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單結電池JV與EQE精準測量與比對02

  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。

  我們觀察過去五年相關論文發表的數據,發現了重要太陽能電池效率突破的研究成果,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。其中當然地也提供 Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 的比對差異 (<5%)

本文將接續 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,繼續說明為什麼要比對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。

為何要求Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 的比對

  雖然,相關測試規範已趨於成熟,但隨著光伏研究領域的發展,不準確的測試結果仍普遍存在,主要來自於光伏社群對於精準測試的知識仍不普及與不熟悉。

IV測試仍存在許多人為誤差的可能

我們的經驗,在一般研究實驗室測試效率的誤差來源,常見的有:

  1. 面積誤差。根據PCE的定義,計算PCE時,需要帶入待測樣品的面積。而5%的相對面積差異,就會造成5%的PCE相對差異。由於蒸鍍金屬遮罩的陰影效應 (shadow effect),造成實際樣品的主動區域面積,會跟設計的遮罩開口面積有差異,實驗室也缺乏準確測量面積的設備,而這也是實驗室測試PCE最常發生的誤差來源。再者鈣鈦礦太陽能電池與有機太陽能電池樣品結構的特性,玻璃基板亦具有側向光電流誤差以及多重光導產生側向光電流的誤差。因此,採用不透光的金屬遮罩來定義樣品的主動面積,以確保PCE測試結果準確,已經是國際同行以及第三方效率認證機構認同並強制執行的方式
  2. 模擬器光強度人為校正誤差。在IEC 60904-1中,已經定義了太陽能電池的評價標準是在STC條件下,也就是在25°C、5G標準光譜、1000 W/m2強度下,進行IV測試並計算其最大功率與轉換效率。而許多實驗室忽略光譜誤差,或沒有正確的太陽光模擬器校正知識。例如,未挑選合適的標準電池 (封裝樣式與降低光譜失配誤差; IEC 60904-2、IEC 60904-7)、不知如何擺放與使用標準電池來正確校正太陽光模擬器 (IEC 60904-1)、標準電池沒有合格的第三方校準報告 (依標準,需一年一校,IEC 60904-4) 等等,都會造成模擬器光強度的誤差。若是負偏離,也就是光強小於1000 W/m2,測試的PCE結果就會較低;相反而言,若是正偏差,光強就會大於1000 W/m2,測試的PCE結果就會虛高。虛高了5%光強,PCE也會相對虛高了5%,形成效率突破世界紀錄的假象。

  若是不正確的PCE結果被刊登,就會造成前述的狀況,將整個研究領域,帶往錯誤的研究方向,影響整個領域的發展。

如何精準測量Jsc (IV) 與Jsc (EQE)

  光焱科技在過去十年,致力於太陽能電池精準測量的方案開發。

accurate efficiency measurement

圖1:PCE效率的定義公式與STC測試條件。

  不僅在設備上,我們針對精準Jsc (EQE) 所開發的QE-R系統,以及精準Jsc (IV) 測量所開發的SS-X系列太陽光模擬器與SRC-2020系列標準電池,已經獲得超過1000篇SCI期刊直接引用。我們在測試方法上,也將實驗室測試常發生影響準確測試的經驗整理,不僅在公開研討會上分享如何精準測量Jsc (IV) 與Jsc (EQE),並且提供產品客戶,在實驗室裡如何精準測量的相關教育訓練課程。光焱科技還積極參與IEC的光伏測試規範委員會的會議,除了解最新測試規範的發展,也參與貢獻相關的客戶回饋經驗。

SS-X solar simulator and QE-R EQE quantum efficiency

圖2:QE-R系統與SS-X100R太陽光模擬器系統安裝於客戶現場照片。

成功案例 (一) 2019年23.32%世界效率的鈣鈦礦太陽能電池

  2019年中科院半導體所游經碧老師 (Jingbi You) 研究團隊,發表了單結鈣鈦礦太陽能電池效率23.32%,在當時創下PSC世界紀錄,並榮登NREL效率表。其使用的即是光焱科技的全套解決方案,包含EQE與IV測試的太陽光模擬器與標準電池等。

surface passivation of pervoskite film for efficiency solar cells

圖3:2019年PSC鈣鈦礦太陽能電池的世界冠軍記錄23.32%發表在頂級期刊Nature Photonics。使用光焱科技Enlitech的Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 的測量軟-硬體整合方案。

