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Advanced Materials(IF32.086)香港理工大学李刚:更高效率与稳定性的全聚合物共混物三元基质中可调节的供体聚集优势

顶尖团队的选择

叠层太阳能电池制备技术对于钙钛矿-晶硅光伏(Perovskite-Si Tandem PV,PST PV)器件来说是极为重要的关键要素,大幅提高了太阳能电池发展的前景。但是,对于此类型的多结太阳能电池来说,如何准确、有效地测量出转换效率(efficiency determination)或其他的电学特性(electrical characterization)则是叠层电池测量的一大挑战。

为了确保叠层太阳能电池的测量结果具有可信度和可比性,研究人员需要严格控制器件的制备条件和测量方法,并遵循国际标准和规范。

据2015年发表在《Nature Photonics》的一篇文章(《Nature Photonics》第9卷,2015年第478-479页)指出,在Web of Science上发表的新型叠层太阳能电池的文章(2009年1月至2014年9月),有96%的文章所公布的效率数值,并未按照相关标准进行测量(见表1)。甚至大部分声称报告记录效率的文章,其对器件的特性测试都不足或存在错误。因此,作者提出了一套明确且实用的操作指南,依据现有标准规范所制定出的量测程序,教导大家如何正确地进行测量程序,测量新型叠层太阳能电池的方法。详细内容,请参考先前的文章[《叠层有机太阳能电池检测程序与要点》]。

该文献认为,造成这种不良做法的主要原因之一,可能是研究人员缺少适当的实验设备正确测定光谱不匹配。新型材料的太阳能电池如钙钛矿晶硅叠层太阳能电池,由于没有合适的参考电池,使得测量更加困难。

另外,一些论文作者对于串联叠层太阳能电池的测量标准似乎并不清楚或者忽视了其重要性。

精准测量原则的要点

2017年,国际电工委员会针对多结太阳能电池IV特性测量,发布了标准IEC 60904-1-1「光伏器件-第1-1部分:多结光伏器件电流-电压特性的测量」,旨在规范在自然光或模拟太阳光照射下,测量多结光伏器件的电流-电压特性的程序。详细内容请参考先前的文章[新旧版IEC 60904-1的差异比较]。

由于多结器件中各结串联连接,测得的电流-电压特性是每个结产生的光伏电流的复杂函数。因此,多结器件的测量条件应努力生成每个结中与AM1.5G参考光谱辐射分布(1 sun)下产生的短路电流条件下相似的光伏电流。通常情况下,可以通过接近AM1.5G参考光谱辐射分布的测试光谱辐射分布(例如在适当条件下由自然阳光提供)或具有可调节光谱辐射的太阳能模拟器来实现这一点。

然而,测量条件永远不会完美,与参考条件会有偏差。IEC 60904-1-1即是对于获取有效测量设置了允许的偏差限制。简单总结此测试标准所要求的精准测量原则的要点:

  1. 当使用太阳光模拟器进行J-V特性(电流密度与电压)量测时,各子电池的SR或EQE量测结果,在对模拟器光谱进行Zij光谱失配因子计算,需控制各结子电池的Zij在1%内。
  2. 测试光谱辐照度分布下,限制电流的结(current-limited junction)与参考光谱辐照度分布下相同。
  3. 所有结之间的电流平衡参数Balij,在模拟器测试光谱辐照度分布下与5G参考光谱辐照度分布相比在±5%内达成一致。

为获取明确的效率结果,必须使用光谱可调的太阳光模拟器进行光谱的调整,可以容易达到上述的陶建,以确保各子电池的光谱失配达到要求后,再进行IV的量测。

更详尽的原理与说明,请参考[Cell Symposium: “Accurate Measurement of Perovskite and Organic Solar Cells” Enlitech; Next-Generation Materials for Energy Applications, Xiaman, 17th Nov. 2019; CellPress] 与[光焰科技:钙钛矿-晶硅叠层电池的精准测量; _第三届全球钙钛矿与叠层电池产业化论坛]。

光焱科技推出了SS-PST100R超A++级光谱(误差< 6%)可调模拟器

光谱可调的太阳光模拟器,但现有技术都有其优缺点[双光源模拟器与LED模拟器的优缺点],如何在价格、性能、与实用性上,取得較好的平衡,一直是光焰科技的核心价值理念(Provide the Better Solution).

