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光模擬器

太陽能電池是一種器件,可吸收太陽光透過光生伏打效應(Photovoltaic)將光能轉換成電能。利用半導體的二極管結構,將P型半導體與N型半導體接合形成PN結的設計,可以有效地吸收太陽光以產生電流與電壓。

常見問答 Q2 1 3

太陽能電池,最重要的測試就是在照光條件下電流與電壓的測試曲線。由電流與電壓測試曲線可以分析出主要幾個最重要的參數,包含短路電流、開路電壓、最大功率、轉換效率等等,都是評價一個太陽能電池好壞的重要參數。

測試太陽能電池的主要電性能參數,你會需要一台A+級的太陽光模擬器、SMU、與IV測試分析軟體KA6000。

可以參考下列文章,您可以對於評價太陽能電池的電性參數可以有更進一步的了解。

  1. 為什麼源表SMU要自帶濾波與平均功能?
  2. 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?
  3. 太陽光模擬器 – 基礎知識與工作原理介紹

值得一提的是,光焱科技的 IVS-KA6000 PV測試IV軟體,歷經了10年的開發經驗,可控制多種SMU,依據所設定的測量參數,進行電流與電壓的數據採集,且其分析的公式與演算法是依據NREL所開發釋出的演算法。本系列文章將詳細介紹IVS-KA6000 的強大特點功能,讓您了解IVS-KA6000如何加速您在太陽能電池研究領域的效率提昇。並已協助多個客戶創下最高的電池轉化效率,並登上NREL的認證效率表。例如中科院23.3%鈣鈦礦太陽能電池UNIST的24.8%鈣鈦礦太陽能電池華南理工中南大學Y6材料的15.7%有機電池中科院化學所18%有機太陽能電池等。請點擊IVS-KA6000 ,可以下載免費試用喔~~

檢測太陽能電池的光源稱為太陽光模擬器。能夠用於精準測量太陽能電池轉換效率的太陽光模擬器,是必須要符合IEC 60904-9:2020 太陽光模擬器的分級評價國際標準。對於光源照射的不均勻度,可以使用WPVS矽晶太陽能電池作為輻照度的檢測器來確定太陽光模擬器測試區域的輻照度不均勻度。

常見問答 Q3 1

 

利用IEC 60904-9:2020上的計算公式:

常見問答 Q3 2

來計算輻照度的不均勻度不均勻度。如上圖,即是2 cm x 2 cm 封裝的 WPVS Si 參考電池測量 8×8 矩陣。最大和最小強度被標記。空間不均勻度為 1.39%。

在測量的過程中,應該要注意光源的輸出透鏡與輻照度檢測器間的多次反射,是否會引起測量誤差。同時應該避免其他機構件造成的多重反射(特別是白色的夾治具),常常會造成評價的誤差。

檢測太陽光模擬器的光強不穩定度,也是依照IEC 60904-9:2020的國際規範。

穩定度指標,要求太陽光模擬器輸出光束保持穩定的光照度,以確保太陽能電池效率測試之準確性。不穩定度的計算公式如下:

常見問答 Q3 3

穩定度依照IV測量系統的不同,可分為兩類:

瞬時不穩定度 (Short-term Instability, STI):在IV量測過程中,每一個資料點包含光照度、電壓、電流等三筆資訊,如果這三筆資料由不同channel量測,並且為同時取值(取值時間差在10 ns內),對標定的光譜範圍為400~1100 nm而言,其瞬時穩定度即為Class A等級;對標定的光譜範圍為300~1200 nm而言,其瞬時穩定度即為Class A+等級。

長時不穩定度 (Long-term Instability, LTI):對於使用三個channel分別量測光照度、電壓、電流三種數值的IV量測系統,LTI的數值即為擷取整個IV量測的時間。

更多關於太陽光模擬器的基礎知識,包含:

什麼是太陽光譜?什麼是大氣質量?什麼是太陽光模擬器?如何量測太陽光模擬器的光譜合致度等等問題,可以參考” 太陽光模擬器 – 基礎知識與工作原理介紹

EQE/光子-電子轉換測試

  先說結論。新型太陽能電池的能隙,目前主流使用外部量子效率光譜EQE的微分,作為光學能隙(Optical Bandgap)分析的有效方法。並且符合太陽能電池中重要的Shockley-Queisser理論模型的預測。

  基於有能隙踢度的太陽能電池,分析其能隙與相關的缺陷的相關方法,可以參考1983年發表在Journal of Applied Physics的文章「Theoretical analysis of solar cells based on graded band-gap structures」。文中是針對無機太陽能電池,特別是III-V GaAs太陽能電池來進行的理論計算。

  對於新型太陽能電池,如鈣鈦礦太陽能電池與有機太陽能電池領域,對於其元件的能隙的測試,特別適用於與肖克利-奎伊瑟平衡極限理論(Shockley-Queisser balanced limit) 相關的缺陷擬合時,都是採用外部量子效率(External Quantum Efficiency)光譜來進行其能隙的定量分析。

  2021年Christoph J. Brabec 等科學家,在Advanced Energy Materials 發表了” Quantifying the Absorption Onset in the Quantum Efficiency of Emerging Photovoltaic Devices”。文中,針對新興光伏電池的能隙能量對於轉換效率與Shockley-Queisser模型中的關係。透過Sigmoid 函數評估並證明EQE外部量子效率光譜來可有效評估Eg能隙能量。並且EQE所得到的短路電流密度積分,可以對應Shockley-Queisser理論模型預測。

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