCV)、库伦效率-放电电流关系曲线;测试温度对电池内阻一致性、放电倍率对电池电压一致性影响;测试放电倍率与电池温度的关系特性以及电池的温度分布情况。

本文的主要目的是获取动力锂离子电池的SOC-OCV关系曲线、库伦效率,温度、放电倍率对电池内阻、电压一致性影响以及放电倍率与其温度的关系特性;从而为电池成组技术和均衡管理技术的进一步研究提供基础。

1.2 实验对象及设备

实验对象为国内某厂家生产的3.2 V/10 (A·h)磷酸铁锂电池(如图1所示)。试验设备包括可编程控制的EVT300 A—500 V—80 kW充电机(如图2所示),温度连续可调的恒温箱(如图3所示)电动汽车电池管理系统(如图4所示)及BTS—600数据采集上位机软件。

电池充满状态是指采用C/3恒流充电至3.65 V,然后转入恒压充电,当充电电流小于C/30时,停止充电,此时的电池状态为充满电。电池放电截止状态是指电池放电至放电截止电压2.3 V时,停止放电。

2 电池SOC-OCV关系和库伦效率

SOC是判断电池单体之间是否一致的重要参数之一。常用的估算SOC方法有端电压法、安时积分法和卡尔曼滤波法等,因此首先需要确定SOC-OCV的函数关系。

实验测得25 ℃下SOC-OCV关系曲线如图5所示。在两端区间内,开路电压对SOC较为敏感,随着SOC值变化,开路电压上升或下降较快,所以电池管理系统应尽可能使SOC维持在中间某一区间内,保证电池的使用安全和电动汽车的功率需求。

另外电池充电和放电的SOC-OCV曲线走势相似,但对应于同SOC值,充电时的OCV略高于放电时的OCV,这是由于充电到某一SOC数值开始静置时,电压持续降低至逐渐趋近电池的OCV真值,而放电到同一SOC数值开始静置时,电压持续升高至逐渐趋于电池的同一OCV真值。由于这一趋近过程理论上所需时间非常长,而脉冲充放电采用静止时间为60 s,所以放电曲线上得到的OCV小于充电曲线上得到的OCV。

各阶次的拟合曲线和拟合误差分别如图6、图7所示,可以看出3到7阶拟合OCV存在较大误差,而8阶以后误差明显减小,由于拟合阶数越高运算越复杂,所以选取8阶多项式作为充电时SOC-OCV的关系方程,对应放电,同样采取8阶多项式拟合作为SOC-OCV的函数关系。

另外电池SOC的估算常需获得不同电流充放电下的等效库伦效率,本文通过实验测得25 ℃条件下,电池的等效库伦效率随放电电流的变化曲线如图8所示,通过最小二乘拟合[16],可以得到库伦效率与放电电流之间的关系式为:

ηe=0.15×10-6i4-0.2×10-4i3+0.95×10-3i2=-0.019 8i+0.95。

3温度、放电倍率对电池内阻及一致性的影响

3.1 温度对电池内阻一致性影响

通过脉冲实验获得12节串联电池组中每个单体电池在不同温度下的欧姆内阻、极化内阻的分布情况,分别如图9、图10所示。由图10可看出,电池欧姆内阻在0—50 ℃范围内,阻值大小与温度的增加成反比例关系,常温25 ℃下的电池性能反而低于40 ℃下的电池性能,在0 ℃—25 ℃范围内,电池欧姆内阻与温度具有较好的线性关系,25 ℃—50 ℃范围内具有非线性关系,欧姆内阻对低温比对高温更敏感,电池内阻测量方法采用文献[15]提出的混合脉冲功率特性测试方法(Hybrid Pulse Power Characterization, HP-PC)。

