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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惊人的成长，然而其效率测试方法与单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响应时间、光谱失配修正、光源光强校正等因素，以减少测试误差与不确定度。
如同钙钛矿效率呈现螺旋式提升的发展趋势，钙钛矿的精准测量技术也是研究人员在不断尝试中成长、累积经验并向前迈进。接下来，让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重要里程碑。
意外发现的契机
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（元件实验室），以NREL测试结果为基准值发表在GMCA上的一篇文章。
通过比较，我们可以发现传统单晶硅电池结果的差异大约在3.8%左右。但是针对响应速度较慢的钙钛矿电池，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，进而影响产业的发展。这为后续产业界在钙钛矿及OPV精准测量方法的推进工作埋下了伏笔。
持续改进的成长历程
事实上，从2006年OPV崛起开始，学界就非常重视钙钛矿精准测量的重要性，2010年因迟滞效应而受到瞩目的钙钛矿更使这个议题获得广泛关注。
2014年，Nature刊登了三篇文章来说明这个议题的重要性，文章主要阐述了不准确的测量结果会误导研究方向，进而阻碍太阳能电池的发展。
2015年，Nature全系列期刊要求投稿作者必须提供「Solar Checklist」，目的是为了避免不正确结果的刊登影响Nature本身的信誉以及该领域的发展。这份文件要求投稿者要详细记录实验室中测试的相关条件，核心目的是确保发表的数据具有可重复性，由此可见精准测量在指标期刊发表的重要性。
目前，不论是钙钛矿电池或是有机太阳能电池，投稿Nature系列的期刊都需要提供前文提到的「Solar Checklist」。例如，2019年游经碧教授的钙钛矿太阳能电池和2019年侯剑辉教授的有机OPV的研究成果皆可看到他们所提交的「Solar Checklist」。
谨慎前进的标准制定
回到本文开头所提到的35%测量差异问题，究竟是什么原因造成钙钛矿电池/OPV电池与传统单晶硅电池的测试在不同时间有如此大的差异？
这其中有四个方面的显著差异：
- 首先是光谱响应范围，单晶硅电池光谱响应到约1100nm，而钙钛矿与OPV目前在800nm~900nm左右。
- 其次是外观不同，一个是在硅晶片上，一个是在玻璃基板上。
- 第三是外部电路的连接方式不同，一个是substrate，另一个是superstrate。
- 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进行电荷传输。
那么该如何精准测量钙钛矿和OPV呢？
首先，我们可以先参考UCLA在2006年发表的文章。这可说是OPV领域第一篇系统性探讨精准测量的文章。2006年是PCBM的时代，效率刚突破4.7%，当时对OPV精准测量的相关知识相当有限，因此UCLA和NREL合作撰写了这篇论文，详细说明如何精确校正模拟器，以及如何利用光谱失配对OPV进行精准测量。
如果我们希望精准测量钙钛矿和OPV的电性特性曲线，包括转换效率η、短路电流、短路电流密度、开路电压、填充因数等，就必须在标准测试条件（STC）下进行测量。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数，再除以元件的面积。
根据这个公式可以看出，影响精准测量的因素除了STC条件，还包含定性的测试、元件的面积和光强的校正。
STC条件及其意义：
- STC即Standard Test Conditions。
- IEC 60904-1标准规范了所有太阳能电池元件的测试条件，都必须在STC条件下进行。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、不同时间的测量结果具有可比较性，就需要制定一个大家都认可与遵守的测量条件，STC标准因而产生。
