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

本文亮点

1. 针对室内太阳能电池测试，常见的5种测量误差进行说明与实验评估。
2. 本文提出4个室内太阳能电池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，确保太阳能电池在室内应用的健全发展。

前言

2020年5月，Joule杂志发表了中科院化学研究所 侯剑辉研究员与瑞典林雪平大学 高峰教授最新的室内太阳能电池精准测量方法的研究成果。针对极具潜力的室内太阳能电池候选者-有机太阳能（OPV）电池，系统性研究测量误差的来源。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太阳能电池测量。此外，杂散光对室内太阳能电池测量的准确性也有显著影响，因此必须谨慎消除由遮罩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太阳能电池，因为它们为驱动室内应用的微功率电子设备提供了极具吸引力的机会。随着移动装置以及可穿戴电子产品与物联网（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。太阳能电池已经证实可有效将室内环境中低强度光能转换成微瓦到毫瓦等级的功率，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获得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，开发可靠的测量规范至关重要，以便能在室内照明下准确评估太阳能电池的转换效率。

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. 太阳能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详细描述。

根据上述误差来源的研究，本文针对室内太阳能电池准确测量提出了4个实用建议：

光源的要求：

用于家居照明的白光LED和荧光灯管FL在经过谨慎评估时间不稳定性和光强分布均匀性达到要求后，才可用作室内太阳能电池的光源。光源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级太阳光模拟器标准。其中室内太阳能电池测量用光源的时间不稳定性应<2%。太阳能电池特性应在光强空间分布不均匀度<2%的照明区域进行测试。

应使用遮罩板进行IV测试：

遮罩板应尽可能薄，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 x 10 mm²电池。

使用辐照度光谱仪进行光谱的测量与光强度的校正：

光谱辐照度和光强度应由精确的光谱仪来校正标定，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）校正一次，以维持测试的准确性

Jsc(EQE)与Jsc(IV)的对比差异<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：

因此，可以利用EQE的测试结果对室内光源的光谱（由光谱仪测量得到）进行积分计算得到Jcal也就是Jsc(EQE)，来验证太阳能电池在室内光下IV测量的Jsc(IV)进行对比，两者的差异应小于5%。因此，太阳能电池的EQE曲线和入射光的辐照度光谱是精准测量必要的条件。

图表解析

图1. 太阳能电池测量与光源对比示意图

(A) PCE测量的典型设置示意图。(B) 6,500K LED灯泡和6,500K FL荧光灯管连续运作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，持续监测照度值。(C) 三个照度计和光谱仪在6,500K LED灯泡和6,500K FL下的照度比较。照度计和光谱仪的感测器放置在同一位置。

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。 

图3. 元件横截面示意图与入射光线的路径图

元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；绿色矩形代表活性层；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)来自遮罩板的反射光（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）。

图4. 元件EQE的空间分布图

(D) 不带遮罩的9.80 mm²元件的EQE空间分布图。白色范围内的EQE值约为85%。

(E) 不带遮罩的1.07 cm²元件的EQE空间分布图。白色范围内的EQE值约为85%。

图5. OPV元件架构和遮罩板对准的示意图

图6. 元件EQE曲线图与Jsc差异比较

(A) OPV电池的EQE曲线。内图显示了6,500K 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) 遮罩板反射光对Jsc的影响。测试箱的反射光被黑色挡板遮挡。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，在暗室测试箱中进行测量。
(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。