从图10中可以看出,在 25 ℃和40 ℃环境温度下,电池欧姆内阻一致性较好,上下波动在8.5%之内,即1.175 mΩ之内,随着温度的降低或升高,欧姆内阻的一致性越来越差;9、10、11、12号电池欧姆内阻随温度的变化,一致性变差较为明显,内阻特性与其它电池单体脱离。相比于欧姆内阻,极化内阻对温度更为敏感,温度在25 ℃、40 ℃时,极化内阻一致性最好,随着温度的降低或升高,极化内阻一致性变差,且较欧姆内阻变差更明显。

通过以上分析可得,由于电池内阻随温度变化的变化率不同,在某个温度下内阻阻值相近的电池单体在其它温度点会出现内阻差异较大的情况,所以为保证电池组内阻的一致性,采用内阻筛选方法时,应要在高、低温多个温度点对电池内阻实施筛选以保证成组后电池组一致性较好。

3.2 放电倍率对电池电压的一致性影响

3.2.1 试验前准备

(1)将12节串联电池组接上电压传感器、温度传感器、电动汽车用电池管理系统等,放入恒温箱内。

(2)恒温箱设定温度25 ℃,湿度60%,静置1 h,然后采用0.3C将电池包充至SOC=0.8,静置1 h,准备进行试验。

3.2.2 试验步骤

(3)用3 A放电至SOC=0.3,记录放电时间t,放出的实际电量,电池端电压,静置1h。

(4)用3 A给电池包充电,充电至SOC=0.8,记录充电时间t,充入实际电量,端电压,静置1 h。

(5)将放电电流改成10 A,20 A,30 A,40 A,50 A,充电电流不变,重复(1)(2)步骤。

表1为不同放电倍率下,5节单体电池的初始端电压,图11为以不同电流放电至结束时的电池端电压差。从表1和图11可以看出,初始端电压一致性较好的5节单体电池,随着放电电流的增大,放电至结束时的电池端电压一致性越来越差。因为电池在不同放电倍率下,体现不同的温度特性,而温度影响电池内阻一致性,分别如图9、图10所示,放电倍率通过内阻进而影响电池电压一致性。所以采用电池的充放电特性作为电池筛选方案时,应利用单体电池在最大工作电流下的充放电曲线作为电池的分选依据。

4 锂离子电池放电倍率对其温升影响

4.1 恒流放电与电池温度的关系特性

4.1.1 恒流放电时不同测点温度特性

温度传感器布置点如图12所示,分别布置2个温度传感器于电池极柱,其中2为正极柱,1为负极柱,点3、4、5、6分别为各个面的中心点。

试验前准备:与3.2中的相似,只是将充电截止条件由充电至SOC=0.8改为充电至截止电压。

试验步骤

(1)用1C倍率将充满电的电池单体放电至截止电压,并记录放电时间、电池温度,静置1 h。

(2)用3 A给电池充电,充电至截止电压,并记录充电时间、电池温度、静置1 h。

(3)将放电倍率设置为2C,3C,4C,分别进行(1)、(2)步操作。

(4)重复(1)—(3)步,将环境温度设置为0 ℃,10 ℃,45 ℃,55 ℃。

40 ℃条件下1C放电时电池的温度变化如图13所示,40 ℃条件下2C放电时的电池温度变化如图14所示,25 ℃条件下4C放电时电池的温度变化如图15所示。可以看出,电池的最高温度与电池的放电倍率有关,40 ℃条件下,2C放电时,电池的最高温度为48 ℃;25 ℃条件下,4C放电时,电池的最高温度为53 ℃。根据不同放电倍率下的电池温度图分析,电池的正极处的温度最高,负极温度比正极温度低。负极温度与正极的温度差随着放电倍率的增大而增大。

放电时,正极温度高于负极,电池在放电时,锂离子从负极脱嵌,Li_C键断裂,是吸热反应,而锂离子进入正极是锂和正极材料的成键过程,是放热反应,相反充电时,负极温度高于正极温度,锂离子电池在充电时,锂离子从正极中脱嵌,通过电解质和隔膜,嵌到负极,形成Li-C键,是放热反应。

