高效鈣鈦礦太陽電池測量評估方法研究

黎健生 陳彩云 徐欣 梁林

摘要：高效鈣鈦礦太陽電池是近年來光伏界的主要研究熱點之一，得益于其原材料價格低廉，制程工藝較晶硅技術(shù)簡單，制造能耗較低，有望成為未來光伏行業(yè)的替代性發(fā)電技術(shù)。然而鈣鈦礦太陽電池關(guān)鍵電參數(shù)的準確測量也是近年來的行業(yè)難題之一，主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)的電流-電壓特性曲線測量方法不能充分客觀反映鈣鈦礦太陽電池的發(fā)電性能，以及缺乏針對其穩(wěn)定性的測量和評估方法。文中研究和提出一套針對高效鈣鈦礦太陽電池測量和評價方法，并根據(jù)對三種常見尺寸的鈣鈦礦太陽電池的電性能測量結(jié)果，分析了鈣鈦礦太陽電池的遲滯效應和穩(wěn)態(tài)光照下的功率衰減情況，為光伏行業(yè)評估高效鈣鈦礦太陽電池電性能提供了具有一定實操性的技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高效鈣鈦礦太陽電池；電性能；測量方法

Study of Measurement Methods for High Performance Perovskite Solar Cells

LI Jiansheng1，2， CHEN Caiyun1，2， XU Xin3，? LIANG Lin3

（ 1 Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350003， Fujian， China ）

（ 2 National PV Industry Measurement and Testing Center， Fuzhou 350003， Fujian， China ）

（ 3 Taizhou Metrology Institute， Taizhou 318000， Zhejiang， China ）

Abstract： High performance perovskite solar cells have been one of the main research focuses in the photovoltaic industry in recent years. Thanks to their low cost of raw materials， simpler manufacturing process compare to silicon technology， and lower manufacturing energy consumption， it is expected to become an alternative power generation technology in the future. However， the accurate measurement of the key electrical parameters of perovskite solar cells is also one of the challenges in the industry， mainly because the traditional measurement method of current-voltage characteristic curve can not reflect the power generation performance of perovskite solar cells completely and objectively. Additionally， Measurement and evaluation methods for theirs stability is another difficulty. This paper studies and proposes measurement and evaluation methods for high-performance perovskite solar cells. Based on the electrical performance measurement results of three common sizes of perovskite solar cells， the hysteresis effect of perovskite solar cells and the power attenuation under steady state lighting are analyzed， which provides a practical technical reference for the industry to evaluate the electrical performance of high performance perovskite solar cells.

Key Words： High performance perovskite solar cells; Electrical performance; Measurement method

0 概述

鈣鈦礦太陽電池的基本結(jié)構(gòu)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(gòu)成[1]，制備工藝也相對簡單。光電轉(zhuǎn)換效率是衡量太陽電池性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標，新型鈣鈦礦太陽電池從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，需要不斷提升轉(zhuǎn)換效率及長期發(fā)電穩(wěn)定性。近年來，鈣鈦礦太陽電池的實驗室光電轉(zhuǎn)換效率提升迅速，我國多家科研機構(gòu)不斷產(chǎn)生新的研究成果。到2022年底，我國研發(fā)的不同尺寸的新型鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率已達到22.4%～23.7%，疊層鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率更是達到26.4%（全鈣鈦礦疊層）、24.2%（鈣鈦礦-CIGS）和31.3%（鈣鈦礦-晶硅）[2]。

然而，目前國內(nèi)外多家實驗室的測量方法均有明顯差異，也并無專門針對鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率的測量評估標準。《Solar Cell Efficiency Tables》自2021年6月開始，針對鈣鈦礦和有機材料制備的太陽電池的申請，只接受至少5分鐘的穩(wěn)態(tài)光照下連續(xù)測量電池最大發(fā)電功率和轉(zhuǎn)換效率的方式獲得的數(shù)據(jù)，在一定程度上對鈣鈦礦太陽電池的測量評估形成了基本統(tǒng)一的測量評估要求。國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心在2020年11月被《Solar Cell Efficiency Tables》認可為指定測量實驗室[3]，與其他7家被認可的實驗室達成一致的鈣鈦礦太陽電池測量評估方案，文中就此測量評估方案進行詳細介紹。

1 方案介紹

1.1 傳統(tǒng)測量方案介紹

鈣鈦礦太陽電池的測量系統(tǒng)一般由穩(wěn)態(tài)太陽模擬器、溫控裝置、專用夾具以及電流-電壓測量裝置組成。在測量方法上，還是沿用晶硅電池的測量方案，根據(jù)IEC 60904-1[4]里的操作步驟測量樣品的電流-電壓特性曲線，從曲線中截取短路電流ISC、開路電壓VOC、最大發(fā)電功率PMAX和填充因子FF，并根據(jù)測得的樣品有效面積S和PMAX計算光電轉(zhuǎn)換效率η。

