高效率钙钛矿太阳能电池的重大突破

2020年12月，顶尖期刊《Science》杂志刊登了德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究所（HZB）的钙钛矿/硅晶串接式太阳能电池，认证效率达到29.15%。这个消息震撼了整个光电领域！此效率不仅超越了英国牛津光伏（Oxford PV）公司的28%效率记录，同时也代表光电技术迈向30%的重要里程碑。 我们观察了近五年来在顶尖期刊上发表突破性效率的三个重要关键。分别是：

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

HZB在Science上发表的论文也符合这三项要求。文中Jsc(IV)和Jsc(EQE)的对比差异也不超过5%。为什么这件事情如此重要？ 本文将介绍近10年来精准测量的挑战与历程。同时也会说明为何比较Jsc(IV)和Jsc(EQE)在当前太阳能电池研究中扮演关键角色，以及如何精准测量Jsc(IV)和Jsc(EQE)。

精准光电效率测量倡议的历程

OSC自2006年起就开始关注此议题。有机太阳能电池OSC随着OLED的发展，2005年后也开始受到高度关注。2006年，P3HT:PCBM系统的OSC效率突破4.7%，带动了这个领域的蓬勃发展。对于精准测量转换效率PCE（Power Conversion Efficiency）的重要性，随着研究热度的提升，也逐渐受到大家的重视。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正、参考电池选用、以及光谱失配误差的修正等重要观念。

图1：第一篇系统性探讨精准测量有机太阳能电池OSC的论文，2006年由UCLA材料系Yang Yang教授团队与NREL团队合作发表。（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.200600489）

PSC在精确测量方面同样备受重视。钙钛矿太阳能电池（PSC）兴起于2010年左右，发展速度惊人，优异的PCE为该领域带来更多研究投入。由于迟滞效应的影响，钙钛矿太阳能电池的精确测量议题引起了更多关注。 光电研究社群倡议重视精准测量。2014年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。其诉求重点在于，PSC钙钛矿太阳能电池与OSC有机太阳能电池皆具有大规模商业化的潜力，但在发展过程中，不正确的PCE效率报导，不仅会误导领域发展方向，更会延迟其迈向大规模商业化的进程。

图2：2014年Nature杂志刊登三篇文章，倡议精准测量PCE的重要性。

2015年Nature Group发布「A Solar Checklist」。接着，Nature Group为避免不正确的结果发表，影响该期刊的信誉与该领域的发展，发布了「A Solar Checklist」自我检核表，要求投稿旗下所有期刊的作者，依据检核表上的项目，提供完整且充足的信息。自我检核表主要要求投稿作者，详细说明在实验室中测试太阳能电池的各项条件。其核心目的是确保所发表数据的可重现性。由此可见，精准测量在指标期刊发表时的重要性。

图3：Nature Group于2015年发布的「A Solar Checklist」，要求太阳能电池相关研究论文在投稿阶段，需同时填写并提交此信息清单，以提升论文结果的可重现性与相关透明度。

2020年Cell Press发布「PV Checklist」。2020年9月，Cell Press旗下能源领域的重要期刊Joule，除了在ISI公布的最新期刊影响因子中，由2019年的15.04大幅跃升至27.05，跻身能源领域的顶级旗舰期刊外，同时也发布了「PV Checklist」。要求投稿至该集团旗下期刊的太阳能电池论文，皆需填写「PV Checklist」。这份文件的要求内容，相较2015年Nature Group的「Solar Checklist」更为严谨，需提供的测试条件信息更为完整；同时，也纳入了校准追溯的新要求与概念。

图4：Cell Press于2020年发布的「PV Checklist」。所需提供的测试条件信息更为完整，同时加入了校准追溯的新要求与概念。

太阳能光电旗舰期刊发表效率突破的三大关键

太阳能电池PCE数据的准确性与可信度，已成为能否发表于顶级能源期刊的关键。观察过去五年相关论文发表的数据，我们发现重要研究成果能否刊登于顶级期刊，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)的对比差异
3. 提供效率统计数据分布图

2020年HZB发表于Science期刊的论文内容，也符合了这三项要件。其提供了：

1. 德国Fraunhofer ISE的第三方效率认证证书
2. Jsc(IV)与Jsc(EQE)的对比差异
3. 效率统计数据分布图

图5：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，文中提供的Jsc(IV)与Jsc(EQE)数据。再次显示两者的对比数据已是顶尖期刊投稿的必备条件。

HZB的高效率与精准的测量结果，也展现在Jsc(IV)与Jsc(EQE)的对比误差维持在5%以内。本文将介绍过去的挑战、精准测量的要素归纳、相关解决方案，以及成功案例的分享。

过往精准测量的挑战

过去突破性的PCE数据难以重现。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，虽然报导了许多PCE效率突破的结果，但许多结果却难以被其他同领域的研究实验室重现。撇开道德疑虑或数据造假的疑虑不谈，这个现象凸显了在过去的时期，整个太阳能电池研究社群不仅缺乏太阳能电池精准测量的相关知识，同时也缺乏合适的仪器设备与方法。 随着对这些无法重现的结果进行研究，学界对于如何正确评估、测量太阳能电池的方法与相关合适的仪器设备，逐渐有了更深入的了解。研究论文总是领先于国际测试标准，随着相关研究的成熟与完备，这些正确的测试方法与设备，逐渐形成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，针对地面型太阳光电测试标准，就是最佳范例。这个系列标准包含：

• IV测试的方法（IEC 60904-1）
• 标准电池的封装规范（IEC 60904-2）
• 标准太阳光光谱的定义（IEC 60904-3）
• 光电测试领域的追溯方法（IEC 60904-4）
• 太阳能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仪器设备（IEC 60904-8）
• 太阳光模拟器的分级标准（IEC 60904-9）

从方法到仪器设备，经过15年光电社群的共同努力，不断精进、改良标准的内容，目前已能为整个光电社群提供一个精准测量体系的依据。 关于为何需要对比Jsc(IV)与Jsc(EQE)、如何精准测量Jsc(IV)与Jsc(EQE)、以及对比成功案例的介绍，将在本系列的第二篇文章：单结电池JV与EQE精准测量与对比02中进行更详细的介绍。其大纲如下：

单结电池JV与EQE精准测量与对比02

1. 为何需要Jsc(IV)与Jsc(EQE)的对比：
   • IV测试仍存在诸多人为误差的可能
   • Jsc(EQE)的不确定度较低，可用于验证IV测试结果的Jsc(IV)
   • Jsc(IV)与Jsc(EQE)的对比误差范围
2. 如何精准测量Jsc(IV)与Jsc(EQE)：
   • 成功案例（一）2019年23.32%世界效率的钙钛矿太阳能电池
   • 成功案例（二）2019年16%高效率有机太阳能电池
   • Jsc(IV)精准的测试方法
   • Jsc(EQE)精准的测试方法