4.1.2 不同放电倍率与电池温度的关系特性

脉冲放电时,最高温度在正极处,最低温度在测试点6, 25 ℃放电时,不同放电倍率条件下最高温度点和最低温度点的温度变化曲线如图16、图17所示。由图16、图17可知,随着放电倍率的增加电池温度逐渐增大。

4.2 变电流工况与电池温度的关系特性

实际应用中,电池组工作电压、电流随着车速变化而变化,只考虑其恒流工况下性能 ,不能全面地反映电池动态性能。变电流工况相比恒电流工况,能更加真实地反映电池的实际使用性能。变电流工况加载电流如图18所示,实验过程中设置保护电压3.7 V,最低电压2.3 V,最高温度70 ℃。

变工况下的电池测温点如图19所示。其中2为正极柱,各测温点的温度变化如图20所示。可以看出,加速时,即增大电流值,温升变大,减速时,即减小电流值,温升减小,当放电电流小于一定值时,电池的发热量小于电池的散热量,电池温度下降,从上述结论可得,电池的温升与电池的使用工况是一致的。

5 结论

本文通过实验,重点研究了磷酸铁锂动力电池的SOC特性,温度、放电倍率对电池单体一致性的影响等。通过实验分析,可得出如下结论:

(1)基于电池的实验数据,通过最小二乘法曲线拟合得到电池开路电压与SOC以及电池库伦效率的关系表达式,拟合结果表明8阶拟合可以较准确地反映电池开路电压与SOC之间的关系。

(2)通过分析串联电池组各个单体在不同温度下内阻分布情况,得出在某个温度下内阻阻值相近的电池单体,由于其内阻随温度变化的变化率不一定相近,造成在其它温度点出现内阻一致性较差情况。

(3)通过分析串联电池组在不同放电倍率下电池端电压的变化情况,得出随着放电电流的增大,电池端电压的一致性变差。

(4)电池的最高温度与电池的放电倍率有关,电池的正极处的温度最高,负极温度比正极温度低。负极温度与正极的温度差随着放电倍率的增大而增大,同时受环境温度影响。

5.水果电池实验教学设计 篇五

关键词：钙钛矿,硅,器件结构,转换效率,太阳能电池

0 引言

近几年来,金属卤化物钙钛矿结构作为光吸收材料的太阳电池,以其快速增长的效率受到了人们的广泛关注。金属卤化物钙钛矿(CH3NH3PbI3或者CH(NH2)2PbI3)展现出高吸光能力[1,2,3]1-3[1,2,3],主要是因为具有一个相对大的宽带隙以及小的子带隙吸收[4],高载流子迁移率,低价的前驱材料以及简单的溶液加工制备[5,6],并且这种材料作为双极性半导体材料,显示出其器件结构的多变性,即从具有n-i-p或p-i-n设计的介观结构到平面结构[7]。目前已报道的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率达到了20%[8,9,10]],超过非晶硅电池,接近晶硅单结电池。后者的转换效率在过去的15年间由25%缓慢提升至25.6%[[11,12],已接近由俄歇复合限制以及肖克莱-奎伊瑟效率极限所达到的单结光电器件理论极限值29.4%[13]。

