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擁有A+級光譜的太陽光模擬器如何更精准評估鈣鈦礦太陽能電池? B SS X Cover

為什麼最新的 IEC 60904-9:2020 標準為太陽模擬器分類設置了 A+ 級光譜?

擁有A+級光譜的太陽光模擬器如何更精准評估鈣鈦礦太陽能電池?

IEC(國際電工委員會)在2020年正式發布了最新的太陽模擬器評估標準IEC 60904-9:2020。與之前的版本IEC 60904:2007相比,主要有以下三點區別:

  1. 它為光譜評估增加了 300nm~400nm 的光譜範圍。

  2. 它改變了每個光譜帶的波長范圍。

  3. 它為太陽能模擬器光譜添加了新的 A+ 光譜等級。

表 1 顯示了 IEC 60904-3 中給出的新的全球參考太陽光譜輻照度分佈對波長間隔對總輻照度的貢獻。根據這些貢獻部分,IEC 60904-9:2020 將太陽模擬器的分類定義為 4 個等級,A+、A、B 和 C,見表 2。其中,A+ 等級是 IEC 60904-9 中的新等級:2020 與之前的標準 IEC 60904-9:2007 相比。

擁有A+級光譜的太陽光模擬器如何更精准評估鈣鈦礦太陽能電池? Table 1 AM1.5G reference solar spectral irradiance

表 1. AM1.5G 參考太陽光譜輻照度分佈不同區間對總輻照度的貢獻。 [IEC 60904-9:2020]

solar simulator classifications

表 2. 太陽模擬器分類的定義。 [IEC 60904-9:2020]

我們可以發現,對更好的模擬器頻譜的要求是這次新修訂的主要重點之一。主要是為了應對鈣鈦礦太陽能電池等高效太陽能電池的蓬勃發展,可以使用更準確的光譜來更準確地表徵太陽能電池的轉換效率。更準確的頻譜含義包括更廣的評估範圍和更詳細的分級頻段,可以更接近AM1.5G頻譜。

Enlitech 積累了十多年的人工光源構建開發SS-X 系列,新一代太陽能模擬器,符合最新的 IEC 60904-9:2020 標準。SS-X系列太陽模擬器與 AM1.5G 光譜具有更好的光譜匹配。根據 IEC 60904-9:2020,光譜等級被歸類為 A+。更好的頻譜特性可以幫助用戶獲得更準確的IV曲線和更好的光伏轉換效率,從而加速用戶的研發成果。

A+ 級和 A 級光譜

圖 1 和表 3 顯示了 Enlitech 的SS-X太陽模擬器光譜和其他製造商的光譜。

solar simulator AM1.5G spectrum

圖 1. Enlitech 的輻照光譜的SS-X和其他品牌的太陽能模擬器。還顯示了 AM1.5G 頻譜以進行比較。

擁有A+級光譜的太陽光模擬器如何更精准評估鈣鈦礦太陽能電池? B SS X Table 3 The spectrum grades of solar simulators

 

表 3. SS-X的光譜等級和其他品牌的太陽能模擬器,根據 IEC 60904-9:2020 進行分級。

 

這表明根據新的IEC標準,SS-X在每個波段都有更好的光譜等級。根據新的 IEC 標準,在每個波段都有更好的光譜等級。每個波段的最大光譜誤差小於9%(A+級要求小於12.5%)。與其他品牌相比,雖然各頻段均達到A級要求(誤差25%),但772nm~919nm頻段誤差高達21%。該IR波段覆蓋了許多新型太陽能電池的吸收帶邊緣,如鈣鈦礦太陽能電池和有機太陽能電池,這會影響IV和轉換效率結果。因此,光譜匹配對於準確的 PV 表徵非常重要。

真實太陽能電池裝置的驗證

選擇了具有與有機和鈣鈦礦太陽能電池相似的吸收帶邊緣和 EQE 曲線的穩定器件。 EQE曲線如圖2所示,由Enlitech的QE-R EQE系統測得。 QE-R系統是目前世界上最好的EQE測試系統。它被許多國際光伏研究實驗室採用。近五年來,已有1000多種SCI期刊點名引用QE-R,尤其是Jsc(EQE)測試結果,得到了世界各國專家學者的認可。

