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单结电池JV与EQE精准测量与比对01
光伏旗舰期刊上发表的关键

  2020 年 12 月,顶刊《科学》杂志刊登了德国海姆霍兹柏林材料所 (HZB) 的钙钛矿 / Si 串联太阳能电池,认证效率达到 29.15%。这个消息炸裂了整个光伏圈!这个效率不但超过了英国牛津光伏 (Oxford PV) 公司的 28% 效率记录,同时代表着光伏技术迈向 30% 的重要一步。

  我们观察了过去五年在旗舰期刊上发表突破效率的三个重要关键。分别是:

1. 提供第三方的效率认证证书
2. 提供Jsc (IV) 与Jsc (EQE) 的比对差异
3. 提供效率统计数据分布图

  HZB在Science上发表的论文也符合这三个要求。 文中Jsc (IV) 和Jsc (EQE) 的对比差异也不足5%。 为什么它很重要?

  本文将介绍近10年来精准测量的痛点和历史。 它还将描述为什么比较 Jsc (IV) 和 Jsc (EQE) 在当前太阳能电池研究中至关重要,以及如何准确测量 Jsc (IV) 和 Jsc (EQE)。

目录

精准光伏效率测量倡议的历史

  OSC2006起就开始关注此问题。有机太阳能电池OSC随着OLED的发展,2005年后也开始受到关注。2006年,P3HT:PCBM体系的OSC效率突破4.7%,带动了这个领域的发展。对于精准测量转换效率PCE (Power Conversion Efficincy)的重要性随着研究热度的增长,也逐渐被大家意识到其重要性。2006年UCLA与NREL合作发表在Advanced Functional Materials期刊上的OSC精准测试方法,是第一篇系统性探讨精准测量OSC的文章。文中提出了太阳光模拟器的校准、参考电池挑选、以及光谱失配误差的修正等重要观念。

图1:第一篇系统性探讨精准测量有机太阳能电池OSC的论文,2006由UCLA材料系Yang Yang教授团队与NREL团队合作撰写发表。(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.200600489

  PSC在精确测量方面也备受关注。 钙钛矿太阳能电池(PSC)兴起于2010年左右,发展速度惊人,高PCE为该领域带来更多研究投入。 由于滞后效应,钙钛矿太阳能电池的精确测量问题引起了更多关注。

  光伏研究社群倡议重视精准测量。2014 Nature杂志连续刊登了三篇文章,倡议钙钛矿精准测量PCE的重要性。其倡议的观点是,PSC钙钛矿太阳能电池与OSC有机太阳能电池都深具大规模商业化的潜力,但是在发展的过程中,错误的PCE效率报导,将会误导领域发展的方向,更耽误了其大规模商业化的路程。

图2:2014年Nature 杂志刊登了三篇文章,倡议精准测量PCE的重要性。

  2015年Nature Group发布「A Solar Checklist」。紧接着,Nature Group为了避免不正确的结果刊登,影响该期刊的声名与该领域的发展,发布了「A Solar Checklist」自检表,要求投稿旗下所有期刊的作者,依照自检表上所要求的项目,提供相关与足够的信息。自检表主要是要求投稿作者,详细描述在自家实验室测试太阳能电池的相关条件。其核心目的是为了确保所要发表数据的可被重复性。有此足见,精准测量的要求,在指标期刊发表的重要性。相关详细讯息,可参考光焱科技发表的文章「国际期刊投稿必备!钙钛矿太阳能电池论文检核表」。

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图3: Nature Group于2015年发布的「A Solar Checklist」,要求太阳能电池相关研究论文于投稿阶段,同时填写并递交此讯息列表,以帮助提高论文结果的可重现性与相关透明度。

  2020年Cell Press发布「PV Checklist」。在2020年9月,Cell Press旗下能源领域的重要期刊Joule,除了在ISI公布最新期刊影响因子中,由2019年的15.04暴涨到27.05,晋升能源领域的顶级旗舰期刊外,同时也发布了「PV Checklist」。要求投稿到旗下其刊的太阳能电池论文,都需填写「PV Checklist」。而这份文件的要求内容,相较2015年Nurture Group 的「Solar Checklist」又更加的严谨,需提供的测试条件信息,要求更加的全面;同时,加入了校准溯源的新的要求与概念。光焱科技现在已经提供了系统用户相关的响应信息,协助客户能够快速并且真确的提供自检表上所要求的所有讯息,若有需要可以来信咨询相关信息(PV Checklist; qeservice@enli.com.tw)。

