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PCE 單結電池JV與EQE精準測量與比對 Accurate Measurement on JV Curve and EQE in a Single junction Solar Cell

单结电池 JV 与 EQE 精准测量与比对

  2020 年 12 月,顶刊《科学》杂志刊登了德国海姆霍兹柏林材料所(HZB)的钙钛矿 / Si 串联太阳能电池,认证效率达到 29.15%。这个消息炸裂了整个光伏圈!这个效率不但超过了英国牛津光伏(Oxford PV)公司的 28% 效率记录,同时代表着光伏技术迈向 30% 的重要一步。

  我们观察过去五年相关论文发表的数据,发现了重要太阳能电池效率突破的研究成果,能否发表在顶级期刊上,有三个重要趋势:

  1. 提供第三方的效率认证证书
  2. 提供 Jsc(IV)与 Jsc(EQE)的比对差异
  3. 提供效率统计数据分布图

  2020 年 HZB 发表于 Science 期刊内文中,也符合了这三个要件。其中当然地也提供  Jsc(IV)与 Jsc(EQE)的比对差异(<5%)。

  本文将介绍过去精准测量的痛点与历史、为什么要比对 Jsc(IV)与 Jsc(EQE)、如何精准的测量 Jsc(IV)与 Jsc(EQE)、以及比对成功案例的介绍。

内容

精准测量 PCE 的倡议历史

  OSC自2006年起就开始关注此问题。有机太阳能电池OSC随着 OLED的发展,2005年后也开始受到关注。2006年,P3HT:PCBM 体系的 OSC 效率突破 4.7%,带动了这个领域的发展。对于精准测量PCE的重要性随着研究热度的增长,也逐渐被大家意识到其重要性。2006年UCLA与NREL合作发表在Advanced Functional Materials期刊上的OSC精准测试方法,是第一篇系统性探讨精准测量OSC的文章。文中提出了太阳光模拟器的校准、参考电池挑选、以及光谱失配误差的修正等重要观念。

精準測量有機太陽能電池 Accurate Measurement Organic Solar Cell

第一篇系统性探讨精准测量有机太阳能电池OSC的论文,2006由UCLA材料系Yang Yang教授团队与NREL团队合作撰写发表。(https//onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.200600489

  PSC精准测量备受关注。PSC钙钛矿太阳能电池2010年崛起,其发展速度惊人,高效率PCE为其带来更多的研究投入。因迟滞效应,钙钛矿太阳能电池准确测量的问题更是备受关注。光伏研究社群倡议重视精准测量。2014 Nature杂志连续刊登了三篇文章,倡议钙钛矿精准测量PCE的重要性。其倡议的观点是,PSC钙钛矿太阳能电池与OSC有机太阳能电池都深具大规模商业化的潜力,但是在发展的过程中,错误的PCE效率报导,将会误导领域发展的方向,更耽误了其大规模商业化的路程。

PCE 單結電池JV與EQE精準測量與比對 Accurate Measurement on JV Curve and EQE in a Single junction Solar Cell

2014年Nature 杂志刊登了三篇文章,倡议精准测量PCE的重要性。

  2015年Nature Group发布「A Solar Checklist」。紧接着,Nature Group为了避免不正确的结果刊登,影响该期刊的声名与该领域的发展,发布了「A Solar Checklist」自检表,要求投稿旗下所有期刊的作者,依照自检表上所要求的项目,提供相关与足够的信息。自检表主要是要求投稿作者,详细描述在自家实验室测试太阳能电池的相关条件,其核心目的是为了确保所要发表数据的可被重复性。有此足见,精准测量的要求,在指标期刊发表的重要性。相关详细讯息,可关注光焱科技近期将发表的文章「国际期刊投稿必备!钙钛矿太阳能电池论文检核表」。

A Solar Checklist Organic Solar Cell 單結電池JV與EQE精準比對

Nature Group于2015年发布的「A Solar Checklist」,要求太阳能电池相关研究论文于投稿阶段,同时填写并递交此讯息列表,以帮助提高论文结果的可重现性与相关透明度。

