Photoelektrochemisches / Photovoltaik-System

Das Controlled Intensity Modulated Photo-Spectroscopie (CIMPS) System ist Zahners flexibles High-End System zur Charakterisierung photoelektrochemischen (PEC) und/oder photovoltaischen Systeme. Das CIMPS-System ist mit einer LED basierten Lichtquelle und einem aktiven Licht-Rückkopplungssystem ausgestattet. Das Rückkopplungssystem gewährleistet die Beleuchtung der Photoelektrode/Solarzelle mit einer genauen Lichtintensität. Die Rückkopplungsschleife ermöglicht die Verwendung von LED ohne Aufwärmzeit und dämpft den thermischen Drifteffekt während des Betriebs. Weitere Informationen über die Rückkopplungsschleife und ihre Vorteile finden Sie in der Application Note C in CIMPS.

6.1 CIMPS Setup

Das CIMPS-System besteht aus einem Hauptpotentiostaten (ZENNIUM PRO oder ZENNIUM X) und einem gesteuerten Potentiostaten (PP212). Der ZENNIUM Potentiostat ist mit der zu untersuchenden photoelektrochemischen Zelle oder Solarzelle verbunden, der PP212 kontrolliert Lichtquelle und Lichtrückkopplungssystem und steuert aktiv die Lichtintensität während der Messung. Abb. 1 zeigt die schematische Darstellung eines CIMPS-Systems.

Abb. 1: Schematische Darstellung des PP212 mit der Rückkopplungsschleife (links) und des ZENNIUM Potentiostaten mit der photoelektrochemischen Zelle (rechts).


Für die optimale Funktionsweise des CIMPS-System und für ähnliche Versuchsbedingungen bei verschiedenen Experimenten ist es notwendig, die Lichtquelle, den Rückkopplungssensor (Photodetektor) und die PEC-Zelle/Solarzelle jedes Mal im gleichen Abstand zueinander zu positionieren. Um reproduzierbare Bedingungen zu gewährleisten, wird das CIMPS-System mit einer "Abstandslehre" (Alignerbar) geliefert (siehe Abb. 2).

 
 
Abb. 2: Richtige Positionierung der PECC-Zelle, der Lichtquelle (monochromatische LED) und des Rückkopplungssensors mit der Alignerbar.

 

6.2 Kalibrierdatei

 

Zahner bietet zwei verschiedene Arten von LED basierten Lichtquellen an.

  • Monochromatische LED und
  • Durchstimmbare Lichtquelle (Tuneable light source: TLS)


Um eine optimale Betriebsqualität zu gewährleisten, wird jede von Zahner gelieferte Lichtquelle kalibriert. Beim Start der Thales Software (z.B. für IMPS/IMVS Messungen, CLV oder IPCE Messungen) wird die angeschlossene Lichtquelle automatisch durch die Thales Software erkannt und die richtige Kalibrierdatei für die Lichtquelle ausgewählt. Die Seriennummer und der Typ der angeschlossenen Lichtquelle werden oben in der Software angezeigt (siehe Abb. 3).
 

 
Abb. 3:Automatische Erkennung  einer angeschlossenen TLS03 (Seriennummer 1029) und Anzeige durch die Thales Software. 


Bei älteren CIMPS-Systemen ist die automatische Erkennung von Lichtquellen nicht verfügbar. In einem solchen Fall kann der Benutzer auf das Symbol "Calibration" (Kalibrierung) klicken und die entsprechende Kalibrierdatei für die Lichtquelle öffnen. Die Kalibrierdateien (Format: .is_) sind im Ordner C:\THALES\CIMPS verfügbar.

Weil die monochromatischen LED Plug & Play fähig sind, können sie zwischen zwei Messungen einfach ausgetauscht werden, ohne dass das gesamte CIMPS-System abgeschaltet werden muss.

6.3 Rückkopplungssensoren für den UV-, VIS- und IR-Bereich


Zahner bietet monochromatische LED im Wellenlängenbereich von 265 nm bis 1550 nm an. Kein einziger Photodetektor kann das Licht aus einem so vielfältigen Wellenlängenbereich optimal registrieren, daher bietet Zahner 3 verschiedene Sensoren für den UV (265 - 360 nm)-, VIS (360 - 1050 nm)- und IR (900 - 1550 nm) Bereich an. Bei der Verwendung verschiedener monochromatischer LED aus unterschiedlichen Lichtbereichen muss der richtige Rückkopplungssensor für die Wellenlänge der Lichtquelle gewählt werden.
 

 Abb. 4: Reproduzierbar positionierte  Photodiode in der Rückkopplungsschleife misst die Lichtintensität während einer Messung.

6.4 Durchstimmbare Lichtquelle (TLS)


Die durchstimmbare Lichtquelle besteht aus bis zu 29 LED, einer weißen Hintergrund LED, einem Monochromator und einem Rückkopplungssensor. Die TLS wurde für IPCE-Messungen entwickelt und ermöglicht eine deutlich höhere Lichtintensität über den gesamten Wellenlängenbereich als der traditionelle Solarsimulator mit einem Monochromator für IPCE-Messungen. Diese hohe Lichtintensität ist für IPCE-Messungen an DSSC oder organischen Solarzellen von großem Vorteil.

Abb. 5: Durchstimmbare Lichtquelle für IPCE-Messungen.


Im Gegensatz zu den monochromatischen LED wird die durchstimmbare Lichtquelle in einem Abstand von 1 mm von der Solarzelle oder dem PEC-Zellenfenster gehalten.  Im Falle der TLS ist kein zusätzlicher Rückkopplungssensor erforderlich (wie in Abb. 4 gezeigt), da die TLS bereits einen Rückkopplungssensor in seinem Gehäuse enthält.

TLS mit PECC-2 Zelle:

Wenn ein TLS in Kombination mit einer PECC-2 Zelle verwendet wird, ist die Beleuchtung von beiden Fenstern der PECC-2-Zelle aus möglich. Das bedeutet, dass die TLS zur Beleuchtung der Zelle von der Elektrodenseite oder der Elektrolytseite aus verwendet werden kann. Für die Beleuchtung von der Elektrodenseite aus wird die Standard TLS-Kalibrierdatei verwendet (TLS kalibriert für 1 mm Abstand). Wenn die TLS jedoch auf der Elektrolytseite platziert wird, ist eine zusätzliche Kalibrierung erforderlich. In diesem Fall werden die Lichtverluste durch Absorption im Elektrolyten und die Reflexionen an der Glas/Elektrolyt Grenzfläche berücksichtigt, und es wird eine spezielle Kalibrierdatei erstellt. In einem solchen Szenario muss die richtige Kalibrierdatei gewählt werden, um eine optimale Performance zu gewährleisten. Eine Kalibrierdatei für die elektrolytseitige Beleuchtung wird unter Nutzung der Seriennummer in dem Format 1029tls03-pecc.is_ benannt. Dabei steht 1029 für die Seriennummer der angeschlossenen TLS03. Für den Benutzer ist die Seriennummer unterschiedlich und befindet sich auf der Rückseite der TLS03. Die Notation "pecc" im Namen bezeichnet, dass die Kalibrierdatei für die PECC-2 Elektrolytseitenbeleuchtung definiert ist.
 

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