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太阳能电池精准测量Perovskite Si Tandem Solar Cell Organic Photovoltaic

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

  在过去十年间,钙钛矿及有机太阳能电池的效率实现了突飞猛进的增长,然而其效率测试方法与晶硅电池的光谱响应存在明显的光谱失配差异问题,为避免测量结果误差,我们对钙钛矿、OPV等新型太阳能电池进行精准测量时需要考虑测试的反应时间、光谱失配修正、光源光强校准等因素,从而减少测试误差与不确定度。
  与钙钛矿螺旋式效率提升的发展一样,钙钛矿的精准测量也是科研工作者在不断试错中成长、收获、前进。接下来,和我们一起回顾十年来钙钛矿及OPV太阳能电池精准测量重要性的发展历程和高光时刻吧。

01. 误打误撞的缘起

  2017年,由两个ISO认证实验室(CSIRO, NREL)与其他8个无ISO认证实验室(器件实验室) ,以NREL测试结果为基准值发表在GMCA上的一篇文章。

CSIRO Nrel laboratories

  通过对比,我们可以发现传统晶硅电池结果的差异大概在3.8%左右。但是针对反应速度比较慢的钙钛矿电池,上述实验室间的差异可以高达35%,这个错误的结果最终会导致钙钛矿在开发过程中遵循错误的路径,最终影响产业的发展,这为后续行业内钙钛矿及OPV精准测量方法的推进工作埋下了伏笔。

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 STC PSC OPV comparision

02. 不断试错的成长

  其实,从2006年的OPV崛起开始,大家就非常关注钙钛矿精准测量重要性这个问题,2010年因迟滞效应崛起的钙钛矿更使它受到了广泛的关注。

  在2014年,Nature刊发了三篇文章来说明这个议题的重要性,文章主要介绍了不准确的测量结果会误导研究的方向,进而阻碍太阳能电池的发展。

Nature Materials

  到了2015年,Nature全系列期刊都要求投稿作者要提供「Solar Checklist」,目的是为了避免不正确结果的刊登影响Nature本身的声誉以及该领域的发展。这篇文章要求投稿者要详细记录在实验室中测试的相关条件,核心目的就是要确保发表的数据可被重复,所以我们可以看到精准测量在指标期刊发表的重要性。

Solar Checklist

   现在,不管是钙钛矿电池还是有机太阳能电池,投稿Nature系列的期刊都需要提供前文提到的「Solar Checklist」。例如,2019年游经碧老师的钙钛矿太阳能电池和2019年侯剑辉老师的有机OPV的结果皆可看到他们所提交的「Solar Checklist」。

journal with Solar Checklist

03. 躬身前行的标准

  回到本文开篇所提到的35%测量差异问题,究竟是什么原因造成钙钛矿电池/OPV电池与传统晶硅电池的测试在不同时间有这么大的差异?

这其中有四个方面的显著差异:

  1. 首先是光谱响应范围,晶硅电池光谱响应到前1100nm,而钙钛矿与OPV目前在800nm~900nm左右。

  2. 其次是外观不同,一个是在硅片上面,一个是在玻璃基板上面。

  3. 第三是外部电路的连接方式不同,一个是substrate,另外一个是superstrate。

  4. 第四则是内部的电荷传输机制不同,其中OPV主要是以激子的方式来做电荷传输。

那么该如何精准测量钙钛矿和OPV呢?

  首先,我们可以先看这篇UCLA在2006年所发表的文章。它可以说是OPV领域第一篇系统性探讨精准测量的文章。2006年是PCBM的年代,效率刚刚突破了4.7%,那时候对OPV精准测量的相关知识非常的少,所以UCLA和NREL就合作写了这篇论文,在论文当中报告了如何精确地校准模拟器,以及如何利用光谱失配对OPV进行精准测量。

UCLA accurate measurement and characterization of organic solar cells

  如果我们希望精准测量钙钛矿和OPV的电性特征曲线,包括转换效率η、短路电流、短路电流密度、开路电压、填充因子等,那么就必须在 标准测试条件(STC)下测量。由下面这个效率的公式可以得知影响精准测量的因素。转换效率η是由最大功率除以输入的照射光强度,在STC条件下照射光强度是1000 W/㎡,把最大功率展开就是电流乘上电压乘上填充因子,再除上器件的面积。

Standard Test Conditions formula

根据这个公式可以看出,影响精准测量的因素除了STC条件,还有定性的测试、器件的面积和光强的校准。

STC条件及其意义:

  • STC即Standard Test Conditions。
  • IEC 60904-1 标准规范了所有光伏组件或是任何种类的太阳能电池的测试条件,都必须在STC条件下。也就是在AM1.5G太阳光光谱、照度强度为1000 W/㎡的光照射条件下,将待测样品温度控制在25±1℃内,方能进行电流电压与最大功率测量。

  光谱、辐照强度、温度,这三个因素都会显著的影响太阳能电池输出的最大功率,因此,要让不同地点、不同时间等测量的结果具有可比性,就需要规范一个大家都认可与遵守的测量条件,STC标准应运而生。

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