基于太陽模擬器法的鈣鈦礦太陽電池測(cè)量方法研究

楊愛軍

(福建省計(jì)量科學(xué)研究院/國(guó)家光伏產(chǎn)業(yè)計(jì)量測(cè)試中心，福州 350003)

1 引 言

太陽電池是一種通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)反應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置，光電轉(zhuǎn)換效率是衡量其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。鈣鈦礦太陽電池的基本結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要由導(dǎo)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。鈣鈦礦太陽電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，其轉(zhuǎn)換效率在近10年中從3.8%一直飆升到22.7%[1,2]，引起各國(guó)研究者的關(guān)注。我國(guó)在鈣鈦礦太陽電池研究方面也不斷取得進(jìn)展，器件的光電轉(zhuǎn)換效率緊跟世界記錄，并且在大面積制備技術(shù)和工藝方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

目前，鈣鈦礦太陽電池盡管在光電轉(zhuǎn)換效率方面十分突出，但在重復(fù)性、穩(wěn)定性和性能評(píng)估方法等方面還存在許多亟待解決的問題。這些問題對(duì)其未來的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生了許多制約[3]，也給測(cè)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(xué)器件，與傳統(tǒng)的晶體硅太陽電池的工作原理不一樣，其性能的測(cè)量在國(guó)際上一直都沒有對(duì)應(yīng)的方法，也導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不統(tǒng)一和缺乏權(quán)威性。本文介紹了基于太陽模擬器，用以真實(shí)表征鈣鈦礦太陽電池光電性能參數(shù)(即I-V特性曲線：包含短路電流、開路電壓、最大功率、光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù))的測(cè)量方法，包括測(cè)量過程中對(duì)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(shè)定等影響因素的規(guī)范。在理論分析和提出測(cè)量方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了參數(shù)測(cè)試和測(cè)量不確定度評(píng)估，進(jìn)一步闡述了該測(cè)量方法的準(zhǔn)確性、可靠性和實(shí)用性，可為規(guī)范鈣鈦礦太陽電池的測(cè)定參數(shù)和條件以及獲得真實(shí)光電性能提供參考。

2 測(cè)量條件與測(cè)量方案制定

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn),對(duì)測(cè)試的外部條件和太陽模擬器進(jìn)行了規(guī)范，保證所有太陽電池的測(cè)量條件一致，有利于開展對(duì)不同類太陽電池光電性能的評(píng)估。依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60904-1的要求，太陽電池的光電轉(zhuǎn)換性能測(cè)量需在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(StandardTest Condition,STC)下進(jìn)行，或者修正到STC(符合AM1.5G的光譜分布，1000W/m2的輻照強(qiáng)度，25℃的測(cè)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(jīng)過溯源的太陽電池標(biāo)定太陽模擬器的輻照度，然后采用替代法測(cè)量被測(cè)太陽電池的光電性能參數(shù)。依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60904-9的要求，對(duì)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(wěn)定度三個(gè)方面按性能優(yōu)劣分別評(píng)為A、B和C級(jí)。考慮到穩(wěn)態(tài)太陽模擬器可配合長(zhǎng)掃描延遲設(shè)定以消除鈣鈦礦太陽電池的電容效應(yīng)以及長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中光源高穩(wěn)定性要求，以及在缺乏與待測(cè)鈣鈦礦太陽電池光譜響應(yīng)度匹配的標(biāo)準(zhǔn)電池情況下可能的高光譜失配度，本方法選擇A+穩(wěn)態(tài)太陽模擬器進(jìn)行測(cè)量：能保持一小時(shí)內(nèi)輻照度不穩(wěn)定度低于0.3%(A級(jí)要求為不超過2.0%)；光譜匹配度達(dá)到A+級(jí)別，在(300～1100)nm波段范圍內(nèi)各波段不匹配度低于10%(A級(jí)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(jìn)行鈣鈦礦太陽電池測(cè)量中的太陽模擬器輻照度標(biāo)定、有效面積測(cè)量、光譜失配評(píng)估、電池溫控和I-V特性曲線測(cè)量設(shè)定等方面的研究，并評(píng)估了該方法的測(cè)量不確定度。本方法的測(cè)量流程和測(cè)量設(shè)備如圖1所示。

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

太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算公式為

(1)