  2020年Cell Press发布「PV Checklist」。在今年2020年9月,Cell Press旗下能源领域的重要期刊Joule,除了在ISI公布最新期刊影响因子中,由2019年的15.04暴涨到27.05,晋升能源领域的顶级旗舰期刊外,同时也发布了「PV Checklist」。要求投稿到旗下其刊的太阳能电池论文,都需填写「PV Checklist」。而这份文件的要求内容,相较2015年Nurture Group 的「Solar Checklist」又更加的严谨,需提供的测试条件信息,要求更加的全面;同时,加入了校准溯源的新的要求与概念。光焱科技现在已经提供了系统用户相关的响应信息,协助客户能够快速并且真确的提供自检表上所要求的所有讯息,若有需要可以来信咨询相关信息(PV Checklist; qeservice@enli.com.tw)。

PV Checklist Organic Solar Cell 單結電池JV與EQE精準比對

Cell Press于2020年发布的「PV Checklist」。所需提供的测试条件信息,更加的全面,同时,加入了校准溯源的新的要求与概念。光焱科技现在已经提供了系统用户相关的响应信息,欢迎光焱的客户来信咨询相关信息(PV Checklist; qeservice@enli.com.tw)。

PCE效率创高,刊登在顶刊的三要件

  太阳能电池 PCE 数据的准确性与可信任性,已经是否能发表在顶级能源期刊的关键。我们观察过去五年相关论文发表的数据,发现到重要研究成果能否发表在顶级期刊上,有三个重要趋势:

  1. 提供第三方的效率认证证书
  2. 提供 Jsc(IV)与 Jsc(EQE)的比对差异
  3. 提供效率统计数据分布图

  2020 年 HZB 发表于 Science 期刊内文中,也符合了这三个要件。其提供了 1. 德国 Fraunhofer ISE 的第三方效率认证证书;提供 2. Jsc(IV)与 Jsc(EQE)的比对差异;同时也提供了 3. 效率统计数据分布图。

Perovskite Jsc(IV) Jsc(EQE) 單結電池JV與EQE精準比對

HZB 于2020年发表在Science期刊近30%转换效率的钙钛矿太阳能电池,于文中提供的 Jsc(IV)与 Jsc(EQE)数据。再次显示两者的比对数据,已是顶刊投稿的必备条件。

  HZB的高效率与准确的测量结果,也展示在Jsc(IV)与Jsc(EQE)的比对误差在5%之内。本文中我们将介绍过去的痛点、精准测量的元素归纳、相关解决方案、成功案例的介绍。

过去的痛点

  过去突破性的PCE数据难以被重现。15年前在有机太阳能电池OSC与钙钛矿太阳能电池PSC发展初期,报导了许多PCE效率突破的结果,但却有许多的结果,难以被其它同领域的研究实验室重复。先撇开道德疑虑或造假的猜疑,这个现象凸显了在过去的那个时期,整个太阳能电池研究社群都缺乏太阳能电池精准测量的相关知识,同时也缺发合适的设备与方法

  随着对这些无法被重复的结果进行研究,大家对于如何正确的评价、测量太阳能电池的方法与相关合适的设备,逐渐了解。论文研究总是先于国际测试标准,随着相关研究的成熟与周延,对于这些正确的测试方法与设备,就形成了测试标准并获得国际认可。国际电工委员会所制定的IEC 60904系列,针对地面型光伏测试标准,就是一个最好的例子。 这个系列标准:

  • IV测试的方法 (IEC 60904-1)
  • 标准电池的封装要求 (IEC 60904-2)
  • 标准太阳光光谱的定义 (IEC 60904-3)
  • 光伏测试领域的溯源方法 (IEC 60904-4)
  • 光伏电池开路电压的温度系数修正方法(IEC 60904-5)
  • 光谱失配的修正(IEC 60904-7)
  • 光谱响应的测量方法与装置(IEC 60904-8)
  • 太阳光模拟器的分级标准(IEC 60904-9)

  从方法到设备,经过15年光伏社群的的群策群力,不断的修缮、改进标准的内容,目前已经能够提供整个光伏社群一个准确测量体系的依靠。

为何要求Jsc(IV)与Jsc(EQE)的比对 ?