叠层结构太阳电池的出现可以突破肖克莱-奎伊瑟效率极限,获得50%甚至更高效率且廉价的太阳能电池[14],其主要的设计思想是这种结构可以更大范围地吸收太阳能。叠层电池主要是由顶部和底部电池串联而成,二者的分工是叠层太阳电池高效率的关键。具有高带隙的顶部电池能够吸收短波长的光,低带隙的底部电池则可以对长波长的光进行吸收,从而使得叠层太阳电池比传统太阳电池具备更大的优势。因此,人们一直尝试将各种单结太阳电池串联成叠层结构的电池,尤其是在性能稳定的硅太阳电池上叠加低成本的新光电材料薄膜电池,如非晶/微晶硅太阳电池[7,15,16,17]、染料敏化太阳电池(DSSC)/Cu(In,Ga)Se2太阳电池[18]、DSSC/硅太阳电池[19],以及有机太阳电池/硅太阳电池[20]。但这些结构并没有获得比晶硅太阳电池更高的效率,究其原因,主要是这些电池的吸收材料具有一定的限制性,并不能与硅材料形成完美的串联电池结构。基于在硅电池上建立更高效率的叠层电池[21,22,23,24,25],需要顶部单元电池具有介于1.6~1.9eV的较宽带隙[26],且同时具有高的开路电压Voc。甲胺铅碘卤化物钙钛矿结构不仅满足以上条件,而且具有高光吸收系数[1,17,27,28,29]、较高的开路电压(Voc=1.15V)[30],以及一个变化范围在1.6~2.3eV的可调谐带隙[32]。因此,以钙钛矿太阳电池作为顶层电池的叠层电池也受到了研究者的重视。例如文献[24,31,32]记载研究者开创性地展开了基于钙钛矿叠层电池的实验。本文综述了钙钛矿叠层电池的不同结构模型以及实验制备的研究进展。

1 叠层电池结构

目前研究设计的叠层电池主要有3种结构:机械堆叠(见图1(a))、单片集成(见图1(b))、光谱分割(见图1(c))。机械堆叠结构是将各自独立制作的顶部电池和底部电池整合在一起,进而形成一个串联电池器件,即四端口电池。单片集成则是将电池的每一层材料进行顺序淀积,顶部与底部电池通过隧道结或者复合层连接在一起,称为二端口电池。光谱分割结构与机械堆叠比较相近,不同之处在于这种结构在两个电池之间加入了一层光波长选择性的镜子,这样入射光就能够很好地被适合的电池吸收,从而顶部电池也可以不必透明。不同的设计结构对电池的性能影响不同,目前主要的研究结构为二端口和四端口叠层电池,二者各有其优缺点。四端口器件的优势在于制作简单,易于合成,从而避免了其上下电池的电流或电压匹配能力的不足,以及没有隧道结所产生的影响,确保了顶部和底部电池的最优化性能得到更好的体现[24]。相比于四端口器件,二端口器件具有较高的转换效率,较低的制作成本。并且二端口器件在结构上比四端口器件具有更少的电极,二端口的2个电极(1个透明)相比与四端口器件的4个电极(3个透明)来说,大大减少了寄生吸收的影响,进而提高了电池的性能。

2 模型预测

基于钙钛矿材料实际光学及电学参数的钙钛矿叠层电池模型,能理论上预测电池的性能和最优结构,为实验制备提供改进方向。目前的报道集中于光在叠层电池中的分配。钙钛矿叠层电池模型预测的3个关键光学因素是:(1)前表面反射率,(2)顶电池的光吸收率,(3)顶电池的光透过率。文献[25,33,34]基于给定的CH3NH3PbI3钙钛矿的折射系数和吸收系数对钙钛矿/晶硅叠层电池作了光学仿真,结果表明钙钛矿叠层电池显著提高了光电转换效率。最近,文献[[35]]则报道了基于实测的CH3NH3PbI3折射系数的单结钙钛矿和钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳电池的仿真。