對鈣鈦礦太陽電池來說，業(yè)界最關(guān)心的參數(shù)主要是光電轉(zhuǎn)換效率，計算如公式（1）所示。

×100 %? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：

PMax為STC標準測試條件下[4]測得太陽電池的最大發(fā)電功率，單位為W；

Seff為太陽電池有效轉(zhuǎn)換面積，單位m2；

E為入射輻照度，對STC來說就是1000W/m2。

由于鈣鈦礦太陽電池目前沒有統(tǒng)一的設計方案，電極和受光面可能位于電池的同一面，也可能位于正反兩面。對第一種共面的情況，可以沿用晶硅電池測量時使用的溫控銅平臺作為溫控裝置，將鈣鈦礦太陽電池的背面緊貼溫控平臺進行有效溫控（詳見圖1）。而對于第二種非共面的情況，電池的正面需要受到光照，背面的電極需要使用探針進行接觸，傳統(tǒng)測量方案無法對其進行溫控（詳見圖2）。針對第二種情況，實驗室如果沒有其他溫控或接觸方案，就只能依靠控制環(huán)境溫度來保證被測樣品在測試過程中的溫度，但這種方式在使用穩(wěn)態(tài)太陽模擬器的場景下效果不佳。

1.2 本方案介紹

根據(jù)公式（1）可知，光電轉(zhuǎn)換效率的計算要通過最大發(fā)電功率、掩膜板開孔面積和入射輻照度的測量獲得。因此，文中介紹的測量方案主要包含以下步驟：使用影像測量儀對待測電池的掩膜板開孔進行面積測量，作為計算鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率的基礎；使用KG5玻璃封裝的標準太陽電池對穩(wěn)態(tài)太陽模擬器進行輻照度設定，從而獲得等效的入射輻照度；將被測樣品固定在可翻轉(zhuǎn)測量平臺上，使用四組開爾文探針對電池電極進行可靠接觸，設定好腔體溫度參數(shù)并進行樣品恒溫后，對樣品進行不少于5分鐘的MPPT跟蹤測量以及IV曲線掃描；對測量數(shù)據(jù)進行輻照度、溫度和光譜失配修正。

2 實驗部分

2.1 掩膜板面積的測量

鈣鈦礦太陽電池的測量一般配合定制的掩膜板一同進行，可遮蓋因劃線產(chǎn)生的活性區(qū)域的粗糙邊緣和無發(fā)電功能的電極區(qū)域，有利于指定發(fā)電面積的確定。一般使用激光切割薄不銹鋼板制作特定開孔尺寸的掩膜板，而掩膜板開孔面積的測量則使用影像測量儀進行。對影像測量儀設定合適的背景光后，對掩膜板開孔區(qū)域進行掃描，測量三次后取平均值作為開孔面積的測量結(jié)果。

2.2太陽模擬器輻照度定標

測量過程中使用符合IEC60904-9評級A+A+A+級別的穩(wěn)態(tài)太陽模擬器。對鈣鈦礦太陽電池來說，即便與根據(jù)其光譜響應特性研發(fā)的KG5玻璃封裝的模擬非晶硅標準太陽電池相比，兩者的光譜響應度差異仍要比晶硅電池測量的情況下要大，加上要引入至少5分鐘的穩(wěn)態(tài)光照MPPT測量，太陽模擬器的高光譜匹配度和優(yōu)秀的長期穩(wěn)定度對鈣鈦礦太陽電池的測量就顯得尤為重要。使用與被測物SR特性接近的KG5封裝玻璃標準電池以及光譜匹配度A+級太陽模擬器可以有效降低光譜失配修正因子。文中實驗中使用的穩(wěn)態(tài)太陽模擬器在充分暖燈后1小時內(nèi)輻照度不穩(wěn)定度低于0.3%，加上監(jiān)控電池的使用，可以通過后期的輻照度修正基本消除輻照度波動帶來的影響。

2.3 鈣鈦礦太陽電池的測量

2.3.1 關(guān)鍵電性能參數(shù)測量

將標準太陽電池置于樣品架上，使其位于測試平面內(nèi)，并保證標準太陽電池位于太陽模擬器射出光斑的中心位置（或太陽電池法線與模擬器光源出射光束的中心線平行）；使用測溫裝置測量標準太陽電池的溫度，并通過控溫裝置控溫，使得在測試過程中，標準太陽電池維持在（25.0±2.0）℃；根據(jù)標準太陽電池的標定值（需考慮光譜失配修正因子），調(diào)整太陽模擬器在樣品面上輻照度使得樣品所接受輻照度為（1000±20）W/m2；測試應使用能被精確測量面積的帶有規(guī)則開孔的掩膜板，且掩膜板的材質(zhì)應采用反光較弱的材料。

維持太陽模擬器的設置不變，將標準太陽電池替換成被測樣品，保證兩者受光面幾何中心位置一致，樣品的受光面與標準太陽電池的受光面高度一致；用控溫裝置對太陽電池的溫度進行控制，使得在測量過程中，被測樣品的溫度維持在（25.0±2.0）℃，如果控溫系統(tǒng)無法達到上述控溫效果，則需對其結(jié)溫進行準確測量，然后根據(jù)IEC 60891指定的方法進行溫度修正。

