基于太陽模擬器法的鈣鈦礦太陽電池測量方法研究

楊愛軍

(福建省計量科學研究院/國家光伏產業計量測試中心，福州 350003)

1 引 言

太陽電池是一種通過光電效應或者光化學反應直接把光能轉化成電能的裝置，光電轉換效率是衡量其性能優劣的關鍵指標。鈣鈦礦太陽電池的基本結構比較簡單，主要由導電玻璃基底、致密層、電子傳輸層、鈣鈦礦吸光層、空穴傳輸層、金屬電極等部分構成。鈣鈦礦太陽電池具有較高的光電轉換效率，其轉換效率在近10年中從3.8%一直飆升到22.7%[1,2]，引起各國研究者的關注。我國在鈣鈦礦太陽電池研究方面也不斷取得進展，器件的光電轉換效率緊跟世界記錄，并且在大面積制備技術和工藝方面具有領先優勢。

目前，鈣鈦礦太陽電池盡管在光電轉換效率方面十分突出，但在重復性、穩定性和性能評估方法等方面還存在許多亟待解決的問題。這些問題對其未來的實際應用產生了許多制約[3]，也給測量帶來了較大困難。由于鈣鈦礦太陽電池是近年來新研制的光電化學器件，與傳統的晶體硅太陽電池的工作原理不一樣，其性能的測量在國際上一直都沒有對應的方法，也導致測量數據不統一和缺乏權威性。本文介紹了基于太陽模擬器，用以真實表征鈣鈦礦太陽電池光電性能參數(即I-V特性曲線：包含短路電流、開路電壓、最大功率、光電轉換效率等參數)的測量方法，包括測量過程中對有效面積、太陽模擬器輻照度、光譜失配、溫度控制、I-V掃描設定等影響因素的規范。在理論分析和提出測量方案的基礎上，進行了參數測試和測量不確定度評估，進一步闡述了該測量方法的準確性、可靠性和實用性，可為規范鈣鈦礦太陽電池的測定參數和條件以及獲得真實光電性能提供參考。

2 測量條件與測量方案制定

根據IEC標準,對測試的外部條件和太陽模擬器進行了規范，保證所有太陽電池的測量條件一致，有利于開展對不同類太陽電池光電性能的評估。依據國際標準IEC 60904-1的要求，太陽電池的光電轉換性能測量需在標準測試條件(StandardTest Condition,STC)下進行，或者修正到STC(符合AM1.5G的光譜分布，1000W/m2的輻照強度，25℃的測量溫度)條件。

太陽模擬器法以太陽模擬器作為輻照光源，首先用經過溯源的太陽電池標定太陽模擬器的輻照度，然后采用替代法測量被測太陽電池的光電性能參數。依據國際標準IEC60904-9的要求，對使用的太陽模擬器在光譜不匹配度、輻照度不均勻度和輻照度不穩定度三個方面按性能優劣分別評為A、B和C級。考慮到穩態太陽模擬器可配合長掃描延遲設定以消除鈣鈦礦太陽電池的電容效應以及長時間測量中光源高穩定性要求，以及在缺乏與待測鈣鈦礦太陽電池光譜響應度匹配的標準電池情況下可能的高光譜失配度，本方法選擇A+穩態太陽模擬器進行測量：能保持一小時內輻照度不穩定度低于0.3%(A級要求為不超過2.0%)；光譜匹配度達到A+級別，在(300～1100)nm波段范圍內各波段不匹配度低于10%(A級要求為不超過±25%)，可大大降低光譜失配程度。

本文基于太陽模擬器法進行鈣鈦礦太陽電池測量中的太陽模擬器輻照度標定、有效面積測量、光譜失配評估、電池溫控和I-V特性曲線測量設定等方面的研究，并評估了該方法的測量不確定度。本方法的測量流程和測量設備如圖1所示。

圖1 鈣鈦礦太陽電池測量流程示意圖Fig.1 Illustration of measurement workflow for perovskite solar cells

太陽電池光電轉換效率的計算公式為

(1)

式中：IMPP——STC標準測試條件下[4]測得太陽電池的最大功率點電流，mA；VMPP——STC標準測試條件下[4]測得太陽電池的最大功率點電壓，V；IMPP×VMPP——最大發電功率,W；Seff——太陽電池有效轉換面積，mm2；E——入射輻照度，在STC標準條下為1000W/m2。