在模型设计中,叠层电池的表面反射率的大小是光学研究的重要因素,对太阳电池的转换效率有着举足轻重的影响。针对这一因素,减少反射所造成的光损失,进一步提高钙钛矿叠层电池的效率,在模型预测中得到了优化与证实。Bennett W.Schneider小组成员介绍了一种已确定的高效光处理结构,V型槽———金字塔形结构[34]。这种叠层电池的纹理主要是对晶硅太阳电池的上表面进行处理,形成倒立的金字塔结构,随后在其上淀积钙钛矿薄膜太阳电池,形成钙钛矿/晶硅串联太阳电池。顶部的薄膜电池在具有金字塔形表面纹理的晶硅电池上进行共形沉积,并在二者中间合并一层布拉格(Bragg)反射层。这种原始硅电池的几何结构的应用,不仅使其保持了突出的减反射功能,而且为顶部电池提供了对不同光波长进行选择性捕获的能力。在并联电池的最上层,他们采用了一种最优化的单层抗反射涂层(SLARC)。与带有SLARC的平面叠层电池相比较,当顶部电池的厚度为200nm时,SLARC和Bragg反射层能够使短路电流提高20%,甚至当顶部电池的厚度为50nm时,二者的存在使短路电流提高了1倍。通过模型仿真Bennett W.Schneider等预测,利用一种简单高效的叠层电池模型,可获得具有高带隙的顶端钙钛矿电池,其光电效率可达到35%。

Philipp Lper对电池表面的平坦与否进行对比研究,进一步证实了表面反射对电池的影响[36]。他们将已由实验确定的太阳电池每层的复杂折射率作为参数,代入CROWM光学模拟器,对二、四端口串联器件进行仿真实验,对于四端口串联器件,为了减小J-V测量时滞后作用产生的错误,钙钛矿电池选择的效率为16.7%[37]。对于底部电池,则是选择具有双面接触的硅异质结电池,效率为24.7%[38]。经模拟实验得出,无论是否对电池进行限制条件,表面纹理都使底部电池的电流提高了1.7mA/cm2,并且非限制条件下,具有表面纹理的叠层电池的光电效率达到30.1%。同时,表面纹理在晶硅吸收能力低时(波长大于1100nm),提高了Spiro-OMeTAD和ITO的寄生吸收。由于四端口器件仅仅要求最低限度的适应,因而其效率比单结的硅异质结电池更高。相比于四端口串联器件,二端口串联器件要求更高的制备工序,光电转换效率高,优化条件后,非限制条件下,具有表面纹理的叠层电池的光电转换效率为30.3%,表面纹理使表面反射的光损耗降低,实验得出,在波长范围为500~1000nm时,反射率降低了5%。Philipp Lper提出,模拟器件深受实验可行性的激励,最终的设备不仅要求最优的厚度,而且对材料以及每层的顺序都有很高的要求,模拟方法的好处就在于能够适应任何的器件结构,将所知的相关折射率带入其中。

Reza Asadpour等[39]通过将传统的二端口钙钛矿/硅异质结叠层电池进行改进,得到一种新的两面结构的叠层电池,并且转换效率从原来的25%提高到了33%,效果显著。顾名思义,两面的串联电池就是将传统的串联电池的背电极———铝电极去除,形成上下电极都为ITO的透明导电电极,从而大大促进了反射光的吸收。他们利用MEIDCITM器件仿真器,代入实验测得的不同材料电池的吸收系数以及折射指数[40,41,42,43]3],将载流子输运现象通过泊松方程和连续性方程表示出[42],从模拟结果可知,硅异质结电池与钙钛矿电池相比较,具有较高的短路电流以及较低的开路电压。在传统串联电池结构中,子电池的电流相互匹配,串联电池的短路电流比各部分电流低,开路电压同时也增加到1.65V。整体的光电效率25%也比异质结电池的24%,钙钛矿电池的20%有所提高。双面串联电池结构不仅能够能够解决电流匹配问题,而且光电转换效率提高到了33%。这种电池的提出,为低价、高效的光电压技术提供了可行性。