按照目前《Solar cell efficiency tables》對鈣鈦礦太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率測量和認證的要求，需要通過持續(xù)測量被測樣品在≥5min的最大發(fā)電功率輸出情況來計算其光電轉(zhuǎn)換效率。對被測樣品采用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT）方法恒定加載其最大功率點電壓值，連續(xù)采集電流信號，一般每個點之間的采集間隔不大于1s，連續(xù)采樣至少5min，記錄此時間段內(nèi)的電流、電壓和最大發(fā)電功率數(shù)據(jù)。

在穩(wěn)態(tài)太陽模器光源照射下，采用MPPT測量法的轉(zhuǎn)換效率按照公式（2）計算。

（2）

式中：

——采用MPPT測量法的轉(zhuǎn)換效率；

——特定測量時間內(nèi)測得的最大發(fā)電功率平均值（經(jīng)輻照度、溫度和光譜失配修正），單位為瓦特（W）；

——為被測樣品上表面入射光的輻照度，單位為瓦特每平方米（W/m2）；

——為被測樣品的面積，單位為平方米（m2）。

更常見的測量方法，則是根據(jù)IEC 60904-1的要求，在穩(wěn)態(tài)太陽模器光源照射下，采用IV曲線掃描的測量方式測得鈣鈦礦太陽電池的轉(zhuǎn)換效率，按照公式（3）計算。

（3）

式中：

——采用正反掃IV曲線測量法的轉(zhuǎn)換效率；

——三次分別正掃IV和反掃IV測得的最大發(fā)電功率的算術(shù)平均值（經(jīng)輻照度、溫度和光譜失配修正），單位為瓦特（W）；

——為被測樣品上表面入射光的輻照度，單位為瓦特每平方米（W/m2）；

——為被測樣品的面積，單位為平方米（m2）。

3 實驗結(jié)果和討論

文中使用三種典型的鈣鈦礦太陽電池，依據(jù)上述測量方法進行測量，得到對應的三組根據(jù)IV曲線掃描下的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)態(tài)光照下MPPT測量后計算的轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)。

對于前兩種鈣鈦礦太陽電池，其面積分別為0.0506cm2和1.002cm2，分別歸類到《Solar cell efficiency tables》里的table 1 和table 2。對于這兩類小型鈣鈦礦太陽電池，電極均位于電池背面，四個凱爾文探針與電極的接觸影響了使用傳統(tǒng)的平板式溫控裝置與電池背面的貼合，因此需將被測樣品放置在一個密閉的溫控腔體內(nèi)進行準確溫控。而第三種帶封裝的鈣鈦礦太陽電池更多地被稱為小型組件，其背面可完全貼合常規(guī)的平板式溫控器，對溫控策略更為友好。表1列出了三種電池在兩種測量方法下的最大發(fā)電功率和轉(zhuǎn)換效率測量結(jié)果。

從表1可見，5分鐘MPPT測量得到的轉(zhuǎn)換效率基本介于IV正反掃測得的結(jié)果之間，視電池測量過程中的衰減情況不同，與正反掃IV曲線測得結(jié)果的平均值相比，小型電池偏差在0.4%以內(nèi)，組件則在1.2%左右。一般情況下，正反掃描IV曲線測得最大發(fā)電功率差異較小的鈣鈦礦太陽電池，其穩(wěn)態(tài)光照下5分鐘測得的最大發(fā)電功率也比較穩(wěn)定，也基本與正反掃描IV曲線測得最大發(fā)電功率的均值也比較一致，如1.002cm2的二號樣品數(shù)據(jù)所示。而遲滯效應較大的樣品經(jīng)調(diào)試測量系統(tǒng)參數(shù)設置后仍無法保證正反掃IV曲線的一致性，Pmax的差異超過5%，如30.859cm2的三號樣品，為，則其5分鐘內(nèi)測量的最大發(fā)電功率一般也有一定的變化，，但明顯低于正反掃IV曲線得到的最大發(fā)電功率之間的差異，證明穩(wěn)態(tài)光照下測量功率可較顯著地驅(qū)除器件電容效應，達到平穩(wěn)發(fā)電狀態(tài)。

4 結(jié)論

文中利用浙江省市場監(jiān)督管理局科研項目和福建省科技廳科研項目基金支持研發(fā)的鈣鈦礦太陽電池溫控裝置以及國家光伏產(chǎn)業(yè)計量測試中心配置的A+A+A+穩(wěn)態(tài)氙燈太陽模擬器對幾種典型的鈣鈦礦太陽電池進行測量和評估；使用寬光譜光譜儀對測量用光源的光譜分布進行持續(xù)監(jiān)控，并使用相關(guān)數(shù)據(jù)對測得的電池關(guān)鍵電參數(shù)進行光譜失配修正。這幾種典型的鈣鈦礦太陽電池的短時間IV曲線掃描測量結(jié)果和5分鐘穩(wěn)態(tài)光照下MPPT測量結(jié)果的對比，反映了根據(jù)針對晶硅電池開發(fā)的IEC標準進行測量的結(jié)果和相對長時間光照下的發(fā)電參數(shù)測量之間的差異，對進行鈣鈦礦太陽電池研發(fā)的相關(guān)企業(yè)和科研院所提供了有益的參考。

參考文獻

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