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拥有A+级光谱的太阳光模拟器如何更精准评估钙钛矿太阳能电池? B SS X Cover

为什么最新的IEC 60904-9:2020标准为太阳能模拟器分类设置了A+级光谱?

拥有A+级光谱的太阳光模拟器如何更精准评估钙钛矿太阳能电池?

IEC(国际电工委员会)于2020年正式发布了最新的太阳能模拟器评估标准,即IEC 60904-9:2020。与之前的版本IEC 60904:2007相比,主要有三个不同之处:

  1. 它为光谱评估增加了300nm~400nm的光谱范围。
  2. 它改变了每个光谱带的波长范围。
  3. 它为太阳能模拟器光谱增加了新的A+光谱等级。

表1显示了IEC 60904-3中给出的新的全球参考太阳光谱辐照度分布,即波长区间对总辐照度的贡献。根据这些贡献率,IEC 60904-9:2020将太阳模拟器的分类定义为四个等级,A+、A、B和C,见表2。其中,A+级是IEC 60904-9:2020的新等级,与之前的标准IEC 60904-9:2007相比。

拥有A+级光谱的太阳光模拟器如何更精准评估钙钛矿太阳能电池? Table 1 AM1.5G reference solar spectral irradiance

表1. AM1.5G参考太阳光谱辐照度分布中不同区间对总辐照度的贡献。[IEC 60904-9:2020]

solar simulator classifications

表2. 太阳模拟器分类的定义。[IEC 60904-9:2020]

我们可以发现,对更好的仿真器光谱的要求是这次新修订的重点之一。主要是为了应对高效太阳能电池的大力发展,如过氧化物太阳能电池,更准确的光谱可以更准确地表征太阳能电池的转换效率。更准确的光谱含义包括更广泛的评价范围和更详细的分级带,可以更接近AM1.5G光谱。

Enlitech积累了十多年的人工光源建设经验,开发了SS-X系列,这是新一代的太阳能模拟器,符合最新的IEC 60904-9:2020标准。SS-X系列太阳能模拟器与AM1.5G光谱有更好的光谱匹配。根据IEC 60904-9:2020标准,光谱等级被归类为A+。更好的光谱特性可以帮助用户获得更精确的IV曲线和更好的光伏转换效率,从而加速用户的RD成果。

A+级和A级光谱

图1和表3显示Enlitech的 SS-X 太阳模拟器的光谱和其他制造商的光谱。

拥有A+级光谱的太阳光模拟器如何更精准评估钙钛矿太阳能电池? B SS X Figure 1 the irradiance spectra and AM1.5G spectrum comparison

图1. Enlitech的辐照度光谱的 SS-X 和其他品牌的太阳模拟器。还显示了AM1.5G的频谱,以供比较。

拥有A+级光谱的太阳光模拟器如何更精准评估钙钛矿太阳能电池? B SS X Table 3 The spectrum grades of solar simulators

表3. SS-X 和其他品牌的太阳能模拟器的光谱等级,根据IEC 60904-9:2020进行分级。

它表明,根据新的IEC标准,SS-X 在每个波段都有更好的光谱等级。每个波段的最大光谱误差小于9%(A+级的要求是小于12.5%)。与其他品牌相比,虽然每个波段都符合A级要求(25%的误差),但在772nm~919nm波段,误差高达21%。这个红外波段涵盖了许多新型太阳能电池的吸收带边缘,如过氧化物太阳能电池和有机太阳能电池,这将影响IV和转换效率的结果。因此,光谱匹配对于准确的光伏表征是相当重要的。

真实太阳能电池装置的验证

我们选择了一个稳定的装置,它的吸收带边缘和EQE曲线与有机和过氧化物太阳能电池相似。EQE曲线如图2所示,它是由Enlitech的QE-R EQE系统测量的。QE-R系统是目前世界上最好的EQE测试系统。它被许多国际光伏研究实验室采用。  在过去的五年中,有1000多篇SCI期刊点名引用了QE-R,特别是Jsc(EQE)的测试结果,得到了全世界专家学者的认可。

拥有A+级光谱的太阳光模拟器如何更精准评估钙钛矿太阳能电池? B SS X Figure 2 DUT EQE Curve

图2. 被测设备(DUT)的外部量子效率(EQE)光谱,其EQE响应与包晶石太阳能电池和有机太阳能电池相似。

如何验证不同模拟器得到的IV结果的准确性?

我们将采用向科学杂志投稿时最常见和最重要的方法。Jsc(SS)和Jsc(EQE)比较。Jsc(SS)代表在太阳能模拟器下测试的短路电流密度。Jsc(EQE)是在AM1.5G光谱下从EQE曲线中得到的综合短路电流密度。Jsc(EQE)的方法在IEC 60904-7标准中有详细的描述。Jsc(SS)和Jsc(EQE)之间的差异被视为光伏协会和期刊推荐人对可靠表征结果的判断。一般来说,如果Jsc(SS)和Jsc(EQE)之间的差异在5%以内,期刊的评审员会认为这是一个准确和可信赖的结果。我们将使用这种方法来验证A+和A太阳能模拟器光谱之间的差异。实验步骤描述如下:

  1. 一块 WPVS 型参考太阳能电池在 850nm 处具有吸收带边并由 NREL 校准,用于校准太阳模拟器的光强度。

  2. IVS-KA6000 IV软件用于控制SMU Keysight B2901来读取被测设备的电流-电压曲线。
  3. 铂温度传感器用于监测被测器件的温度变化,以尽量减少温度变化引起的误差。

IV曲线和太阳能电池性能显示在图3中。Enlitech SS-X50和其他品牌太阳能模拟器的短路电流密度分别为 22.388 mA/cm2 和 21/482 mA/cm2。两个太阳模拟器下的Jsc(SS)相当接近,但是哪个更准确呢?我们可以与 Jsc(EQE) 进行比较,这将表明哪个结果更准确。从图 2 可以看出,Jsc(EQE) 是由 AM1.5G 频谱从 EQE 曲线积分而来的,等于 22.44 mA/cm2。

拥有A+级光谱的太阳光模拟器如何更精准评估钙钛矿太阳能电池? B SS X Figure 3 The IV curves and solar cell performance parameters.

图3 IV曲线和太阳能电池性能参数。

拥有A+级光谱的太阳光模拟器如何更精准评估钙钛矿太阳能电池? B SS X Table 4 JscSS and JscEQE comparison table.

表4. Jsc(SS)和Jsc(EQE)对比表。

对比表显示了表4中的Jsc(SS)和Jsc(EQE)。从表4中我们可以发现SS-X50太阳模拟器下的Jsc(SS)与Jsc(EQE)非常接近。差异为0.11%,远小于其他品牌太阳模拟器下Jsc(SS)与Jsc(EQE)的差异(2.18%)。这是因为SS-X50的频谱等级为A+,与AM1.5G频谱有更好的频谱匹配。因此,它可以提供更准确的 PV 测试结果,而无需任何光谱失配校正。其他品牌的太阳模拟器光谱为A级。然而,712nm~919nm波段的光谱与AM1.5G光谱负偏差超过20%,这是Jsc(SS)与Jsc(EQE)有较大差异(2.18%)的主要原因。

从上述结果来看,如果测试程序进行得当,A+级和A级太阳模拟器都可以提供Jsc(SS)和Jsc(EQE)之间的小于5%的差异。然而,随着现代高效太阳能电池发展的竞争日益激烈,0.3%的PCE差异显得相当重要,这可能会创造新的世界纪录。因此,选择A+光谱级的太阳模拟器是必要和有价值的。

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