合理分配各子电池的光吸收、实现叠层电池的电流匹配,是钙钛矿叠层电池优化的重要依据。Philipp Lper和他的团队[25]计算了优化后的钙钛矿/晶硅叠层串联电池理论极限光电转化效率。Philipp Lper的模型是设定:(1)硅电池为理论效率最高的29.4%[44];(2)钙钛矿太阳电池为带隙为1.6eV的钙钛矿材料,效率在21%~26%[4],顶部电池的开路电压为1100mV;(3)电池为一个理想的光学系统,即无前表面反射,无寄生吸收以及完美的朗伯散射;(4)存在一个过渡层确保顶部和底部电池完美耦合;(5)顶部电池为朗伯光捕获和单通路限制,顶部电池在单通路限制的情况下,能够与底部电池光耦合,从而获得零反射;(6)在电流匹配要求下,电池的理想厚度要求在典型的实验数值范围内。通过器件模拟后,他们得到了理想的CH3NH3PbI3/c-Si串联电池的极限效率为35.67%。这个结果不但表明了钙钛矿/晶硅叠层串联电池的效率潜能,而且也强调了材料和器件制备的重要性。

Ibraheem Almansouri与其团队针对钙钛矿二端口叠层电池的限制条件进行研究,找出了效率限制的根本因素[45],并提出了相关的解决方法:(1)玻璃反射所造成的光损失,并提出在玻璃表面旋涂一层自粘的氟化聚合物薄膜(ARC-TOP)[46],这种方法比普通的玻璃效率增强了1.5%。(2)透明导电薄膜(FTO)的光吸收。小组人员采用不同电阻的FTO进行对比,发现不同电阻的FTO对效率和光波长的传递都有所不同,电阻等于9Ω的传递能力最强。(3)寄生电阻形成的电损失以及串联电池效率的复合。Ibraheem Almansouri等模拟得到30%的极限叠层效率,并进一步指出了提高叠层效率的方法是优化寄生损失以及改善钙钛矿电池外部辐射效率。

3 实验制备

与钙钛矿太阳电池或者硅太阳电池相比,钙钛矿叠层太阳电池的实验制备是复杂且灵活多样的。基于钙钛矿串联电池的结构不同,可以将其分为单片集成(二端口)串联和机械堆叠(四端口)串联结构,二端口串联结构在顶部和底部电池中间,增加了中间层,其可以是一层隧道结[47],也可以是薄金属或者透明电极充当的复合层[32,[48]]。因此,二端口串联结构相比于四端口串联结构来说,在实验条件、结构设计、材料应用等工艺条件上更加严格、复杂。目前对二端口串联电池的实验制备较为突出的是Jonathan P.Mailoa等[47],他们通过在结构上增加一层硅隧穿轨道结对钙钛矿/硅多结叠层太阳电池进行了系统地研究,并获得1.65V的开路电压,展示出这种多结电池的潜在能力。在整个设计中,一个带间隧道结[49]加快了电子从钙钛矿子电池的电子选择性接触层隧穿,从而进入子电池硅的p型发射极,促进载流子复合,即空穴从n型硅基底穿过p型发射极,电子从钙钛矿层穿过TiO2电子传输层。与Ⅲ-Ⅴ[50]多结太阳能电池的隧道结不同的是,这个小组使用了具有间接带隙的硅隧道结,这个隧道结是由n++/p++形成,使用等离子化学气相淀积的方法,淀积一层30nm厚的重掺杂的氢化非晶硅n++。这就使得电偶和的寄生吸收大大减小,进而使得短路电流JSC降低。小组人员经过测量计算得出,这种两端多结器件的最好效率为13.7%,并在串联电池中观察到缓慢的动态电流和相一致的滞后现象,这与钙钛矿太阳电池的缓慢动态相似,表明了钙钛矿太阳电池限制了串联电流[51]。Jonathan P.Mailoa等表示,钙钛矿/硅串联太阳电池的效率将有望超过35%。