针对钙钛矿-晶硅堆叠太阳能电池的特性,光焱科技推出了SS-PST100R超A++级光谱可调模拟器(A++级光谱误差<6%; A级则为25%误差),作为校正与测试实验室等级,精准测量钙钛矿-晶硅堆叠太阳能电池IV转换效率PCE的测试解决方案.测量结果的不确定度可以在≤ ±2%.

其而根据钙钛矿产业化趋势,光焱科技推出大面积的S系列光谱可调模拟器,A+级光谱(<12.5%光谱误差; A级为25%误差),单氙灯光源光谱可调模拟器,最大面积可达250mm的照射面积(220mm A级均匀度).

如何利用单氙灯光源,达成光谱可调得超A级太阳光模拟器?

  1. 先进光学设计与精密镀膜工艺
  2. 巧妙的光谱控制 – 薄膜干涉原理的应用极致

1.先进光学设计与精密镀膜工艺 - 创造超A+级5G太阳光谱

长久以来,人们普遍认为氙灯是一种气体放电灯,其光谱取决于气体分子在球泡内的能级跃迁。因此,使用氙灯灯泡的太阳光模拟器的光谱难以改变,更不用说调整其输出的光谱特征了。

下图为典型氙灯光谱与AM1.5G标准太阳光光谱的分布.我们可以看到一般氙灯光谱在可见光波段的色温(约6000K),是最接近太阳光色温5500K的人造光源.但是在红外波段(> 800nm)就与AM1.5G标准太阳光谱有着显著的差异.

图:普通氙气灯光谱与AM1.5G标准光谱。氙气灯光谱在可见光波段具有最接近太阳光谱的色温(6000K vs 5500K),但在红外波长部分与AM1.5G标准光谱有较大的差异。 (资料来源:DOI:10.1016/j.egypro.2017.09.283

为了克服这些差异,光焱科技利用先进的光学模拟软件,设计太阳光模拟器的光学系统。并运用精密的多层镀膜技术来控制复杂的薄膜涂层工艺,通过调整与优化各层厚度,光焰科技的SS-PST100R太阳光模拟器达到了超越A+等级的AM1.5光谱。

由SS-PST100R太阳光模拟器输出的幅照度光谱与AM1.5G标准太阳光谱的对比图可见(如下)。

图 AM1.5G标准太阳光光谱(黑线)与SS-PST100R太阳光模拟器的幅照度光谱(红线)。

单氙灯SS-PST100R太阳光模拟器的幅照度光谱不仅在可见光波段与AM1.5G标准太阳光谱十分吻合,在近红外波段(NIR)与短波红外(SWIR)波段也有十分良好的光谱匹配度。

根据最新IEC模拟器分类标准IEC 60904-9:2020,SS-PST100R的光源等级

  • 光谱覆盖率(SPC)达到100%
  • 各波段光谱等级达到A++级(<6%)
    • (A+级:12.5%;A级:25%)
  • 光谱误差率SPD达到11.2%(0%为理想值)
  • 达到理想双光源模拟器的SPD级别(~3%)。

2. 精妙的光谱控制 - 通过控制光线的入射角度来实现薄膜干涉原理的应用。

每当非法线方向入射光,照射到两种不同介质(例如空气和玻璃)之间的界面时,斯涅尔定律(Snell’s Law)表明,当光进入第二种介质时,入射光的角度将会发生变化(图)。变化程度取决于各自的折射率:

Snell定律的示意圖

當薄膜干涉現象發生時,入射角AOI的穿透光譜會產生“藍移(Blue Shift)”的現象.代表著不同波長的穿透光譜會隨著入射角AOI的變化而變化.這種角度偏移造成光譜改變的現象,可以用下面的公式來描述:

光焱科技的创新之处在于使用单氙灯光谱可调模拟器,利用光学元件上的镀膜设计,并控制氙灯光束到达各光学元件的入射角度,利用反射、透射的光谱会随着入射光角度的不同而产生变显著变化,进而达到使用单一灯泡光源,调整光学元器件的空间位置与角度,改变太阳光模拟器输出的光谱。

