上一篇
下一篇

We Make Sensors Better!

It is all about light. 

太阳能电池精准测量Perovskite Si Tandem Solar Cell Organic Photovoltaic

鈣鈦礦及OPV太陽能電池精准測量的十年:在試錯中不斷成長

  在過去十年間,鈣鈦礦及有機太陽能電池的效率實現了突飛猛進的增長,然而其效率測試方法與晶矽電池的光譜回應存在明顯的光譜失配差異問題,為避免測量結果誤差,我們對鈣鈦礦、OPV等新型太陽能電池進行精准測量時需要考慮測試的反應時間、光譜失配修正、光源光強校準等因素,從而減少測試誤差與不確定度。
  與鈣鈦礦螺旋式效率提升的發展一樣,鈣鈦礦的精准測量也是科研工作者在不斷試錯中成長、收穫、前進。接下來,和我們一起回顧十年來鈣鈦礦及OPV太陽能電池精准測量重要性的發展歷程和高光時刻吧。

01. 誤打誤撞的緣起

  2017年,由兩個ISO認證實驗室(CSIRO, NREL)與其他8個無ISO認證實驗室(器件實驗室) ,以NREL測試結果為基準值發表在GMCA上的一篇文章。

CSIRO Nrel laboratories

  通過對比,我們可以發現傳統晶矽電池結果的差異大概在3.8%左右。但是針對反應速度比較慢的鈣鈦礦電池,上述實驗室間的差異可以高達35%,這個錯誤的結果最終會導致鈣鈦礦在開發過程中遵循錯誤的路徑,最終影響產業的發展,這為後續行業內鈣鈦礦及OPV精准測量方法的推進工作埋下了伏筆。

PSC OPV comparision

02. 不斷試錯的成長

  其實,從2006年的OPV崛起開始,大家就非常關注鈣鈦礦精准測量重要性這個問題,2010年因遲滯效應崛起的鈣鈦礦更使它受到了廣泛的關注。

  在2014年,Nature刊發了三篇文章來說明這個議題的重要性,文章主要介紹了不準確的測量結果會誤導研究的方向,進而阻礙太陽能電池的發展。

Nature Materials

  到了2015年,Nature全系列期刊都要求投稿作者要提供「Solar Checklist」,目的是為了避免不正確結果的刊登影響Nature本身的聲譽以及該領域的發展。這篇文章要求投稿者要詳細記錄在實驗室中測試的相關條件,核心目的就是要確保發表的資料可被重複,所以我們可以看到精准測量在指標期刊發表的重要性。

Solar Checklist

   現在,不管是鈣鈦礦電池還是有機太陽能電池,投稿Nature系列的期刊都需要提供前文提到的「Solar Checklist」。例如,2019年游經碧老師的鈣鈦礦太陽能電池和2019年侯劍輝老師的有機OPV的結果皆可看到他們所提交的「Solar Checklist」。

journal with Solar Checklist

03. 躬身前行的標準

  回到本文開篇所提到的35%測量差異問題,究竟是什麼原因造成鈣鈦礦電池/OPV電池與傳統晶矽電池的測試在不同時間有這麼大的差異?

這其中有四個方面的顯著差異:

  1. 首先是光譜響應範圍,晶矽電池光譜響應到前1100nm,而鈣鈦礦與OPV目前在800nm~900nm左右。

  2. 其次是外觀不同,一個是在矽片上面,一個是在玻璃基板上面。

  3. 第三是外部電路的連接方式不同,一個是substrate,另外一個是superstrate。

  4. 第四則是內部的電荷傳輸機制不同,其中OPV主要是以激子的方式來做電荷傳輸。

那麼該如何精准測量鈣鈦礦和OPV呢?

  首先,我們可以先看這篇UCLA在2006年所發表的文章。它可以說是OPV領域第一篇系統性探討精准測量的文章。2006年是PCBM的年代,效率剛剛突破了4.7%,那時候對OPV精准測量的相關知識非常的少,所以UCLA和NREL就合作寫了這篇論文,在論文當中報告了如何精確地校準模擬器,以及如何利用光譜失配對OPV進行精准測量。

UCLA accurate measurement and characterization of organic solar cells

  如果我們希望精准測量鈣鈦礦和OPV的電性特徵曲線,包括轉換效率η、短路電流、短路電流密度、開路電壓、填充因數等,那麼就必須在 標準測試條件(STC)下測量。由下面這個效率的公式可以得知影響精准測量的因素。轉換效率η是由最大功率除以輸入的照射光強度,在STC條件下照射光強度是1000 W/㎡,把最大功率展開就是電流乘上電壓乘上填充因數,再除上器件的面積。

Standard Test Conditions formula

根據這個公式可以看出,影響精准測量的因素除了STC條件,還有定性的測試、器件的面積和光強的校準。

STC條件及其意義::

  • STC即Standard Test Conditions。
  • IEC 60904-1 標準規範了所有光伏元件或是任何種類的太陽能電池的測試條件,都必須在STC條件下。也就是在AM1.5G太陽光光譜、照度強度為1000 W/㎡的光照射條件下,將待測樣品溫度控制在25±1℃內,方能進行電流電壓與最大功率測量。

  光譜、輻照強度、溫度,這三個因素都會顯著的影響太陽能電池輸出的最大功率,因此,要讓不同地點、不同時間等測量的結果具有可比性,就需要規範一個大家都認可與遵守的測量條件,STC標準應運而生。

Leave a Reply

回到頂端
Join Our Newsletter
Subscribe now to Enlitech Light Simulator and Quantum Efficiency newsletter.