在实验制备中,相比于二端口(单片集成串联)电池,四端口(机械堆叠串联)电池在结构上更简单易懂,制作工艺简单,进而对四端口串联电池的研究相对广泛。目前具有小带隙材料的电池被提议作为底部电池,顶部电池则是具有高带隙的钙钛矿材料。四端口串联电池则可以将已制备出的,具有低带隙的太阳电池与钙钛矿太阳电池串联在一起,无需复杂的工艺。Colin D.Bailie等[24]通过实验,验证了四端口电池的钙钛矿太阳电池对提高效率的潜在能力。小组成员在试验中选取的底部电池分别是效率为17.0%的铜铟镓硒电池(CIGS)[52,53,54,55,56]52-56],11.4%的低效率硅(Si)电池。顶部电池选取效率为12.7%的半透明钙钛矿电池。通过测量四端口串联电池的I-V曲线,外量子效率(EQE)曲线,得出硅电池的效率由于串联结构的影响,从11.4%提高到了17.0%,为低效率的多晶硅材料(纯度为4.5N的多晶硅块)提高了商业利用潜力。CIGS电池的串联效率则由原来的17.0%提高到了18.6%。

相比于单结电池器件,串联电池器件由于底部电池的加入,使得一些设计参数发生了变化。串联设计方式,大大放松了Si和CIGS的顶部物质层的约束条件。相比于工业生产中大约100Ω方块电阻的Si[57],在此次实验中,使用的Si为方块电阻大约35Ω的磷扩散发射极。发射极层的表面电阻越低,意味着总线分割能够增大,从而降低了阴影损失。值得一提的是,串联设计大大改变了太阳电池的减反射层,单结太阳电池顶部的减反射层需要具备宽的光谱范围(400~1100nm),以及必须考虑范围边缘的器件性能。但是,对于串联器件的底部电池,减反射层则仅仅需要一个较窄的光谱范围(800~1100nm),并且能够取得更好的性能。对于单结和串联器件的全面考虑,不同设计参数的改进,在未来能够进一步提高器件的性能。

Philipp Lper等展现了一种新的四端口钙钛矿/晶硅串联电池[31],与其他四端口串联电池不同的是,小组人员在电池结构方面热蒸镀了一层氧化钼薄膜。众所周知,透明的背电极不仅对四端口串联器件的发展很重要,而且它也是整体器件中,不可缺少的阻挡层。在这里,30 nm的氧化钼(MoOx)层可以作为空穴收集的缓冲层,并在其上淀积一层100nm的ITO,为金属化进程提供了横向传输。在有无光照情况下,对其进行I-V测试,获得了很好的整流特性,其中开路电压为821mV,短路电流为14.5mA/cm2,并且0.2773cm2的有效面积所产生的转换效率为6.2%。通过进一步对器件的外量子效率(EQE)的测量,他们发现,顶部电池在波长为400~460nm之间时,出现了70%的EQE峰值。从EQE测量中,得到底部电池的短路电流为13.7mA/cm2,同时,从测量中可以知道,波长大于500nm的光可以到达串联结构的底部电池,因为硅异质结电池展现了很好的表面钝化,并不依靠直接光谱来提高其收集效率。他们利用灰色过滤器来调整光照强度,从串联结构的EQE测量中计算出匹配的短路电流的数值,从而底部电池展现出689mV的开路电压以及76.7%的填充因子。

从晶硅的光生伏特角度来说,顶部电池远远不能足够有效以及透明,进而无法使它的效率追赶上最先进的晶硅电池。顶部电池主要受以下两个方面的影响:(1)由透明电极MoOx/ITO导致的短路电流(光捕获能力弱)、开路电压(溅射导致的损害)以及填充因子(串联电阻的增加)的损失。(2)顶部电池的寄生吸收。由于实验所得的I-V曲线展现出很好的结特性和整流特性,因此,Philipp Lper等指出,进一步优化实验过程和材料,很可能提高顶部电池的Voc和FF,使电池的性能提高到最先进的水平。

图2钙钛矿叠层电池的J-V曲线,EQE曲线:单片集成串联电池的曲线(a,b)[47],机械堆叠串联电池的曲线表示(c-f),其中(c,d)的底部电池为CIGS太阳电池[24],(e,f)的底部电池为c-Si太阳电池[31]Fig.2 Current-voltage and quantum efficiency curves of perovskite tandem solar cells.Curves of monolithically integrated tandem solar cells(a,b)[47].Curves of mechanically stacked tandem solar cells(c-f).The bottom cells in(c,d)are CIGS solar cells[24],and in(e,f)are c-Si solar cells[31]

