【創新專利：AM1.5G模擬器技術】單氙燈A+級光譜可調技術
Enlitech-頂尖團隊的選擇！
疊層太陽能電池製備技術對於鈣鈦礦-晶硅光伏(Perovskite-Si Tandem PV, PST PV)器件來說是極為重要的關鍵要素，大幅提高了太陽能電池發展的前景。但是，對於此類型的多結太陽能電池來說，如何準確、有效地測量出轉換效率(efficiency determination)或其他的電學特性(electrical characterization)則是疊層電池測量的一大挑戰。
為了確保疊層太陽能電池的測量結果具有可信度和可比性，研究人員需要嚴格控制器件的製備條件和測量方法，並遵循國際標準和規範。
2015年發表在Nature Photonics (Nature Photonics volume 9, 478–479 2015)的文獻指出，新型疊層太陽能電池在Web of Science發表的文獻(2009年1月至2014年9月期間)，有96%的論文所公佈的效率數值，並未按照相關標準進行測量（表1）。甚至大部分聲稱報告記錄效率的文章，其對器件的特性測試都不足或者存在錯誤。因此，作者提出一套明確且實用的操作指南，依據現有標準規範所訂定出的量測程序，教導大家如何用正確地測量程序，測量新型疊層太陽能電池的方法。詳細內容，請參考先前的文章[疊層有機太陽能電池檢測程序與要點]．
該文獻認為，造成這種不良做法的主要原因之一，可能是研究人員缺少適當的實驗設備正確測定光譜不匹配。新型材料的太陽能電池如鈣鈦礦晶硅疊層太陽能電池，由於沒有合適的參考電池，使得測量更加困難。
另外，一些論文作者對於串聯疊層太陽能電池的測量標準似乎並不清楚或者忽視了其重要性。
精準測量原則的要點
2017年，國際電工委員會針對多結太陽能電池IV特性測量，發布了標準IEC 60904-1-1「光伏器件－第1-1部分：多結光伏器件電流-電壓特性的測量」，旨在規範在自然光或模擬太陽光照射下，測量多結光伏器件的電流-電壓特性的程序。詳細內容請參考先前的文章[新舊版IEC 60904-1的差異比較]。
由於多結器件中各結串聯連接，測得的電流-電壓特性是每個結產生的光伏電流的複雜函數。因此，多結器件的測量條件應努力生成每個結中與AM1.5G參考光譜輻射分布（1 sun）下產生的短路電流條件下相似的光伏電流。通常情況下，可以通過接近AM1.5G參考光譜輻射分布的測試光譜輻射分布（例如在適當條件下由自然陽光提供）或具有可調節光譜輻射的太陽能模擬器來實現這一點。
然而，測量條件永遠不會完美，與參考條件會有偏差。IEC 60904-1-1即是對於獲得有效測量設定了允許的偏差限制。簡單總結此測試標準所要求的精準測量原則的要點：
- 當使用太陽光模擬器進行J-V特性（電流密度與電壓）量測時，各子電池的SR或EQE測量結果，在對模擬器光譜進行Zij光譜失配因子計算，需控制各結子電池的Zij在1%內。
- 測試光譜辐照度分布下，限制電流的結（current-limited junction）與參考光譜辐照度分布下相同。
- 所有結之間的電流平衡參數Balij，在模擬器測試光譜辐照度分布下與5G參考光譜辐照度分布相比在±5％內達成一致。
為獲得明確的效率結果，必須使用光譜可調的太陽光模擬器進行光譜的調整，可以容易達到上述的陶建，以確保各子電池的光譜失配達到要求後，再進行IV的量測。
更詳盡的原理與說明，請參考[Cell Symposium: “Accurate Measurement of Perovskite and Organic Solar Cells” Enlitech; Next-Generation Materials for Energy Applications, Xiaman, 17th Nov. 2019; CellPress] 與[光焱科技：鈣鈦礦-晶硅疊層電池的精準測量; _第三屆全球鈣鈦礦與疊層電池產業化論壇]。
光焱科技推出了SS-PST100R超A++級光譜(誤差< 6%)可調模擬器
光譜可調的太陽光模擬器，但現有技術都有其優缺點[雙光源模擬器與LED模擬器的優缺點]，如何在價格、性能、與實用性上，取得最好的平衡，一直是光焱科技的核心價值理念(Provide the Better Solution)．
針對鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池的特性，光焱科技推出了SS-PST100R超A++級光譜可調模擬器 (A++級光譜誤差< 6%; Ａ級則為25%誤差) ，作為校正與測試實驗室等級，精準測量鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池IV轉換效率PCE的測試解決方案．測量結果的不確定度可以在≤ ± 2%．