為得出太陽電池光電轉換效率，根據式(1)，需要確定式中各參數值。

2.1 太陽模擬器輻照度定標

測量采用的A+穩態太陽模擬器為輻照光源，其光譜匹配度、輻照度均勻度和輻照度穩定度均超過了標準定義的最優等級A級[5]的一倍。由于鈣鈦礦太陽電池樣品面積很小，太陽模擬器的光譜匹配度和長期穩定度對其性能的測量就更為重要，尤其是影響其光譜失配因子和測量重復性。輻照度定標的標準器采用經過溯源的WPVS太陽電池，圖2為用經溯源的WPVS標準電池定標太陽模擬器輻照度。

圖2 使用WPVS標準電池定標太陽模擬器輻照度Fig.2 Calibration of irradiance of solar simulator by using WPVS reference solar cell

2.2 有效面積的測量

在測量電池轉換效率之前，使用自動影像測量儀測量鈣鈦礦掩膜板開孔的面積。與一般的晶體硅電池的面積測量不同，由于鈣鈦礦太陽電池很小，定標用到的激光切割不銹鋼掩膜板面積很小且有細小毛刺，要特別注意測量設定，尤其是背景光開啟模式的設定會產生明顯的不同測量結果。對一片經校準的實際周長為12.32mm、開孔面積為9.00mm2的掩膜板，不同的環境光照射模式下(如圖3)測得的面積結果差異較大(如表1，每個環境光模式測得數據均為三次測量之平均值)。

表1 不同輔助環境光模式下測得掩膜板開孔面積和周長

圖3 不同環境光模式下掩膜板的形貌圖Fig.3 Shape appearance figure of mask under different ambient light modes

基于同一最大功率測得值，如分別取測得的最大面積9.04mm2與最小面積8.82mm2進行光電轉換效率的計算，結果的相對差異達到2.46%。由此可見，在進行鈣鈦礦太陽電池測量前，掩膜板開孔面積或者電池的有效轉換面積的測量尤為重要，測量時需要使用打光模式(模式1～模式3)，且光照強度不宜太強，否則會引起鏡頭過度曝光導致開孔邊緣圖形產生毛刺，直接影響最終面積的測量結果,進而影響到電池光電性能的測量結果。

2.3 光譜失配的評估

根據IEC60904-7，計算被測鈣鈦礦太陽電池的光譜失配因子MMF(Mismatch Factor)[6]如式(2)所示。

(2)

式中：Eref(λ)——標準光譜分布在特定波長下單位帶寬的輻照度，W/m2(AM1.5G參考光譜分布，由IEC60904-3規定和獲得[7])；Sref(λ)——WPVS標準太陽電池的相對光譜響應度，利用DSR(Differtial Spectral Response)系統測得(據此得到的CV值測量不確定度為0.7%，k=2)；Emeas(λ)——太陽模擬器光源光譜分布在特定波長下單位帶寬的輻照度，W/m2，用分光輻射儀測得；Ssample(λ)——被測太陽電池的相對光譜響應度，利用太陽電池量子效率儀測量。

在輻照度定標用標準電池的選用上，一般有兩種選擇，一是普通單晶硅WPVS標準電池，二是帶KG3或KG5封裝玻璃的WPVS標準電池。根據式(2)計算MMF過程中，Sref(λ)為KG3玻璃的WPVS標準電池的光譜響應度時，MMF=1.0629；Sref(λ)為KG5玻璃的WPVS標準電池的光譜響應度時，MMF=1.06331；Sref(λ)為普通單晶WPVS標準電池的光譜響應度時，MMF=1.0148，因此實際測量時采用普通單晶WPVS標準電池作為標準器，但由于|1-MMF|>1%，需要對太陽模擬器輻照度修正后再進行I-V曲線的測量[8,9]。

式中參數以及KG3、KG5封裝玻璃的WPVS標準電池的光譜響應如圖4所示。由于鈣鈦礦電池的光譜響應范圍僅為(300～875)nm，因此列出的波長范圍為(300～1100)nm，并代入式(2)進行計算，得到被測鈣鈦礦太陽電池光譜失配因子MMF。

圖4 AM1.5G參考光譜分布、太陽模擬器光譜分布、WPVS標準電池光譜響應和待測樣品光譜響應Fig.4 AM1.5G reference spectral irradiance, spectral irradiance of solar simulator used, spectral response of WPVS reference solar cells and spectral response of device under test