  虽然,相关测试规范已趋于成熟,但随着光伏研究领域的发展,不准确的测试结果仍普遍存在,主要来自于光伏社群对于精准测试的知识仍不普及与不熟悉。

IV测试仍存在许多人为误差的可能。

我们的经验,在一般研究实验室测试效率的误差来源,常见的有:

  • 面积误差:根据PCE的定义,计算PCE时,需要带入待测样品的面积。而5%的相对面积差异,就会造成5%的PCE相对差异。由于蒸镀金属屏蔽的阴影效应(shadow effect),造成实际样品的主动区域面积,会跟设计的屏蔽开口面积有差异,实验室也缺乏准确测量面积的设备,而这也是实验室测试PCE最常发生的误差来源。再者钙钛矿太阳能电池与有机太阳能电池样品结构的特性,玻璃基板亦具有侧向光电流误差以及多重光导产生侧向光电流的误差。因此,采用不透光的金属屏蔽来定义样品的主动面积,以确保PCE测试结果准确,已经是国际同行以及第三方效率认证机构认同并强制执行的方式。
  • 模拟器光强度人为校正误差:在IEC 60904-1中,已经定义了太阳能电池的评价标准是在STC条件下,也就是在25°C、5G标准光谱、1000 W/m2强度下,进行IV测试并计算其最大功率与转换效率。而许多实验室忽略光谱误差,或没有正确的太阳光模拟器校正知识。例如,未挑选合适的标准电池(封装样式与降低光谱失配误差; IEC 60904-2、IEC 60904-7)、不知如何摆放与使用标准电池来正确校正太阳光模拟器(IEC 60904-1)、标准电池没有合格的第三方校准报告(依标准,需一年一校,IEC 60904-4)等等,都会造成模拟器光强度的误差。若是负偏离,也就是光强小于1000 W/m2,测试的PCE结果就会较低;相反而言,若是正偏差,光强就会大于1000 W/m2,测试的PCE结果就会虚高。虚高了5%光强,PCE也会相对虚高了5%,形成效率突破世界纪录的假象。

若是不正确的PCE结果被刊登,就会造成前述的状况,将整个研究领域,带往错误的研究方向,影响整个领域的发展。

Jsc(EQE)的不确定度低,可以用来验证 IV 测试结果的 Jsc(IV)

  如何避免上述不正确的 PCE 结果被误用刊登呢?前面提到,可以将实验成果,送第三方认证实验室进行测试,并出具符合国际规范的测试报告,确保实验结果的真确性与可被重复性。另外,Jsc(EQE)与 Jsc(IV)两者的比对,也是必要的自我检核,与在同行评审时,非常重要的数据。以下是两者的定义:

Jsc(EQE)太阳能电池的EQE量子效率光谱(一般是300 nm ~ 1100 nm)对 AM1.5G 标准光谱(IEC 60904-3)进行积分。EQE 光谱可以转换成光谱响应 SR(𝜆)其单位是 Amp/Watt;而 AM1.5G 光谱的单位是Watt/m2。如此,所积分出来的单位 Amp/m2,就是电流密度单位。而 EQE 量子效率光谱是在短路条件下(太阳能电池两端端点电压为 0V 称为「短路」),因此,称为 EQE 光谱在 AM1.5G 光谱下的积分短路电流密度 Jsc(EQE)。

Jsc(IV): 太阳能电池在 STC 条件下,所测得短路电流 Isc 再除上有效面积 A,所得到的短路电流 Jsc(IV)。

  在地表光伏测试溯源标准 IEC 60904-4 中,描述了溯源体系以及如何测量溯源。文中记载了德国国家计量局 PTB 所采用的绝对光谱响应法 [ Jsc(EQE)方法] 与日本 AIST 的太阳光模拟器法 [(Jsc(IV))],来分析与校正标准电池的短路电流。其不确定度评估表中,显示了 JscEQE)的不确定度较 JscIV)方法小

        而在实际的操作中,Jsc(EQE)测试的不确定度来源较少,主要在校准 EQE 设备的探测器不确定度及待测样品位置的调整。而 Jsc(IV)方式,其误差来源较多,包含模拟器的光谱误差、标准电池的校正不确定度、人为光强的调整、计算电流密度的样品有效面积A、待测样品位置的调整等等;需要注意的项目较多。虽然,在一般实验室的操作测试,我们无法说 Jsc(EQE)一定比 Jsc(IV)来的准确,但是我们可以很肯定的说,JscEQE)人为操弄的误差绝对比 JscIV)来的少很多

