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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。

UCLA and NREL published paper accurate measurement

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。

Nature published three articles accurate PCE measurement

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」。

A Solar Checklist PV research field

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)。

Cell Press released PV Checklist in 2020

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:

  1. 德國Fraunhofer ISE的第三方效率認證證書
  2. Jsc(IV)與Jsc(EQE)的比對差異
  3. 效率統計數據分布圖
perovskite solar cell with nearly 30% conversion efficiency Jsc(IV) Jsc(EQE)

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

缺乏準確的太陽能電池測量知識

缺乏合適的設備和方法

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