其而根據鈣鈦礦產業化趨勢，光焱科技推出大面積的S系列光譜可調模擬器，A+級光譜(< 12.5%光譜誤差; Ａ級為25%誤差)，單氙燈光源光譜可調模擬器，最大面積可達250mm的照射面積 (220mm A級均勻度)．
如何利用單氙燈光源，達成光譜可調得超A級太陽光模擬器？
- 先進光學設計與精密鍍膜工藝
- 巧妙的光譜控制 – 薄膜干涉原理的應用極致
1.先進光學設計與精密鍍膜工藝 - 創造超A+級5G太陽光譜
長久以來，人們普遍認為氙燈是一種氣體放電燈，其光譜取決於氣體分子在球泡內的能階跳躍。因此，使用氙燈燈泡的太陽光模擬器的光譜難以改變，更不用說調整其輸出的光譜特徵了。
下圖為典型氙燈光譜與AM1.5G標準太陽光光譜的分佈．我們可以看到一般氙燈光譜在可見光波段的色溫(約6000K)，是最接近太陽光色溫5500K的人造光源．但是在紅外波段(> 800nm)就與AM1.5G標準太陽光譜有著顯著的差異．
圖 一般氙燈光譜與AM1.5G標準光譜．氙燈光譜在可見光波段有著最接近太陽光光譜的色溫(6000K vs 5500K)，但在紅外波長部分與AM1.5G標準光譜有著較大的差異． (Source: DOI:10.1016/j.egypro.2017.09.283)
為了克服這些差異，光焱科技利用先進的光學模擬軟體，設計太陽光模擬器的光學系統。並運用精密的多層鍍膜技術來控制複雜的薄膜塗層工藝，通過調整與優化各層厚度，光焱科技的SS-PST100R太陽光模擬器達到了超越A+等級的AM1.5光譜。
由SS-PST100R太陽光模擬器輸出的幅照度光譜與AM1.5G標準太陽光譜的對比圖可見(如下)。
圖 AM1.5G標準太陽光光譜(黑線)與SS-PST100R 太陽光模擬器的幅照度光譜(紅線)．
單氙燈SS-PST100R太陽光模擬器的幅照度光譜不僅在可見光波段與AM1.5G標準太陽光譜十分吻合，在近紅外波段(NIR)與短波紅外(SWIR)波段也有十分良好的光譜匹配度。
根據最新IEC模擬器分類標準IEC 60904-9:2020，SS-PST100R的光源等級
- 光譜覆蓋率(SPC)達到100%
- 各波段光譜等級達到A++級(< 6%)
- ( A+級: 12.5%; A級: 25%)
- 光譜誤差率SPD達到11.2%(0%為理想值)，
- 達到理想雙光源模擬器的SPD級別(~3%)。
2.巧妙的光譜控制 – 光線入射角度控制- 薄膜干涉原理的應用極致
每當非法線方向入射光，照射到兩種不同介質（例如空氣和玻璃）之間的界面時，斯涅爾定律(Snall’s Lasw)表明，當光進入第二種介質時，入射光的角度將會發生變化（圖 ）。變化程度取決於各自的折射率：
圖 Snell’s Law 示意圖
當薄膜干涉現象發生時，入射角AOI的穿透光譜會產生”藍移(Blue Shift)”的現象．代表著不同波長的穿透光譜會隨著入射角AOI的變化而變化．這種角度偏移造成光譜改變的現象，可以用下面的公式來描述:
光焱科技單氙燈光譜可調模擬器的創新之處，利用光學元件上的鍍膜設計，並控制氙燈光束到達各光學元件的入射角度，利用反射、透射的光譜會隨著入射光角度的不同而產生變顯著變化，進而達到使用單一燈泡光源，調整光學元器件的空間位置與角度，改變太陽光模擬器輸出的光譜．目前已完成相關的專利申請．
圖 光焱科技單氙燈光譜可調太陽光模擬器
如上所述，利用光學設計與精密鍍膜工藝，讓單氙燈太陽光模擬器可以達到與AM1.5G標準太陽光譜差異< 5%的要求，可以讓鈣鈦礦晶硅疊層太陽能電池各結子電池的電流匹配誤差可以達到IEC 60904-1-1：2017標準測試規範的要求．
而要使疊層太陽能電池各結子電池的光譜失配因子Zij能夠更加匹配、具有更小的光譜誤差，以降低疊層電池IV特性曲線測試的不確定度，需要能夠調整單氙燈太陽光模擬器的光譜．
針對鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池具有兩個子電池，其吸收波段為300 nm~ 750nm的”頂電池”(鈣鈦礦子電池)與750nm~1200nm 的”底電池”(晶硅子電池)，兩個吸收波段．
圖 鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池兩結子電池的外部量子效率(EQE)光譜 (Source: Joule, V5, P295-291, 2021; Behind the Breakthrough of the ∼30% Perovskite Solar Cell.)
