Previous
Next

We Make Sensors Better!

It is all about light. 

Indoor-Photovoltaic measurement method

科学专栏

2021侯剑辉、高峰Joule最新發布4個室内光伏精准测量方法

2021 Joule_Hou Jianhui and Gao Feng _ Latest Accurate Indoor-Photovoltaic Measurement Method

第一作者: 崔勇

通讯作者:高峰侯剑辉

DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.029

Contents

本文亮点

1. 针室内光伏电池测试,常见的5种测量误差进行说明与实验评估。

2. 本文提出4个室内光伏精准测量的实用建议。

3. 文中强调光谱仪在测量室内光光强度方面比传统照度计(Lux meter)更可靠。

4. 通过采用本文中建议的方法,可以可靠地评估 PCE 结果,确保光伏电池在室内应用的健康发展。

前言

  2020年5月,Joule杂志发表了中科院化学所 侯剑辉研究员与 瑞典林雪平大学 高峰教授最新的室内光伏精准测量方法的研究成果。针对身具潜力的室内光伏候选者-有机光伏 (OPV) 电池,来系统性研究测量误差的起源。文中测量了常用光源的时间稳定性和空间均匀性,以评估其可靠性。并且发现光谱仪在测量室内光的光强度方面比照度计更可靠。也发现室内光的非平行性是造成测量误差的主要原因之一,面积较大的电池更适合进行室内光伏测量。此外,杂散光对室内光伏测量的准确性也有显著影响,因此必须仔细消除由掩模板和其他测试工具的散射光。最后,作者提出了一种可行的测量方法来可靠地评估室内应用的 OPV 电池的 PCE。

背景介绍

  近年来,人们越来越关注探索将人造室内光有效转换为电能的光伏电池,因为它们为驱动室内应用的微功率电子设备提供了一个有吸引力的机会。 随着手持式装置以及可穿式电子产品与IoT的迅速发展,数百亿个低功耗室内应用的电子设备需要大量的离网电能。太阳能电池已经证明可有效将室内环境中低强度光能转换成微瓦到兆瓦等级的装置,被公认是驱动低功耗电子设备的理想选择。

  这也让新兴的太阳能电池技术得到了蓬勃发展的新应用机会。其中有机太阳能电池(OSC)与钙钛矿太阳能电池(PSC)已被证实在低照度、室内光的环境下,具有更高的发电效率。随着这一领域的快速发展领域,开发可靠的测量协议至关重要,以便可以在室内照明下准确评估光伏电池的转换效率。

  文中分析了5个常见的误差来源:

  1. 光源时间稳定性引起的测量误差
  2. 光强测量方法引起的测量误差
  3. 光源空间均匀性引起的测量误差
  4. 光伏电池边缘效应引起的测量误差
  5. 杂散光引起的测量误差

  更多细节在这篇文章的内容中有描述。

根据上述误差来源的研究,本文针对室内光伏准确测量提出了4个实用建议:

光源的要求:

  用于家庭照明的白光 LED 和 荧光灯管FL在仔细评估时间不稳定性和光强分布均匀性达到要求后,才可用作室内光伏的光源。光源的的时间不稳定性与空间分布均匀性要求,可以参照IEC 60904-9 AAA级太阳模拟器标准。其中室内PV测量用光源的时间不稳定性应<2%。PV特性应在光强空间分布不均匀度<2%的照明区域进行测试。

应使用掩模板进行IV测试:

  掩模板应尽可能薄,与电池的透明基板尺寸相同或更大,并需要进行抗反射处理。孔径面积应略小于电池的不透明金属电极。文中举例,9 x 9 mm2 孔径适用于 10×10 mm2 电池。

使用幅照度光谱仪进行光谱的测量与光强度的校准:

  光谱辐照度和光强度应由精确的光谱仪来校准标定,不可使用传统的照度计来进行标定,会产生极大的误差。光谱仪的操作应注意:

(1) 余弦收集器不能被污染;

(2) 探头应放置在样品待测的位置进行光强度与光谱的测量;

(3) 探头的平面应与待测电池的平面保持相同的水平;

(4) 光谱仪需要每年(12个月)校准一次,以保持测试的准确性。

Jsc(EQE)与Jsc(IV)的比对差异< 5%,以验证测试的结果:

  EQE 定义为输出电子数与入射光子数之比。 Jcal 可以通过 EQE 曲线和光子通量光谱计算。

公式如下:

Jcal EQE curve and photon flux spectrum

  因此,可以利用EQE的测试结果对室内光源的光谱(由光谱仪测得)进行积分计算得到Jcal也就是Jsc(EQE),来验证PV在室内光下IV测量的Jsc(IV)进行比对,两者的差异应小于5%。因此,PV的EQE曲线和入射光的幅照度光谱是精准测量必要的。

图表解析

PV measurement and light source Diagrams

图 1. PV测量与光源对比示意图。

(A) PCE 测量的典型设置示意图。 (B) 6,500 K LED 灯泡和 6,500 K FL 萤光灯管连续工作 3 小时的照度图。调整光源与高精度光谱仪的距离控制初始照度值为500 lux,连续监测照度值。(C) 三个照度计和光谱仪在 6,500 K LED 灯泡和 6,500 K FL下的照度比较。照度计和光谱仪的传感器放置在同一位置。

Light Power Distribution (LPD)