擁有A+級光譜的太陽光模擬器如何更精准評估鈣鈦礦太陽能電池? B SS X Figure 2 DUT EQE Curve

圖 2. 被測器件 (DUT) 的外部量子效率 (EQE) 光譜,其具有與鈣鈦礦太陽能電池和有機太陽能電池相似的 EQE 響應。

如何驗證不同模擬器得到的IV結果的準確性?
我們在向科學期刊投稿時會採用最常見和最重要的方法:Jsc(SS)和Jsc(EQE)比較。 Jsc(SS) 表示在太陽能模擬器下測試的短路電流密度。 Jsc(EQE) 是 EQE 曲線與 AM1.5G 譜的積分短路電流密度。 Jsc(EQE)的方法在IEC 60904-7標準中有詳細描述。 Jsc(SS)和Jsc(EQE)之間的區別被視為PV學會和期刊審稿人對可靠表徵結果的判斷。一般情況下,如果Jsc(SS)和Jsc(EQE)的差異在5%以內,期刊的審稿人就會認為是準確可信的結果。我們將使用這種方法來驗證 A+ 和 A 太陽模擬器光譜之間的差異。實驗步驟描述如下:

  1. 一塊 WPVS 型參考太陽能電池在 850nm 處具有吸收帶邊並由 NREL 校準,用於校準太陽模擬器的光強度。

  2. IVS-KA6000 IV 軟件用於控制 SMU Keysight B2901 讀取被測設備的電流-電壓曲線。

  3. 鉑溫度傳感器用於監測被測器件的溫度變化,以盡量減少溫度變化引起的誤差。

IV曲線和太陽能電池性能如圖3所示。Enlitech 的SS-X50和其他品牌太陽能模擬器的短路電流密度分別為 22.388 mA/cm2 和 21/482 mA/cm2。兩個太陽模擬器下的Jsc(SS)相當接近,但是哪個更準確呢?我們可以與 Jsc(EQE) 進行比較,這將表明哪個結果更準確。從圖 2 可以看出,Jsc(EQE) 是由 AM1.5G 頻譜從 EQE 曲線積分而來的,等於 22.44 mA/cm2。

擁有A+級光譜的太陽光模擬器如何更精准評估鈣鈦礦太陽能電池? B SS X Figure 3 The IV curves and solar cell performance parameters.

圖 3 IV 曲線和太陽能電池性能參數。

擁有A+級光譜的太陽光模擬器如何更精准評估鈣鈦礦太陽能電池? B SS X Table 4 JscSS and JscEQE comparison table.

表 4. Jsc(SS) 和 Jsc(EQE) 對比表。

 

對比表顯示了表4中的Jsc(SS)和Jsc(EQE)。從表4中我們可以發現SS-X50太陽模擬器下的Jsc(SS)與Jsc(EQE)非常接近。差異為0.11%,遠小於其他品牌太陽模擬器下Jsc(SS)與Jsc(EQE)的差異(2.18%)。這是因為SS-X50的頻譜等級為A+,與AM1.5G頻譜有更好的頻譜匹配。因此,它可以提供更準確的 PV 測試結果,而無需任何光譜失配校正。其他品牌的太陽模擬器光譜為A級。然而,712nm~919nm波段的光譜與AM1.5G光譜負偏差超過20%,這是Jsc(SS)與Jsc(EQE)有較大差異(2.18%)的主要原因。

從上述結果來看,如果測試程序進行得當,A+級和A級太陽模擬器都可以提供Jsc(SS)和Jsc(EQE)之間的小於5%的差異。然而,隨著現代高效太陽能電池發展的競爭日益激烈,0.3%的PCE差異顯得相當重要,這可能會創造新的世界紀錄。因此,選擇A+光譜級的太陽模擬器是必要和有價值的。

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