  如前述,發表頂級期刊必備的就是Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 測試結果,兩者的差異需要在5%以內。而游老師團隊使用光焱科技Enlitech的Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 的測量軟-硬體整合方案,得到兩者的差異值十分的優異,僅在1.6%

perovskite film Jsc(IV) and Jsc(EQE) difference

圖4:游老師團隊使用光焱科技Enlitech的Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 的測量軟-硬體整合方案,得到兩者的差異值十分的優異,僅在1.6%

成功案例 (二) 2019年16%高效率有機太陽能電池

  2019年中科院化學所侯劍輝老師 (Jianhui Hou) 研究團隊,發表了高效率16%單結有機太陽電池,也獲第三方的效率認證,發表在Nature Communications。而侯老師研究團隊採用的是光焱科技EQE與太陽光模擬器的整合測量方案。

over 16% efficiency organic photovoltaic cell

圖5:2019年侯劍輝老師 (Jianhui Hou) 研究團隊,發表了16%高效率有機太陽能電池於Nature Communications期刊上。文中也提供了Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 比對的差異結果。

  如前述,發表頂級期刊必備的就是Jsc (IV) 與Jsc (EQE),兩者的差異需要在5%以內。而侯老師團隊使用光焱科技Enlitech的Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 的測量軟-硬體整合方案,得到兩者的差異值十分的優異,其差異<1%

OPV cells Jsc(IV) and Jsc(EQE) difference

圖6:使用光焱科技QE-R與SS-X模擬器測試Jsc (EQE) 與Jsc (IV) ,發表16%高效率有機太陽能電池IV與EQE短路電流密度比對差異在1%內,較一般期刊要求差異在5%以內,優異許多。

Jsc (IV) 準確的測試

  如前述以及PCE的公式,相關影響PCE結果的主客觀因子相當多。我們把相關的理論與實務經驗,整理出了三個分類、六個因子,主要會影響Jsc (IV) 測量結果。讀者只要根據這6個主要的影響因子,在測試過程多加注意,可以確保Jsc (IV) 測量的準確性。

perovskite solar cell accurate measurement error sources

圖7:我們在理論與實務上歸納綜整得到影響Jsc (IV) 的三個分類與六個因子的誤差來源圖。

Jsc (EQE) 準確測試

  準確的Jsc (EQE) 在於EQE光譜測試的準確性以及對AM1.5G標準光譜的積分算法

  1. EQE光譜測試的準確性

    EQE光譜準確的測試,有賴於可信任的EQE測量系統。一般實驗室自己搭建或是某些廠商販售的EQE設備並沒有依據國際標準來設計與搭建。我們先前談到光伏測量的國際標準是歷經15年的經驗淬鍊而成,依照規範可以減少許多已知的測量誤差源。QE-R系統即是依照IEC 60904-8規範太陽能電池光譜響應與量子效率的測試方法與設備的標準規範來進行設計與製造。

  2. 對5G標準光譜的積分算法

    EQE積分短路電流Jsc (EQE) 是由EQE光譜對AM1.5G標準光譜各波長積分得到。EQE的測量,大多以10 nm為波長間隔,來進行全光譜的EQE測試。而AM1.5G光譜是IEC 60904-3上所載記得光譜,不同波段有不同的波長間據,如0.1nm在可見光波段及0.5nm在紅外波段。而一般實驗室在計算時,並沒有注意到這個差異,造成積分計算上的誤差。光焱科技的採用NREL積分計算軟體嵌入在QE-R系統中,每當使用QE-R系統測試EQE光譜後,系統會即刻做波長的內差補償與AM1.5G波長間隔差異,再進行全光譜積分計算,得到最準確的積分短路電流密度Jsc (EQE) 。

