單結電池JV與EQE精準測量與比對01光伏旗艦期刊上發表的關鍵
2020 年 12 月，頂刊《科學》雜誌刊登了德國海姆霍茲柏林材料所（HZB）的鈣鈦礦 / Si 串聯太陽能電池，認證效率達到 29.15%。這個消息炸裂了整個光伏圈！這個效率不但超過了英國牛津光伏（Oxford PV）公司的 28% 效率記錄，同時代表著光伏技術邁向 30% 的重要一步。
我們觀察了過去五年在旗艦期刊上發表突破效率的三個重要關鍵。分別是：
1. 提供第三方的效率認證證書
2. 提供Jsc(IV)與Jsc(EQE)的比對差異
3. 提供效率統計數據分佈圖
HZB在Science上發表的論文也符合這三個要求。 文中Jsc(IV)和Jsc(EQE)的對比差異也不足5%。 為什麼它很重要？
本文將介紹近10年來精準測量的痛點和歷史。 它還將描述為什麼比較 Jsc(IV) 和 Jsc(EQE) 在當前太陽能電池研究中至關重要，以及如何準確測量 Jsc(IV) 和 Jsc(EQE)。
目錄
精準光伏效率測量倡議的歷史
OSC自2006起就開始關注此問題。有機太陽能電池OSC隨著OLED的發展，2005年後也開始受到關注。2006年，P3HT:PCBM體系的OSC效率突破4.7%，帶動了這個領域的發展。對於精準測量轉換效率PCE (Power Conversion Efficincy)的重要性隨著研究熱度的增長，也逐漸被大家意識到其重要性。2006年UCLA與NREL合作發表在Advanced Functional Materials期刊上的OSC精準測試方法，是第一篇系統性探討精準測量OSC的文章。文中提出了太陽光模擬器的校準、參考電池挑選、以及光譜失配誤差的修正等重要觀念。
圖1：第一篇系統性探討精準測量有機太陽能電池OSC的論文，2006由UCLA材料系Yang Yang教授團隊與NREL團隊合作撰寫發表。（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.200600489）
PSC在精確測量方面也備受關注。 鈣鈦礦太陽能電池（PSC）興起於2010年左右，發展速度驚人，高PCE為該領域帶來更多研究投入。 由於滯後效應，鈣鈦礦太陽能電池的精確測量問題引起了更多關注。
光伏研究社群倡議重視精準測量。2014 Nature雜誌連續刊登了三篇文章，倡議鈣鈦礦精準測量PCE的重要性。其倡議的觀點是，PSC鈣鈦礦太陽能電池與OSC有機太陽能電池都深具大規模商業化的潛力，但是在發展的過程中，錯誤的PCE效率報導，將會誤導領域發展的方向，更耽誤了其大規模商業化的路程。
圖2： 2014年Nature 雜誌刊登了三篇文章，倡議精準測量PCE的重要性。
2015年Nature Group發佈「A Solar Checklist」。緊接著，Nature Group為了避免不正確的結果刊登，影響該期刊的聲名與該領域的發展，發佈了「A Solar Checklist」自檢表，要求投稿旗下所有期刊的作者，依照自檢表上所要求的項目，提供相關與足夠的資訊。自檢表主要是要求投稿作者，詳細描述在自家實驗室測試太陽能電池的相關條件。其核心目的是為了確保所要發表數據的可被重複性。有此足見，精準測量的要求，在指標期刊發表的重要性。相關詳細訊息，可參考光焱科技發表的文章「國際期刊投稿必備！鈣鈦礦太陽能電池論文檢核表」。
圖3： Nature Group於2015年發佈的「A Solar Checklist」，要求太陽能電池相關研究論文於投稿階段，同時填寫並遞交此訊息清單，以幫助提高論文結果的可重現性與相關透明度。