2.4 電池溫度的控制

普通晶體硅太陽電池測量時會監控被測樣品的溫度，并通過電池測量平臺進行控溫。但由于鈣鈦礦太陽電池的觸點在受光面的背后，目前還沒有特別有效的接觸辦法既能保證接觸良好又能具備優良溫控效果。本文中的被測鈣鈦礦太陽電池樣品是在恒溫恒濕實驗室進行，溫度波動±0.5℃。測量過程中使用PT100熱敏電阻貼合到待測樣品的背面，以監控測量過程中由于光照引起的溫升，各次掃描過程中待測樣品溫度應基本保持在(25.0±1.0)℃。

測試過程中發現，I-V特性曲線掃描后即便模擬器快門關閉不再照射樣品，待測樣品的溫度仍將繼續上升，因此要控制兩次I-V特性曲線掃描之間的間隔要不少于10min，保證可以依靠室溫恒溫的方式盡快將樣品的初始溫度恢復到24.5℃，這樣下次掃描時能大致控制掃描到最大功率點附近時電池的實時溫度在(25.0±0.2)℃。

2.5 I-V特性曲線測量

I-V特性曲線測量在恒溫(25.0±1.0)℃的實驗室內，使用A+級太陽模擬器進行。多次測量鈣鈦礦太陽電池的光電轉換特性，即電流電壓(I-V)特性，取平均值作為掃描結果。包含短路電流、開路電壓、最大工作電壓、最佳工作電流、輸出功率以及填充因子等參數。

由于目前鈣鈦礦太陽電池研制工藝的限制，導致被測電池樣品面積小、輸出功率小，為減小接觸電阻的影響，電池和源表采用四線法連接；同時，掃描條件設置為：電壓掃描范圍(-0.1～+1.2)V，掃描步長0.01V，延遲時間0.1s。這樣的設置既能保證測量準確度，以消除鈣鈦礦太陽電池的電容效應，同時又能保證測量時間不會過長引起電池的過度升溫。正反掃的I-V曲線和P-V曲線如圖5所示。

表2為國內某單位研發的太陽電池的測量結果。

圖5 鈣鈦礦太陽電池正-反掃的I-V曲線和P-V曲線Fig.5 I-V and P-V curve by forward / backward scan for the perovskite solar cell under test

ForwardnArea (cm2)ISC (mA)VOC (V)FF (%)η (%)PMPP(mW)VMPP(V)IMPP(mA)10.09032.1361.110 79.6720.901.8890.9621.96820.09042.1361.110 79.4220.831.8830.9511.98230.09042.1361.111 79.5620.881.8880.9531.965Average0.0904 2.136 1.110 79.5520.871.887 0.9551.972BackwardnArea (cm2)ISC (mA)VOC (V)FF (%)η(%)PMPP(mW)VMPP(V)IMPP(mA)10.09032.1341.100 77.6420.341.8390.9411.95720.09042.1341.100 77.5120.311.8360.9401.95430.09042.1311.100 77.3420.21.8310.9421.948Average0.0904 2.133 1.100 77.5020.301.835 0.9411.953

由表2數據可以看出，即便在溫控條件和正反掃參數盡量優化的情況下，正反掃測得的最大功率相差仍比較明顯，相對偏差約為2.8%。根據本單位累積測量數據分析，如果將掃描延遲時間減少到測量普通晶硅電池的0.1ms，則正反掃的功率差異會超過5%；若繼續增大掃描延遲時間超過0.1s，正反掃功率差異沒有繼續減少，且電池溫升將超過1℃。從以上分析得知，上述掃描設置為被測鈣鈦礦太陽電池的最優測量設置。

3 測量不確定度評估

式(1)即為轉換效率η的測量模型，因此η的測量不確定度由最大功率點電流IMPP、最大功率點電壓VMPP和有效轉換面積Seff引起，下面對三個測量參數的測量不確定度進行評估。

