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鈣鈦礦及OPV太陽能電池精準測量的十年：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驚人的成長，然而其效率測試方法與單晶矽電池的光譜響應存在明顯的光譜失配差異問題。為避免量測結果誤差，我們對鈣鈦礦、OPV 等新型太陽能電池進行精準量測時需要考慮測試的響應時間、光譜失配修正、光源光強校正等因素，以減少測試誤差與不確定度。
如同鈣鈦礦效率呈現螺旋式提升的發展趨勢，鈣鈦礦的精準量測技術也是研究人員在不斷嘗試中成長、累積經驗並向前邁進。接下來，讓我們一起回顧十年來鈣鈦礦及 OPV 太陽能電池精準量測重要性的發展歷程和重要里程碑。
意外發現的契機
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（元件實驗室），以 NREL 測試結果為基準值發表在 GMCA 上的一篇文章。
透過比較，我們可以發現傳統單晶矽電池結果的差異大約在 3.8% 左右。但是針對響應速度較慢的鈣鈦礦電池，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，進而影響產業的發展。這為後續產業界在鈣鈦礦及 OPV 精準量測方法的推進工作埋下了伏筆。
持續改進的成長歷程
事實上，從 2006 年 OPV 崛起開始，學界就非常重視鈣鈦礦精準量測的重要性，2010 年因遲滯效應而受到矚目的鈣鈦礦更使這個議題獲得廣泛關注。
2014 年，Nature 刊登了三篇文章來說明這個議題的重要性，文章主要闡述了不準確的量測結果會誤導研究方向，進而阻礙太陽能電池的發展。
2015 年，Nature 全系列期刊要求投稿作者必須提供「Solar Checklist」，目的是為了避免不正確結果的刊登影響 Nature 本身的信譽以及該領域的發展。這份文件要求投稿者要詳細記錄實驗室中測試的相關條件，核心目的是確保發表的資料具有可重複性，由此可見精準量測在指標期刊發表的重要性。
目前，不論是鈣鈦礦電池或是有機太陽能電池，投稿 Nature 系列的期刊都需要提供前文提到的「Solar Checklist」。例如，2019 年游經碧教授的鈣鈦礦太陽能電池和 2019 年侯劍輝教授的有機 OPV 的研究成果皆可看到他們所提交的「Solar Checklist」。
謹慎前進的標準制定
回到本文開頭所提到的 35% 量測差異問題，究竟是什麼原因造成鈣鈦礦電池/OPV 電池與傳統單晶矽電池的測試在不同時間有如此大的差異？
這其中有四個方面的顯著差異：
- 首先是光譜響應範圍，單晶矽電池光譜響應到約 1100nm，而鈣鈦礦與 OPV 目前在 800nm~900nm 左右。
- 其次是外觀不同，一個是在矽晶片上，一個是在玻璃基板上。
- 第三是外部電路的連接方式不同，一個是 substrate，另一個是 superstrate。
- 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進行電荷傳輸。
那麼該如何精準量測鈣鈦礦和 OPV 呢？
首先，我們可以先參考 UCLA 在 2006 年發表的文章。這可說是 OPV 領域第一篇系統性探討精準量測的文章。2006 年是 PCBM 的時代，效率剛突破 4.7%，當時對 OPV 精準量測的相關知識相當有限，因此 UCLA 和 NREL 合作撰寫了這篇論文，詳細說明如何精確校正模擬器，以及如何利用光譜失配對 OPV 進行精準量測。
如果我們希望精準量測鈣鈦礦和 OPV 的電性特性曲線，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，就必須在標準測試條件（STC）下進行量測。由下面這個效率的公式可以得知影響精準量測的因素。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，再除以元件的面積。
根據這個公式可以看出，影響精準量測的因素除了 STC 條件，還包含定性的測試、元件的面積和光強的校正。
STC 條件及其意義：
- STC 即 Standard Test Conditions。
- IEC 60904-1 標準規範了所有太陽能電池元件的測試條件，都必須在 STC 條件下進行。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量測。
光譜、輻照強度、溫度，這三個因素都會顯著影響太陽能電池輸出的最大功率。因此，要讓不同地點、不同時間的量測結果具有可比較性，就需要制定一個大家都認可與遵守的量測條件，STC 標準因而產生。