        EQE 技术的缺陷,在于仅能表征太阳能电池在短路条件下的光谱响应,进而得到短路电流密度,无法得到太阳能电池的最大功率点,这是 IV 测量无法被取代的原因。但是,Jsc(EQE)的数值,却可以用来再次确认 Jsc(IV)的准确度,进而确保整个 IV 曲线的可信度。如此,由  IV  曲线得到的 Pmax 与加上面积A计算得到的 PCE 的真确性,可以获得保障。这也是在顶级期刊的同行评审过程中,十分重视并且要求必须提供 Jsc(IV)与 Jsc(EQE)数据比对的原因。

Jsc(IV)与Jsc(EQE)的比对误差范围

  依据不确定性原理,所有精确的测量,终究还是会有误差。因此,科学家发展了「不确定度分析方法」,并且制定了标准(ISO GUM)来检测结果的误差。因此,同一个太阳能电池,Jsc(IV)与  Jsc(EQE)数值,不可能完全一模一样,否则不就「很假」?因为违反了不确定性原理!那么两者的比对差异要在哪个范围才是可以被接受的呢?

  考虑这两者测量技术的不确定度,与落实在一般研究实验室的人为操作误差,Jsc(IV)与 Jsc(EQE)在学术期刊投稿过程中,同行评审的接受范围,是 Jsc(IV)与 Jsc(EQE)两者数值差异在 5% 内,即在可以接受的范围。在 3% 的差异内,即是非常好的结果,代表在测试过程中,测试的方法、设备与操作,都是有符合测试规范,才能得到如此不错的水平

如何精准测量 Jsc(IV)与 Jsc(EQE)?

  光焱科技在过去十年,致力于太阳能电池精准测量的方案开发。

PCE formula and STC test conditions 單結電池JV與EQE精準比對

PCE效率的定义公式与STC测试条件。

  不仅在设备上,我们针对精准Jsc(EQE)所开发的QE-R系统,以及精准Jsc(IV)测量所开发的SS-X系列太阳光模拟器与SRC-2020系列标准电池,已经获得超过1000篇SCI期刊直接引用。我们在测试方法上,也将实验室测试常发生影响准确测试的经验整理,不仅在公开研讨会上分享如何精准测量Jsc(IV)与Jsc(EQE),并且提供产品客户,在实验室里如何精准测量的相关教育训练课程。光焱科技还积极参与IEC的光伏测试规范委员会的会议,除了解最新测试规范的发展,也参与贡献相关的客户回馈经验。

System of Quantum Efficiency and SS-X100R Solar Simulator 單結電池JV與EQE精準比對

QE-R系统SS-X100R太阳光模拟器系统安装于客户现场照片。

成功案例(一)2019年23.32%世界效率的钙钛矿太阳能电池

  2019年中科院半导体所游经碧老师(Jingbi You)研究团队,发表了单结钙钛矿太阳能电池效率23.32%,在当时创下PSC世界纪录,并荣登NREL效率表。其使用的即是光焱科技的全套解决方案,包含EQE与IV测试的太阳光模拟器与标准电池等。

23.3% on Nrel's PSC efficiency Enlitech 單結電池JV與EQE精準比對

2019年PSC钙钛矿太阳能电池的世界冠军记录23.32%发表在顶级期刊Nature Photonics。使用光焱科技Enlitech的Jsc(IV)与Jsc(EQE)的测量软-硬件整合方案。

  如前述,发表顶级期刊必备的就是Jsc(IV)与Jsc(EQE)测试结果,两者的差异需要在5%以内。而游老师团队使用光焱科技Enlitech的Jsc(IV)与Jsc(EQE)的测量软-硬件整合方案,得到两者的差异值十分的优异,仅在1.6%

difference between JSC (SS) and JSC (QE) less than 1.6% 單結電池JV與EQE精準比對

游老师团队使用光焱科技Enlitech的Jsc(IV)与Jsc(EQE)的测量软-硬件整合方案,得到两者的差异值十分的优异,仅在1.6%

成功案例(二)2019年16%高效率有机太阳能电池

  2019年中科院化学所侯剑辉老师(Jianhui Hou)研究团队,发表了高效率16%单结有机太阳电池,也获第三方的效率认证,发表在Nature Communications。而侯老师研究团队采用的是光焱科技EQE与太阳光模拟器的整合测量方案。

over 16% efficiency organic photovoltaic cells 單結電池JV與EQE精準比對

2019年侯剑辉老师(Jianhui Hou)研究团队,发表了16%高效率有机太阳能电池于Nature Communications期刊上。文中也提供了Jsc(IV)与Jsc(EQE)比对的差异结果。