式中：IMPP——STC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下[4]測(cè)得太陽電池的最大功率點(diǎn)電流，mA；VMPP——STC標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下[4]測(cè)得太陽電池的最大功率點(diǎn)電壓，V；IMPP×VMPP——最大發(fā)電功率,W；Seff——太陽電池有效轉(zhuǎn)換面積，mm2；E——入射輻照度，在STC標(biāo)準(zhǔn)條下為1000W/m2。

為得出太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率，根據(jù)式(1)，需要確定式中各參數(shù)值。

2.1 太陽模擬器輻照度定標(biāo)

測(cè)量采用的A+穩(wěn)態(tài)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(wěn)定度均超過了標(biāo)準(zhǔn)定義的最優(yōu)等級(jí)A級(jí)[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(zhǎng)期穩(wěn)定度對(duì)其性能的測(cè)量就更為重要，尤其是影響其光譜失配因子和測(cè)量重復(fù)性。輻照度定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)器采用經(jīng)過溯源的WPVS太陽電池，圖2為用經(jīng)溯源的WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池定標(biāo)太陽模擬器輻照度。

圖2 使用WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池定標(biāo)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(cè)量

在測(cè)量電池轉(zhuǎn)換效率之前，使用自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x測(cè)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(cè)量不同，由于鈣鈦礦太陽電池很小，定標(biāo)用到的激光切割不銹鋼掩膜板面積很小且有細(xì)小毛刺，要特別注意測(cè)量設(shè)定，尤其是背景光開啟模式的設(shè)定會(huì)產(chǎn)生明顯的不同測(cè)量結(jié)果。對(duì)一片經(jīng)校準(zhǔn)的實(shí)際周長(zhǎng)為12.32mm、開孔面積為9.00mm2的掩膜板，不同的環(huán)境光照射模式下(如圖3)測(cè)得的面積結(jié)果差異較大(如表1，每個(gè)環(huán)境光模式測(cè)得數(shù)據(jù)均為三次測(cè)量之平均值)。

表1 不同輔助環(huán)境光模式下測(cè)得掩膜板開孔面積和周長(zhǎng)

圖3 不同環(huán)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(cè)得值，如分別取測(cè)得的最大面積9.04mm2與最小面積8.82mm2進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算，結(jié)果的相對(duì)差異達(dá)到2.46%。由此可見，在進(jìn)行鈣鈦礦太陽電池測(cè)量前，掩膜板開孔面積或者電池的有效轉(zhuǎn)換面積的測(cè)量尤為重要，測(cè)量時(shí)需要使用打光模式(模式1～模式3)，且光照強(qiáng)度不宜太強(qiáng)，否則會(huì)引起鏡頭過度曝光導(dǎo)致開孔邊緣圖形產(chǎn)生毛刺，直接影響最終面積的測(cè)量結(jié)果,進(jìn)而影響到電池光電性能的測(cè)量結(jié)果。

2.3 光譜失配的評(píng)估

根據(jù)IEC60904-7，計(jì)算被測(cè)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(biāo)準(zhǔn)光譜分布在特定波長(zhǎng)下單位帶寬的輻照度，W/m2(AM1.5G參考光譜分布，由IEC60904-3規(guī)定和獲得[7])；Sref(λ)——WPVS標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的相對(duì)光譜響應(yīng)度，利用DSR(Differtial Spectral Response)系統(tǒng)測(cè)得(據(jù)此得到的CV值測(cè)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(zhǎng)下單位帶寬的輻照度，W/m2，用分光輻射儀測(cè)得；Ssample(λ)——被測(cè)太陽電池的相對(duì)光譜響應(yīng)度，利用太陽電池量子效率儀測(cè)量。

在輻照度定標(biāo)用標(biāo)準(zhǔn)電池的選用上，一般有兩種選擇，一是普通單晶硅WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池，二是帶KG3或KG5封裝玻璃的WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池。根據(jù)式(2)計(jì)算MMF過程中，Sref(λ)為KG3玻璃的WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池的光譜響應(yīng)度時(shí)，MMF=1.0629；Sref(λ)為KG5玻璃的WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池的光譜響應(yīng)度時(shí)，MMF=1.06331；Sref(λ)為普通單晶WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池的光譜響應(yīng)度時(shí)，MMF=1.0148，因此實(shí)際測(cè)量時(shí)采用普通單晶WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池作為標(biāo)準(zhǔn)器，但由于|1-MMF|>1%，需要對(duì)太陽模擬器輻照度修正后再進(jìn)行I-V曲線的測(cè)量[8,9]。