因此，針對鈣鈦礦-晶硅疊層太陽能電池的光譜可調太陽光模擬器開發，並不需要任意波段的調整光譜，只需要針對兩個子電池的吸收波段(300nm~750nm 與750nm~1200nm兩個波段)進行光譜的調整，即可達到IEC 60904-1-1:2017規範要求的各結子電池的光譜失配因子Zij小於1%的要求．
除了可以控制Zij失配因子外，只針對這兩結子電池波段光譜可調(意即調整300nm~750nm 與750nm~1200nm兩個波段相對光譜強度)，可大幅簡化光譜調整的複雜度．對比LED模擬器，在350nm~1000nm波段中，就有20種不同的LED波段需要調整，至少有上百種光譜組合的調整，而怎麼樣的波段配比，才能讓多結電池光譜失配因子Zij可以達到IEC 60904-1-1:2017規範要求？需要不斷地將各種光譜與各子電池的光譜響應遞推疊代進IEC 60904-1-1:2017的Zij公式中，直到得到最小Zij的LED光譜組合出現為止，方能進行下一個IV測量的步驟．過程十分的精密與繁瑣，通常需要有自動計算的軟體做配合．詳細的調整各波段並計算子電池失配因子與子電池電流平衡因子的公式與方法，可以參閱[多結太陽能電池精準IV特性測試方法之光譜調整與失配因子計算]
圖 多結太陽能電池精準IV特性測試方法之光譜調整與失配因子計算
LED多光源模擬器的光譜可調性
雖然LED提供了”全波段”光譜調整的自由度，但在實際上使用，需要很高的儀器校准背景與LED特性控制的專業，例如：
調校光譜與降低失配的時間成本考量，採用LED模擬器真的”成本”較低嗎？
- LED各光色老化的速度不一，需要有額外的照度光譜儀，做光譜合致性地查驗．
- LED各光色的晶粒的溫度係數不同，隨著使用的時間，溫度的變化中心波長與強度，會產生飄移，造成的Zij失配因子變化，因此也是需要經常性的查驗．
- 各光色的老化速度不一，均勻度的變化．
- 各光色的強度調整，也會造成照射面積那個位置的光譜變化．
- 壽命1萬小時與1 sun光強度的認知差異．
因此，我們認為“理想與完美的LED太陽光模擬器”或許對於有專業校正與測試不確定度分析能力的實驗室，是十分適合作為各種類型多結太陽電池的測試，因為他們熟悉如何準確測量光譜與整個IEC規範的失配因子的疊代計算，並有著相關的測量太陽光模擬器的工具，如300nm~1200nm光譜範圍幅照度光譜儀、幅照度均勻度分佈測量工具．
對於大多數的科學研究實驗室，多為器件物理、化學合成或材料背景，對於光學與光譜學並不熟悉，且大多缺乏上述的模擬器性能檢測的工具．
如何可以精準測量鈣鈦礦晶硅疊層太陽能電池並且對於大多數的科學實驗室的研究生、研究員等都能快速且自動化的調整到最好的測試條件，就是光焱科技開發單光源光譜可調太陽光模擬器的初衷．
關鍵字：
螢光粉、發光二極體螢光材料、有機發光二極體螢光材料、鈣鈦礦、雷射染料