图 2. 光功率分布(LPD)。

6,500K LED灯泡的LPD。测量中心位于光源中心正下方。 H 是光源与水平面(X 和 Y 方向)之间的距离。 D 是 LED 灯泡的直径。光谱仪在 20 x 20 cm2 的水平面内在 X 和 Y 方向上以 1 cm2 的步长手动移动测试。

Schematic diagram of the cross-section

图 3. 器件横截面示意图与入射光线的路径图。

  器件的透明基板的厚度明显大于电池的厚度。粉色矩形代表透明电极;绿色矩形代表活动层;为清楚起见,省略了界面层;银色矩形代表金属电极。右侧显示的是 (1) 来自面罩的反射光(红线); (2) 来自测试夹的反射光(蓝线); (3) 来自测试盒的反射光(绿线)。

EQE spatial distribution diagram of device

图 4. 器件EQE的空间分布图。

(D) 不带屏蔽的 9.80 mm² 器件的EQE空间分布图。白色范围内的 EQE 值约为 85%。

(E) 不带屏蔽的 1.07 cm2 设备的EQE空间分布图。白色范围内的 EQE 值约为 85%。

OPV device architecture and the alignment of the mask

图 5. OPV 器件架构和掩模板对齐的示意图。

Comparison of device EQE curve and Jsc deviation

图 6. 器件EQE曲线图与Jsc差异比较。

(A) OPV 电池的 EQE 曲线。内图显示了 6,500 K LED 灯泡在 500 lux下的光子通量光谱。 EQE 测量系统的氙灯具有每 3 小时≤ ±0.5% 的不稳定性。 EQE 值的不确定度在 400-940 nm 范围内≤ ±2.8%。

(B) 电池主动区面积对 Jsc 的影响。(C) 孔径面积对 Jsc 的影响。

(D) 掩模板反射光对 Jsc的影响。测试箱的反射光被黑色挡板挡住。所有标准偏差约 ± 0.5。

(E) 测试盒示意图。为了消除其他光源的影响,在黑暗的测试箱中进行测量。

(F) 杂散光对 Jsc 的影响。从左到右,标准偏差为 ± 0.5、± 0.6 和 ± 0.5。

SC_Joule_Hou Jianhui OPV cells performance parameters under 6500K LED at 500lux

图 7. OPV 电池在 6500K LED 500lux 下的性能参数。

对应的 Pin 为 167 uW/cm2。 这也显示了 Jcal,它来自 EQE 与 LED 辐照度光谱的积分计算。

  Jcal 或 Jsc(EQE) 是从 EQE 光谱中获得的,它是 EQE 光谱与室内灯辐照度光谱的积分。 EQE 曲线均由 Enlitech 的 QE-R 量子效率系统测量QE-R量子效率系统的精度性能与该表中的Jsc(IV)非常吻合。 Jsc(IV)和Jsc(EQE)的偏差为2%~3.2%,达到期刊接受要求5%。

小结

本文设计了一系列实验来分析室内光伏测量误差的来源。文中证明,只要在测量前检查

  1. 常用 LED 或 FL 光源的时间稳定性
  2. 光强空间不均匀度

就足以用于 PV 测量。光谱辐照度和光强度应由精准的光谱仪校准,不应使用照度计。在评估电池的面积和孔径与电池的面积比后,文中建议孔径稍小的 1 cm2 或更大的电池适合 PV 测量。为了尽量减少杂散光的影响,在PV测量中应仔细消除由环境引起的光反射和散射。文中提出了一种实用的方法来评估用于室内应用的光伏电池的 PCE。通过采用文中建议的方法,读者可以可靠地评估 PCE 结果,确保光伏电池在室内应用的健康发展。

文献讯息

Accurate Photovoltaic Measurement of Organic Cells for Indoor Applications

Yong Cui, Ling Hong, Tao Zhang, Haifeng Meng, He Yan, Feng Gao, Jianhui Hou  

DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.029

推荐仪器

Indoor light simulator and
  • ILS-30 可提供三种不同色温(3000K, 4000K, 5500K)光源,涵盖的光强由250lux~1000lux的室内环境光强。
  • HS-IL 是专为室内光光谱与光强精准测量的高灵敏度光谱仪,除精准测量低照度光谱外,自带软件可针对输入的EQE光谱,对测得光源光谱实时计算Jsc(EQE)。是您精准室内光测量的最佳伙伴。
SS-X Solar Simulator

SS-X 模拟器 是一款A+光谱等级的超级太阳光模拟器:

  • 具备更低的光谱失配误差,数据更好更准确,文献发表没困扰。
  • 自动变光强测试分析理想因子n与更高的1sun。
  • 更高的1sun维持工作时数与更简便的操作与维护。
PV/ Solar Cell Quantum Efficiency Measurement Solutions

可信赖性

  • 拥有ISO17025 量子效率光电校正实验室认证之设备制造商。
  • 国际期刊提及之设备制造商。
  • 量子效率量测仪出货量超过五百台。
  • 测量结果大量被高引论文及高影响因子期刊采用。

专业服务

  • 超过十年钙钛矿和有机太阳能电池测量经验。
  • 仪器具有数据验证分析功能,协助课题团队快速的针对量测数据分析实验结果,在文章发表上可精准的提出研究方法及机理。
  • 与太阳能电池类文章顶刊发表需要用到的量测结果检核表同步,学生发表文章不烦恼。

Leave a Reply

Scroll to Top
Join Our Newsletter
Subscribe now to Enlitech Light Simulator and Quantum Efficiency newsletter.