  如前述,发表顶级期刊必备的就是Jsc(IV)与Jsc(EQE),两者的差异需要在5%以内。而侯老师团队使用光焱科技Enlitech的Jsc(IV)与Jsc(EQE)的测量软-硬件整合方案,得到两者的差异值十分的优异,其差异 < 1%

difference between Jsc (EQE) and Jsc (IV) less than 1% 單結電池JV與EQE精準比對

使用光焱科技QE-RSS-X模拟器测试Jsc(EQE)与Jsc(IV),发表16%高效率有机太阳能电池IV与EQE短路电流密度比对差异在1%内,较一般期刊要求差异在5%以内,优异许多。

Jsc(IV)准确测试

  如前述以及PCE的公式,相关影响PCE结果的主客观因子相当多。我们把相关的理论与实务经验,整理出了三个分类、六个因子,主要会影响Jsc(IV)测量结果。读者只要根据这6个主要的影响因子,在测试过程多加注意,可以确保Jsc(IV)测量的准确性。也可以参考我们相关的文章「钙钛矿及OPV太阳能电池精准测量的十年:在试错中不断成长」以及「十年潜心磨一剑:EnliTech钙钛矿太阳能电池精准测量解决方案」,进一步的了解Jsc(IV)的准确测试内容。

单结电池 JV 与 EQE 精准测量与比对 HZB measurement error sources 單結電池JV與EQE精準比對

我们在理论与实务上归纳综整得到影响Jsc(IV)的三个分类与六个因子的误差来源图。

Jsc(EQE)准确测试

准确的Jsc(EQE)在于EQE光谱测试的准确性以及AM1.5G标准光谱的积分算法

  • EQE光谱测试的准确性:

EQE光谱准确的测试,有赖于可信任的EQE测量系统。一般实验室自己搭建或是某些厂商贩卖的EQE设备并没有依据国际标准来设计与搭建。我们先前谈到光伏测量的国际标准是历经15年的经验淬炼而成,依照规范可以减少许多已知的测量误差源。QE-R系统即是依照IEC 60904-8规范太阳能电池光谱响应与量子效率的测试方法与设备的标准规范来进行设计与制造。我们已经对此规范,做了详细的说明,有兴趣的读者可以期待我们接下来的文章:【国际标准】IEC 60904-8光伏器件光谱响应度测量规范(上)以及【国际标准】IEC 60904-8光伏器件光谱响应度测量规范(下)。

  • 对AM1.5G标准光谱的积分算法

EQE积分短路电流Jsc(EQE)是由EQE光谱对AM1.5G标准光谱各波长积分得到。EQE的测量,大多以10 nm为波长间隔,来进行全光谱的EQE测试。而AM1.5G光谱是IEC 60904-3上所载记得光谱,不同波段有不同的波长间据,如0.1nm在可见光波段及0.5nm在红外波段。而一般实验室在计算时,并没有注意到这个差异,造成积分计算上的误差。光焱科技的采用NREL积分计算软件嵌入在QE-R系统中,每当使用QE-R系统测试EQE光谱后,系统会即刻做波长的内差补偿与AM1.5G波长间隔差异,再进行全光谱积分计算,得到最准确的积分短路电流密度Jsc(EQE)。

小结

  由HZB的高效率钙钛矿电池在Science杂志上的内容,我们可以了解到HZB团队扎实的理论基础、制程工艺能力,同时也了解到其对分析表征的重视。HZB使用了15种表征分析,其中12种是光学检测技术。其中也包含了本文所提的Jsc(IV)与Jsc(EQE)的比对,作为其突破性效率的重要证据。本文中我们将介绍过去的痛点、精准测量的元素归纳、相关解决方案、成功案例的介绍。

  光焱科技,一直引领高效率太阳能电池的测试技术发展。相关的产品技术以及延伸阅读可以参考以下连结。

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