2020年Cell Press發佈「PV Checklist」。在2020年9月，Cell Press旗下能源領域的重要期刊Joule，除了在ISI公布最新期刊影響因子中，由2019年的15.04暴漲到27.05，晉升能源領域的頂級旗艦期刊外，同時也發佈了「PV Checklist」。要求投稿到旗下其刊的太陽能電池論文，都需填寫「PV Checklist」。而這份文件的要求內容，相較2015年Nurture Group 的「Solar Checklist」又更加的嚴謹，需提供的測試條件資訊，要求更加的全面；同時，加入了校準溯源的新的要求與概念。光焱科技現在已經提供了系統用戶相關的回應資訊，協助客戶能夠快速並且真確的提供自檢表上所要求的所有訊息，若有需要可以來信諮詢相關資訊（PV Checklist; qeservice@enli.com.tw）。
圖4： Cell Press於2020年發佈的「PV Checklist」。所需提供的測試條件資訊，更加的全面，同時，加入了校準溯源的新的要求與概念。
光伏旗艦期刊發布效率突破的3個關鍵
太陽能電池PCE數據的準確性與可信任性，已經是否能發表在頂級能源期刊的關鍵。我們觀察過去五年相關論文發表的數據，發現到重要研究成果能否發表在頂級期刊上，有三個重要趨勢：
1. 提供第三方的效率認證證書
2. 提供Jsc(IV)與Jsc(EQE)的比對差異
3. 提供效率統計數據分佈圖
2020年HZB發表於Science期刊內文中，也符合了這三個要件。其提供了：
- 德國Fraunhofer ISE的第三方效率認證證書
- Jsc(IV)與Jsc(EQE)的比對差異
- 效率統計數據分布圖
圖5：HZB於2020年發表在Science期刊近30%轉換效率的鈣鈦礦太陽能電池，於文中提供的Jsc(IV)與Jsc(EQE)數據。再次顯示兩者的比對數據，已是頂刊投稿的必備條件。
HZB的高效率與準確的測量結果，也展示在Jsc(IV)與Jsc(EQE)的比對誤差在5%之內。本文中我們將介紹過去的痛點、精準測量的元素歸納、相關解決方案、成功案例的介紹。
過往精準測量的痛點
過去突破性的PCE數據難以被重現。15年前在有機太陽能電池OSC與鈣鈦礦太陽能電池PSC發展初期，報導了許多PCE效率突破的結果，但卻有許多的結果，難以被其它同領域的研究實驗室重複。先撇開道德疑慮或造假的猜疑，這個現象凸顯了在過去的那個時期，整個太陽能電池研究社群都缺乏太陽能電池精準測量的相關知識，同時也缺發合適的設備與方法。
隨著對這些無法被重複的結果進行研究，大家對於如何正確的評價、測量太陽能電池的方法與相關合適的設備，逐漸了解。論文研究總是先於國際測試標準，隨著相關研究的成熟與周延，對於這些正確的測試方法與設備，就形成了測試標準並獲得國際認可。國際電工委員會所制定的IEC 60904系列，針對地面型光伏測試標準，就是一個最好的例子。 這個系列標準：
- IV測試的方法 (IEC 60904-1)
- 標準電池的封裝要求 (IEC 60904-2)
- 標準太陽光光譜的定義 (IEC 60904-3)
- 光伏測試領域的溯源方法 (IEC 60904-4)
- 光伏電池開路電壓的溫度係數修正方法（IEC 60904-5)
- 光譜失配的修正(IEC 60904-7)
- 光譜響應的測量方法與裝置（IEC 60904-8)
- 太陽光模擬器的分級標準（IEC 60904-9）
從方法到設備，經過15年光伏社群的的群策群力，不斷的修繕、改進標準的內容，目前已經能夠提供整個光伏社群一個準確測量體系的依靠。
而為什麼要比對Jsc(IV)與Jsc(EQE)、如何精準的測量Jsc(IV)與Jsc(EQE)、以及比對成功案例的介紹，將在本系列的第二篇文章:單結電池JV與EQE精準測量與比對02-進行更詳細的介紹。其大綱如下：
單結電池JV與EQE精準測量與比對02
– 為何要求Jsc(IV)與Jsc(EQE)的比對
－ IV測試仍存在許多人為誤差的可能。
－ Jsc(EQE)的不確定度低，可以用來驗證IV測試結果的Jsc(IV)
－ Jsc(IV)與Jsc(EQE)的比對誤差範圍
– 如何精準測量Jsc(IV)與Jsc(EQE)
– 成功案例（一）2019年23.32%世界效率的鈣鈦礦太陽能電池
– 成功案例（二）2019年16%高效率有機太陽能電池
– Jsc(IV)準確的測試
– Jsc(EQE)準確的測試