Jsc (EQE) 的不確定度低,可以用來驗證IV測試結果的Jsc (IV)

  如何避免上述不正確的PCE結果被誤用刊登呢?前面提到,可以將實驗成果,送第三方認證實驗室進行測試,並出具符合國際規範的測試報告,確保實驗結果的真確性與可被重複性。另外,Jsc (EQE) 與Jsc (IV) 兩者的比對,也是必要的自我檢核,與在同行評審時,非常重要的數據。以下是兩者的定義:

  Jsc (EQE) :太陽能電池的EQE量子效率光譜 (一般是300 nm ~ 1100 nm) 對AM1.5G標準光譜 (IEC 60904-3) 進行積分。EQE光譜可以轉換成光譜響應SR (𝜆) 其單位是 Amp/Watt;而AM1.5G光譜的單位是Watt/m2。如此,所積分出來的單位Amp/m2,就是電流密度單位。而EQE量子效率光譜是在短路條件下 (太陽能電池兩端端點電壓為0V稱為「短路」),因此,稱為EQE光譜在AM1.5G光譜下的積分短路電流密度Jsc (EQE)。

  Jsc (IV) : 太陽能電池在STC條件下,所測得短路電流Isc再除上有效面積A,所得到的短路電流Jsc (IV)。

  在地表光伏測試溯源標準IEC 60904-4中,描述了溯源體系以及如何測量溯源。文中記載了德國國家計量局PTB所採用的絕對光譜響應法 [ Jsc (EQE) 方法) ] 與日本AIST的太陽光模擬器法[ (Jsc (IV) ) ],來分析與校正標準電池的短路電流。其不確定度評估表中,顯示了Jsc (EQE) 的不確定度較Jsc (IV) 方法小

  而在實際的操作中,Jsc (EQE) 測試的不確定度來源較少,主要在校準EQE設備的探測器不確定度及待測樣品位置的調整。而Jsc (IV) 方式,其誤差來源較多,包含模擬器的光譜誤差、標準電池的校正不確定度、人為光強的調整、計算電流密度的樣品有效面積A、待測樣品位置的調整等等;需要注意的項目較多。雖然,在一般實驗室的操作測試,我們無法說Jsc (EQE) 一定比Jsc (IV) 來的準確,但是我們可以很肯定的說,Jsc (EQE) 人為操弄的誤差絕對比Jsc (IV) 來的少很多

  EQE技術的缺陷,在於僅能表徵太陽能電池在短路條件下的光譜響應,進而得到短路電流密度,無法得到太陽能電池的最大功率點,這是IV測量無法被取代的原因。但是,Jsc (EQE) 的數值,卻可以用來再次確認Jsc (IV) 的準確度,進而確保整個IV曲線的可信度。如此,由IV曲線得到的Pmax與加上面積A計算得到的PCE的真確性,可以獲得保障。這也是在頂級期刊的同行評審過程中,十分重視並且要求必須提供Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 數據比對的原因。

Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 的比對誤差範圍

  依據不確定性原理,所有精確的測量,終究還是會有誤差。因此,科學家發展了「不確定度分析方法」,並且制定了標準 (ISO GUM) 來檢測結果的誤差。因此,同一個太陽能電池,Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 數值,不可能完全一模一樣,否則不就「很假」?因為違反了不確定性原理!那麼兩者的比對差異要在哪個範圍才是可以被接受的呢?

  考量這兩者測量技術的不確定度,與落實在一般研究實驗室的人為操作誤差,Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 在學術期刊投稿過程中,同行評審的接受範圍,是Jsc (IV) 與Jsc (EQE) 兩者數值差異在5%內,即在可以接受的範圍。在3%的差異內,即是非常好的結果,代表在測試過程中,測試的方法、設備與操作,都是有符合測試規範,才能得到如此不錯的水平

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