式中參數(shù)以及KG3、KG5封裝玻璃的WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池的光譜響應(yīng)如圖4所示。由于鈣鈦礦電池的光譜響應(yīng)范圍僅為(300～875)nm，因此列出的波長(zhǎng)范圍為(300～1100)nm，并代入式(2)進(jìn)行計(jì)算，得到被測(cè)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(biāo)準(zhǔn)電池光譜響應(yīng)和待測(cè)樣品光譜響應(yīng)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(cè)量時(shí)會(huì)監(jiān)控被測(cè)樣品的溫度，并通過電池測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行控溫。但由于鈣鈦礦太陽電池的觸點(diǎn)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(yōu)良溫控效果。本文中的被測(cè)鈣鈦礦太陽電池樣品是在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，溫度波動(dòng)±0.5℃。測(cè)量過程中使用PT100熱敏電阻貼合到待測(cè)樣品的背面，以監(jiān)控測(cè)量過程中由于光照引起的溫升，各次掃描過程中待測(cè)樣品溫度應(yīng)基本保持在(25.0±1.0)℃。

測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，I-V特性曲線掃描后即便模擬器快門關(guān)閉不再照射樣品，待測(cè)樣品的溫度仍將繼續(xù)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(fù)到24.5℃，這樣下次掃描時(shí)能大致控制掃描到最大功率點(diǎn)附近時(shí)電池的實(shí)時(shí)溫度在(25.0±0.2)℃。

2.5 I-V特性曲線測(cè)量

I-V特性曲線測(cè)量在恒溫(25.0±1.0)℃的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，使用A+級(jí)太陽模擬器進(jìn)行。多次測(cè)量鈣鈦礦太陽電池的光電轉(zhuǎn)換特性，即電流電壓(I-V)特性，取平均值作為掃描結(jié)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(shù)。

由于目前鈣鈦礦太陽電池研制工藝的限制，導(dǎo)致被測(cè)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(shí)，掃描條件設(shè)置為：電壓掃描范圍(-0.1～+1.2)V，掃描步長(zhǎng)0.01V，延遲時(shí)間0.1s。這樣的設(shè)置既能保證測(cè)量準(zhǔn)確度，以消除鈣鈦礦太陽電池的電容效應(yīng)，同時(shí)又能保證測(cè)量時(shí)間不會(huì)過長(zhǎng)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(guó)內(nèi)某單位研發(fā)的太陽電池的測(cè)量結(jié)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(shù)據(jù)可以看出，即便在溫控條件和正反掃參數(shù)盡量?jī)?yōu)化的情況下，正反掃測(cè)得的最大功率相差仍比較明顯，相對(duì)偏差約為2.8%。根據(jù)本單位累積測(cè)量數(shù)據(jù)分析，如果將掃描延遲時(shí)間減少到測(cè)量普通晶硅電池的0.1ms，則正反掃的功率差異會(huì)超過5%；若繼續(xù)增大掃描延遲時(shí)間超過0.1s，正反掃功率差異沒有繼續(xù)減少，且電池溫升將超過1℃。從以上分析得知，上述掃描設(shè)置為被測(cè)鈣鈦礦太陽電池的最優(yōu)測(cè)量設(shè)置。

3 測(cè)量不確定度評(píng)估

式(1)即為轉(zhuǎn)換效率η的測(cè)量模型，因此η的測(cè)量不確定度由最大功率點(diǎn)電流IMPP、最大功率點(diǎn)電壓VMPP和有效轉(zhuǎn)換面積Seff引起，下面對(duì)三個(gè)測(cè)量參數(shù)的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)估。

3.1 最大功率點(diǎn)電流的測(cè)量不確定度評(píng)估

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

(1)電流測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量u1

由對(duì)待測(cè)樣品的多次測(cè)量后根據(jù)貝塞爾公式求得標(biāo)準(zhǔn)偏差獲得，此項(xiàng)不確定度分量為u1=0.46%。

