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Indoor-Photovoltaic measurement method

2021侯劍輝、高峰Joule最新發布4個室內太陽能電池精准測量方法

2021 Joule_Hou Jianhui and Gao Feng _ Latest Accurate Indoor-Photovoltaic Measurement Method 2021侯劍輝、高峰Joule最新發布4個室內光伏精准測量方法

第一作者: 崔勇

通訊作者:高峰侯劍輝

DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.029

Contents

本文亮點

1. 針對室內太陽能電池測試,常見的5種測量誤差進行說明與實驗評估。

2. 本文提出4個室內太陽能電池精准測量的實用建議。

3. 文中強調光譜儀在測量室內光光強度方面比傳統照度計(Lux meter)更可靠。

4. 通過採用本文中建議的方法,可以可靠地評估 PCE 結果,確保太陽能電池在室內應用的健康發展。

前言

  2020年5月,Joule雜誌發表了中科院化學所 侯劍輝研究員與 瑞典林雪平大學 高峰教授最新的室內太陽能電池精准測量方法的研究成果。針對身具潛力的室內太陽能電池候選者-有機太陽能 (OPV) 電池,來系統性研究測量誤差的起源。文中測量了常用光源的時間穩定性和空間均勻性,以評估其可靠性。並且發現光譜儀在測量室內光的光強度方面比照度計更可靠。也發現室內光的非平行性是造成測量誤差的主要原因之一,面積較大的電池更適合進行室內太陽能電池測量。此外,雜散光對室內太陽能電池測量的準確性也有顯著影響,因此必須仔細消除由掩範本和其他測試工具的散射光。最後,作者提出了一種可行的測量方法來可靠地評估室內應用的 OPV 電池的 PCE。

背景介紹

  近年來,人們越來越關注探索將人造室內光有效轉換為電能的太陽能電池,因為它們為驅動室內應用的微功率電子設備提供了一個有吸引力的機會。 隨著掌上型裝置以及可穿式電子產品與IoT的迅速發展,數百億個低功耗室內應用的電子設備需要大量的離網電能。太陽能電池已經證明可有效將室內環境中低強度光能轉換成微瓦到兆瓦等級的裝置,被公認是驅動低功耗電子設備的理想選擇。

  這也讓新興的太陽能電池技術得到了蓬勃發展的新應用機會。其中有機太陽能電池(OSC)與鈣鈦礦太陽能電池(PSC)已被證實在低照度、室內光的環境下,具有更高的發電效率。隨著這一領域的快速發展領域,開發可靠的測量協議至關重要,以便可以在室內照明下準確評估太陽能電池的轉換效率。

  文中分析了5個常見的誤差來源:

  1. 光源時間穩定性引起的測量誤差
  2. 光強測量方法引起的測量誤差
  3. 光源空間均勻性引起的測量誤差
  4. 太陽能電池邊緣效應引起的測量誤差
  5. 雜散光引起的測量誤差

  更多細節在這篇文章的內容中有描述。

根據上述誤差來源的研究,本文針對室內太陽能電池準確測量提出了4個實用建議:

光源的要求:

  用於家庭照明的白光 LED 和 螢光燈管FL在仔細評估時間不穩定性和光強分佈均勻性達到要求後,才可用作室內太陽能電池的光源。光源的的時間不穩定性與空間分佈均勻性要求,可以參照IEC 60904-9 AAA級太陽模擬器標準。其中室內PV測量用光源的時間不穩定性應<2%。PV特性應在光強空間分佈不均勻度<2%的照明區域進行測試。

應使用掩範本進行IV測試:

  掩範本應盡可能薄,與電池的透明基板尺寸相同或更大,並需要進行抗反射處理。孔徑面積應略小於電池的不透明金屬電極。文中舉例,9 x 9 mm2 孔徑適用於 10×10 mm2 電池。

使用幅照度光譜儀進行光譜的測量與光強度的校準:

  光譜輻照度和光強度應由精確的光譜儀來校準標定,不可使用傳統的照度計來進行標定,會產生極大的誤差。光譜儀的操作應注意:

(1) 餘弦收集器不能被污染;

(2) 探頭應放置在樣品待測的位置進行光強度與光譜的測量;

(3) 探頭的平面應與待測電池的平面保持相同的水準;

(4) 光譜儀需要每年(12個月)校準一次,以保持測試的準確性。

Jsc(EQE)與Jsc(IV)的比對差異< 5%,以驗證測試的結果:

  EQE 定義為輸出電子數與入射光子數之比。 Jcal 可以通過 EQE 曲線和光子通量光譜計算。

公式如下:

Jcal EQE curve and photon flux spectrum

  因此,可以利用EQE的測試結果對室內光源的光譜(由光譜儀測得)進行積分計算得到Jcal也就是Jsc(EQE),來驗證PV在室內光下IV測量的Jsc(IV)進行比對,兩者的差異應小於5%。因此,PV的EQE曲線和入射光的幅照度光譜是精准測量必要的。