综上总结,钙钛矿叠层电池的根据结构的不同可分为单片集成串联和机械堆叠串联。同使,又由于底部电池选取的不同,导致钙钛矿叠层电池的J-V曲线以及EQE曲线产生很大差异。如图2所示,通过对曲线图的分析,能够得出器件的重要参数以及各部分的性能。

以钙钛矿电池作为顶部电池的叠层太阳能电池的电极是提高电池性能的关键。由于钙钛矿溶剂的温度特性,蒸发特性等因素,在电极的淀积过程中,钙钛矿材料容易受到损坏,因此在电极的选取,工艺制备等方面需要不断改进、创新。

为了确保钙钛矿串联电池的透明度,一个透明的顶部电极是非常必要的。首先,顶部电极必须具备高的透明度,在600~1000nm的窗口层,钙钛矿材料不能吸收所有的光,并且底部电池必须要有有效的外量子效率。为了尽量地降低钙钛矿太阳电池产生的大电流密度损失,透明电极必须具有高的横向传输性能。因此,透明电极的表面电阻最高为10Ω/□[58]。其次,也是最重要的,电极的淀积过程必须对钙钛矿材料无损伤或者损伤最小。基于这些条件,银纳米线(AgNW)材料以其表面电阻小,光传输能力强等特点[59,60,61,62]受到了Colin D.Bailie的关注。Colin D.Bailie[24]使用AgNW网格电极做为四端口串联电池的背电极,并且提出在室温、无溶剂的情况下,对电极沉积的新方法。在接下来的实验中,由于底部电池的不同,他们分别取得了17.0%和18.6%的转换效率。另一个使用AgNW电极的钙钛矿串联电池的例子是Jonathan P.Mailoa[47]制备的二端口串联电池,且获得了13.7%的转换效率。

近期,基于氧化钼(MoOx)作为空穴收集者的硅异质结太阳电池[63]和钙钛矿太阳电池[64]受到了一定的关注。实验证明,这种空穴收集材料具有高透明度,并且对下边的活性层并没有溅射损伤[63]。Philipp Lper[31]通过实验,将一层100nm的ITO薄膜覆盖在一层30nm的MoOx薄膜上,以MoOx作为空穴收集缓冲层,进而为金属化进程提供了横向传输。将MoOx/ITO透明电极作为背电极,用在以钙钛矿作为顶部电池,硅异质结为底部电池的四端口串联太阳电池中,能够取得13.4%的光电转换效率。

基于钙钛矿的串联电池结构,用透明接触代替金属接触,使得低于钙钛矿材料带隙的光子能够传输到底部电池,是电池性能提升的一大挑战。Lukas Kranz等通过分析Colin D.Bailie等使用的AgNW电极,得到AgNW在应用上是复杂多变的,不仅会导致短路,而且也会出现不完全传输的现象,进而导致了效率的分散[24]。因此,Lukas Kranz等[65]使用了一种新的透明导电氧化物(TCO),即ZnO∶Al。为了尽可能降低对空穴传输层以及光吸收层钙钛矿的损伤,他们采取了轻缓的ZnO∶Al淀积过程,制作出具有FTO/TiO2/mp-TiO2∶CH3NH3PbI3/spiro-OmeTAD/MoO3/ZnO∶Al/Ni-Algrid/Mg-F2结构层次的钙钛矿太阳电池,并结合CIGS底部电池,得到四端口串联电池的效率高达19.5%。

通过以上几种透明电极在钙钛矿串联电池中的应用,可以总结得到表1的数据。这些实验研究的不断突破,为钙钛矿串联电池未来的发展带来了希望。

4 展望