(2)上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)引起的不確定度分量u2

采用DSR法校準(zhǔn)過的單晶硅WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池作為輻照度定標(biāo)的上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器，標(biāo)準(zhǔn)電池短路電流的校準(zhǔn)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(shù)的溫度系數(shù)暫時(shí)無法測(cè)量，此項(xiàng)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(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)(0.053%/℃)，且按測(cè)量過程中溫度變化為1℃評(píng)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(biāo)準(zhǔn)太陽電池和待測(cè)電池的光譜響應(yīng)以及標(biāo)定用的太陽模擬器的光譜分布和參考AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)光譜均不完全一致，由此進(jìn)行的光譜失配修正將引入測(cè)量不確定度，典型的光譜失配修正引起的測(cè)量不確定度分量為u4=0.05%(8)。

(5)標(biāo)準(zhǔn)器/待測(cè)物位置重復(fù)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(nèi)不均勻度僅為0.9%，而WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池和待測(cè)鈣鈦礦太陽電池的有效轉(zhuǎn)換面積分別只有4.01cm2和0.0904cm2，只要WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池和待測(cè)鈣鈦礦太陽電池的定位準(zhǔn)確，標(biāo)準(zhǔn)器/待測(cè)物位置重復(fù)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(wěn)定度u6

根據(jù)校準(zhǔn)報(bào)告，本研究中使用的太陽模擬器在暖燈后三小時(shí)內(nèi)的輻照度不穩(wěn)定度為0.2%，而待測(cè)電池的電流測(cè)量值與太陽模擬器的輻照度成絕對(duì)線性關(guān)系，因此評(píng)估u6=0.2%。

IMPP的測(cè)量不確定度評(píng)定匯總?cè)绫?所示。

表3 IMPP的測(cè)量不確定度評(píng)定匯總表

3.2 最大功率點(diǎn)電壓的測(cè)量不確定度評(píng)估

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

(1)電壓測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量u1

由對(duì)待測(cè)樣品的多次測(cè)量后根據(jù)貝塞爾公式求得標(biāo)準(zhǔn)偏差獲得，此項(xiàng)不確定度分量為u1=0.62%。

(2)太陽模擬器輻照度不穩(wěn)定度引起的不確定度分量u2

本次評(píng)估使用的太陽模擬器帶有輻照度光反饋線路因此評(píng)估過程中輻照度不穩(wěn)定度不超過0.2%，由此引起的電壓測(cè)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(shù)的溫度系數(shù)暫時(shí)無法測(cè)量，此項(xiàng)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(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)(0.306%/℃)，且按測(cè)量過程中溫度變化為1℃評(píng)估，則u3=0.306%。

VMPP的測(cè)量不確定度評(píng)定匯總于表4。

表4 VMPP的測(cè)量不確定度評(píng)定匯總表

3.3 有效光電轉(zhuǎn)換面積的測(cè)量不確定度評(píng)估

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

3.3.1 面積測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量u1

由對(duì)待測(cè)樣品的多次測(cè)量后根據(jù)貝塞爾公式求得標(biāo)準(zhǔn)偏差獲得，此項(xiàng)不確定度分量為u1=0.078%。

3.3.2 上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)引起的不確定度分量u2

采用的自動(dòng)影像測(cè)量?jī)x的相對(duì)擴(kuò)展校準(zhǔn)不確定度為0.12% (k=2)，此項(xiàng)不確定度分量為u2=0.06%。

Seff的測(cè)量不確定度評(píng)定匯總于表5。

表5 Seff的測(cè)量不確定度評(píng)定匯總表

3.4 鈣鈦礦太陽電池轉(zhuǎn)換效率的測(cè)量不確定度評(píng)定

4 結(jié)束語

本文基于太陽模擬器法，并根據(jù)鈣鈦礦太陽電池的制備特點(diǎn)和光電特性，研究了一套專用的測(cè)量方法，使樣品穩(wěn)定周期內(nèi)容易復(fù)現(xiàn)。本測(cè)量方法涉及WPVS標(biāo)準(zhǔn)電池的指標(biāo)和類型的選擇，并考慮到對(duì)測(cè)量結(jié)果影響比較大的掩膜板面積測(cè)量、I-V特性曲線掃描設(shè)定和樣品溫控等因素，提出了相應(yīng)的合理解決方案。進(jìn)一步，對(duì)關(guān)鍵計(jì)量參數(shù)光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了測(cè)量不確定度評(píng)定，Urel=2%(k=2)，從而構(gòu)建了光伏領(lǐng)域研發(fā)熱點(diǎn)的鈣鈦礦太陽電池性能參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量方法，也為其他新型太陽電池性能參數(shù)的測(cè)量提供了依據(jù)。