圖表解析

PV measurement and light source Diagrams

圖 1. PV測量與光源對比示意圖。

(A) PCE 測量的典型設置示意圖。 (B) 6,500 K LED 燈泡和 6,500 K FL 螢光燈管連續工作 3 小時的照度圖。調整光源與高精度光譜儀的距離控制初始照度值為500 lux,連續監測照度值。(C) 三個照度計和光譜儀在 6,500 K LED 燈泡和 6,500 K FL下的照度比較。照度計和光譜儀的傳感器放置在同一位置。

Light Power Distribution (LPD)

圖 2. 光功率分佈(LPD)。

6,500K LED燈泡的LPD。測量中心位於光源中心正下方。 H 是光源與水平面(X 和 Y 方向)之間的距離。 D 是 LED 燈泡的直徑。光譜儀在 20 x 20 cm2 的水平面內在 X 和 Y 方向上以 1 cm2 的步長手動移動測試。

Schematic diagram of the cross-section

圖 3. 器件橫截面示意圖與入射光線的路徑圖。

  器件的透明基板的厚度明顯大於電池的厚度。粉色矩形代表透明電極;綠色矩形代表活動層;為清楚起見,省略了介面層;銀色矩形代表金屬電極。右側顯示的是 (1) 來自面罩的反射光(紅線); (2) 來自測試夾的反射光(藍線); (3) 來自測試盒的反射光(綠線)。

EQE spatial distribution diagram of device

圖 4. 器件EQE的空間分佈圖。

(D) 不帶遮罩的 9.80 mm2 器件的EQE空間分佈圖。白色範圍內的 EQE 值約為 85%。

(E) 不帶遮罩的 1.07 cm2 設備的EQE空間分佈圖。白色範圍內的 EQE 值約為 85%。

OPV device architecture and the alignment of the mask

圖 5. OPV 器件架構和掩模板對齊的示意圖。

Comparison of device EQE curve and Jsc deviation

圖 6. 器件EQE曲線圖與Jsc差異比較。

(A) OPV 電池的 EQE 曲線。內圖顯示了 6,500 K LED 燈泡在 500 lux下的光子通量光譜。 EQE 測量系統的氙燈具有每 3 小時≤ ±0.5% 的不穩定性。 EQE 值的不確定度在 400-940 nm 範圍內≤ ±2.8%。

(B) 電池主動區面積對 Jsc 的影響。(C) 孔徑面積對 Jsc 的影響。

(D) 掩範本反射光對 Jsc的影響。測試箱的反射光被黑色擋板擋住。所有標準偏差約 ± 0.5。

(E) 測試盒示意圖。為了消除其他光源的影響,在黑暗的測試箱中進行測量。

(F) 雜散光對 Jsc 的影響。從左到右,標準偏差為 ± 0.5、± 0.6 和 ± 0.5。

SC_Joule_Hou Jianhui OPV cells performance parameters under 6500K LED at 500lux

圖 7. OPV 電池在 6500K LED 500lux 下的性能參數。

對應的 Pin 為 167 uW/cm2。 這也顯示了 Jcal,它來自 EQE 與 LED 輻照度光譜的積分計算。

  Jcal 或 Jsc(EQE) 是從 EQE 光譜中獲得的,它是 EQE 光譜與室內燈輻照度光譜的積分。 EQE 曲線均由 Enlitech 的 QE-R 量子效率系統測量QE-R量子效率系統的精度性能與該表中的Jsc(IV)非常吻合。 Jsc(IV)和Jsc(EQE)的偏差為2%~3.2%,達到期刊接受要求5%。

小結

本文設計了一系列實驗來分析室內太陽能電池測量誤差的來源。文中證明,只要在測量前檢查

  1. 常用 LED 或 FL 光源的時間穩定性
  2. 光強空間不均勻度

就足以用於 PV 測量。光譜輻照度和光強度應由精准的光譜儀校準,不應使用照度計。在評估電池的面積和孔徑與電池的面積比後,文中建議孔徑稍小的 1 cm2 或更大的電池適合 PV 測量。為了盡量減少雜散光的影響,在PV測量中應仔細消除由環境引起的光反射和散射。文中提出了一種實用的方法來評估用於室內應用的太陽能電池的 PCE。通過採用文中建議的方法,讀者可以可靠地評估 PCE 結果,確保太陽能電池在室內應用的健康發展。

文獻訊息

Accurate Photovoltaic Measurement of Organic Cells for Indoor Applications

Yong Cui, Ling Hong, Tao Zhang, Haifeng Meng, He Yan, Feng Gao, Jianhui Hou  

DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.03.029

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