图 光焱科技单氙灯光谱可调太阳光模拟器

如上所述,利用光学设计与精密镀膜工艺,让单氙灯太阳光模拟器可以达到与AM1.5G标准太阳光谱差异<5%的要求,可以让钙钛矿晶硅叠层太阳能电池各结子电池的电流匹配误差可以达到IEC 60904-1-1:2017标准测试规范的要求。

而要使叠层太阳能电池各结子电池的光谱失配因子Zij能够更加匹配、具有更小的光谱误差,以降低叠层电池IV特性曲线测试的不确定度,需要能够调整单氙灯太阳光模拟器的光谱。

针对钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池具有两个子电池,其吸收波段为300 nm~750nm的”顶电池”(钙钛矿子电池)与750nm~1200nm 的”底电池”(晶硅子电池),两个吸收波段.

图 钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池两结子电池的外部量子效率(EQE)光谱 (来源:Joule,V5,P295-291,2021;关于∼30%钙钛矿太阳能电池的突破背后的事实。)

因此,针对钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池的光谱可调太阳光模拟器开发,并不需要任意波段的调整光谱,只需要针对两个子电池的吸收波段(300nm~750nm 与750nm~1200nm两个波段)进行光谱的调整,即可达到IEC 60904-1-1:2017规范要求的各结子电池的光谱失配因子Zij小于1%的要求.

除了可以控制Zij失配因子外,只针对这两结子电池波段光谱可调(意即调整300nm~750nm 与750nm~1200nm两个波段相对光谱强度),可大幅简化光谱调整的复杂度.对比LED模拟器,在350nm~1000nm波段中,就有20种不同的LED波段需要调整,至少有上百种光谱组合的调整,而怎么样的波段配比,才能让多结电池光谱失配因子Zij可以达到IEC 60904-1-1:2017规范要求?需要不断地将各种光谱与各子电池的光谱响应递推叠代进IEC 60904-1-1:2017的Zij公式中,直到得到最小Zij的LED光谱组合出现为止,方能进行下一个IV测量的步骤.过程十分精密与繁琐,通常需要有自动计算的软件做配合.详细的调整各波段并计算子电池失配因子与子电池电流平衡因子的公式与方法,可以参阅[多结太阳能电池精准IV特性测量方法之光谱调整与失配因子计算]

多光源LED模擬器提供了光譜調整的自由度,但在實際使用中需要高度的儀器校準和LED特性控制專業知識。例如:

調整光譜和降低失配時間成本,使用LED模擬器真的成本更低嗎?

  1. LED不同光色的老化速度不同,需要使用附加的照度光譜儀器進行光譜一致性驗證。
  2. LED不同光色的晶體溫度係數不同,隨著時間的推移,溫度的變化會導致中心波長和強度飄移,進而導致Zij失配因子變化,因此需要經常進行驗證。
  3. 各光色的老化速度不同,會導致均勻度的變化。
  4. 各光色的強度調整也會導致照射面積的光譜變化。
  5. 壽命1萬小時和1 sun光強度的認知差異。

因此,我们认为“理想与完美的LED太阳光模拟器”或许对于有专业校正与测量不确定度分析能力的实验室,是十分适合作为各种类型多结太阳电池的测试,因为他们熟悉如何准确测量光谱与整个IEC规范的失配因子的迭代计算,并有着相关的测量太阳光模拟器的工具,如300nm~1200nm光谱范围幅照度光谱仪、幅照度均匀度分布测量工具。

对于大多数的科学研究实验室,多为器件物理、化学合成或材料背景,对于光学与光谱学并不熟悉,且大多缺乏上述的模拟器性能检测的工具。

如何可以精准测量钙钛矿晶硅叠层太阳能电池并且对于大多数的科学实验室的研究生、研究员等都能快速且自动化的调整到較好的测试条件,就是光焱科技开发单光源光谱可调太阳光模拟器的初衷。

关建字

萤光粉、发光二极体萤光材料、有机发光二极体萤光材料、钙钛矿、雷射染料

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