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图4: Cell Press于2020年发布的「PV Checklist」。所需提供的测试条件信息,更加的全面,同时,加入了校准溯源的新的要求与概念。

光伏旗舰期刊发布效率突破的3个关键

  太阳能电池PCE数据的准确性与可信任性,已经是否能发表在顶级能源期刊的关键。我们观察过去五年相关论文发表的数据,发现到重要研究成果能否发表在顶级期刊上,有三个重要趋势:

1. 提供第三方的效率认证证书
2. 提供Jsc(IV)与Jsc(EQE)的比对差异
3. 提供效率统计数据分布图

  2020年HZB发表于Science期刊内文中,也符合了这三个要件。其提供了:

  1. 德国Fraunhofer ISE的第三方效率认证证书
  2. Jsc(IV)与Jsc(EQE)的比对差异
  3. 效率统计数据分布图
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图5:HZB于2020年发表在Science期刊近30%转换效率的钙钛矿太阳能电池,于文中提供的Jsc(IV)与Jsc(EQE)数据。再次显示两者的比对数据,已是顶刊投稿的必备条件。

  HZB的高效率与准确的测量结果,也展示在Jsc(IV)与Jsc(EQE)的比对误差在5%之内。本文中我们将介绍过去的痛点、精准测量的元素归纳、相关解决方案、成功案例的介绍。

过往精准测量的痛点

  过去突破性的PCE数据难以被重现。15年前在有机太阳能电池OSC与钙钛矿太阳能电池PSC发展初期,报导了许多PCE效率突破的结果,但却有许多的结果,难以被其它同领域的研究实验室重复。先撇开道德疑虑或造假的猜疑,这个现象凸显了在过去的那个时期,整个太阳能电池研究社群都缺乏太阳能电池精准测量的相关知识,同时也缺发合适的设备与方法

  随着对这些无法被重复的结果进行研究,大家对于如何正确的评价、测量太阳能电池的方法与相关合适的设备,逐渐了解。论文研究总是先于国际测试标准,随着相关研究的成熟与周延,对于这些正确的测试方法与设备,就形成了测试标准并获得国际认可。国际电工委员会所制定的IEC 60904系列,针对地面型光伏测试标准,就是一个最好的例子。 这个系列标准:

  • IV测试的方法 (IEC 60904-1)
  • 标准电池的封装要求 (IEC 60904-2)
  • 标准太阳光光谱的定义 (IEC 60904-3)
  • 光伏测试领域的溯源方法 (IEC 60904-4)
  • 光伏电池开路电压的温度系数修正方法(IEC 60904-5)
  • 光谱失配的修正(IEC 60904-7)
  • 光谱响应的测量方法与装置(IEC 60904-8)
  • 太阳光模拟器的分级标准(IEC 60904-9)

  从方法到设备,经过15年光伏社群的的群策群力,不断的修缮、改进标准的内容,目前已经能够提供整个光伏社群一个准确测量体系的依靠。

  而为什么要比对Jsc(IV)与Jsc(EQE)、如何精准的测量Jsc(IV)与Jsc(EQE)、以及比对成功案例的介绍,将在本系列的第二篇文章:单结电池JV与EQE精准测量与比对02-进行更详细的介绍。其大纲如下:

单结电池JV与EQE精准测量与比对02

– 为何要求Jsc(IV)与Jsc(EQE)的比对

– IV测试仍存在许多人为误差的可能
– Jsc (EQE) 的不确定度低,可以用来验证IV测试结果的Jsc (IV)

– Jsc(IV)与Jsc(EQE)的比对误差范围

– 如何精准测量Jsc(IV)与Jsc(EQE)

– 成功案例(一)2019年23.32%世界效率的钙钛矿太阳能电池
– 成功案例(二)2019年16%高效率有机太阳能电池

–  Jsc(IV)准确的测试

– Jsc(EQE)准确的测试

缺乏准确的太阳能电池测量知识

缺乏合适的设备和方法

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