3.1 最大功率點電流的測量不確定度評估

鈣鈦礦太陽電池的最大功率點電流測量方法為直接測量，建立測量模型為y=IMPP，下面逐一分析各個不確定度分量。

(1)電流測量重復性引起的不確定度分量u1

由對待測樣品的多次測量后根據貝塞爾公式求得標準偏差獲得，此項不確定度分量為u1=0.46%。

(2)上一級標準器校準引起的不確定度分量u2

采用DSR法校準過的單晶硅WPVS標準電池作為輻照度定標的上一級標準器，標準電池短路電流的校準不確定度為Urel=0.70%(k=2)，因此u2=0.35%。

(3)溫度控制偏差引起的不確定度分量u3

由于鈣鈦礦太陽電池電參數的溫度系數暫時無法測量，此項不確定度分量引用了一般普通單晶硅太陽電池電流溫度系數測量數據(0.053%/℃)，且按測量過程中溫度變化為1℃評估，則u2=0.053%。

(4)由于光譜失配引起的不確定度分量u4

由于使用的WPVS標準太陽電池和待測電池的光譜響應以及標定用的太陽模擬器的光譜分布和參考AM1.5G標準光譜均不完全一致，由此進行的光譜失配修正將引入測量不確定度，典型的光譜失配修正引起的測量不確定度分量為u4=0.05%(8)。

(5)標準器/待測物位置重復性和太陽模擬器輻照度不均勻引起的不確定度分量u5

本研究中使用的太陽模擬器在21cm×21cm范圍內不均勻度僅為0.9%，而WPVS標準電池和待測鈣鈦礦太陽電池的有效轉換面積分別只有4.01cm2和0.0904cm2，只要WPVS標準電池和待測鈣鈦礦太陽電池的定位準確，標準器/待測物位置重復性和太陽模擬器輻照度不均勻度帶來的不確定度可以忽略。

(6)太陽模擬器輻照度不穩定度u6

根據校準報告，本研究中使用的太陽模擬器在暖燈后三小時內的輻照度不穩定度為0.2%，而待測電池的電流測量值與太陽模擬器的輻照度成絕對線性關系，因此評估u6=0.2%。

IMPP的測量不確定度評定匯總如表3所示。

表3 IMPP的測量不確定度評定匯總表

3.2 最大功率點電壓的測量不確定度評估

鈣鈦礦太陽電池的最大功率點電壓測量方法為直接測量，建立測量模型為y=VMPP，下面逐一分析各個不確定度分量。

(1)電壓測量重復性引起的不確定度分量u1

由對待測樣品的多次測量后根據貝塞爾公式求得標準偏差獲得，此項不確定度分量為u1=0.62%。

(2)太陽模擬器輻照度不穩定度引起的不確定度分量u2

本次評估使用的太陽模擬器帶有輻照度光反饋線路因此評估過程中輻照度不穩定度不超過0.2%，由此引起的電壓測量不確定度估算為0.05%。

(3)溫度控制偏差引起的不確定度分量u3

由于鈣鈦礦太陽電池電參數的溫度系數暫時無法測量，此項不確定度分量引用了一般普通單晶硅太陽電池電壓溫度系數測量數據(0.306%/℃)，且按測量過程中溫度變化為1℃評估，則u3=0.306%。

VMPP的測量不確定度評定匯總于表4。

表4 VMPP的測量不確定度評定匯總表

3.3 有效光電轉換面積的測量不確定度評估

鈣鈦礦太陽電池的有效光電轉換面積測量方法為直接測量，建立測量模型為y=Seff。下面逐一分析各個不確定度分量。

3.3.1 面積測量重復性引起的不確定度分量u1

由對待測樣品的多次測量后根據貝塞爾公式求得標準偏差獲得，此項不確定度分量為u1=0.078%。

3.3.2 上一級標準器校準引起的不確定度分量u2

采用的自動影像測量儀的相對擴展校準不確定度為0.12% (k=2)，此項不確定度分量為u2=0.06%。

Seff的測量不確定度評定匯總于表5。

表5 Seff的測量不確定度評定匯總表

3.4 鈣鈦礦太陽電池轉換效率的測量不確定度評定

4 結束語

本文基于太陽模擬器法，并根據鈣鈦礦太陽電池的制備特點和光電特性，研究了一套專用的測量方法，使樣品穩定周期內容易復現。本測量方法涉及WPVS標準電池的指標和類型的選擇，并考慮到對測量結果影響比較大的掩膜板面積測量、I-V特性曲線掃描設定和樣品溫控等因素，提出了相應的合理解決方案。進一步，對關鍵計量參數光電轉換效率進行了測量不確定度評定，Urel=2%(k=2)，從而構建了光伏領域研發熱點的鈣鈦礦太陽電池性能參數的準確測量方法，也為其他新型太陽電池性能參數的測量提供了依據。