高效钙钛矿太阳电池测量评估方法研究
2024-06-17黎健生陈彩云徐欣梁林
黎健生 陈彩云 徐欣 梁林
摘要:高效钙钛矿太阳电池是近年来光伏界的主要研究热点之一,得益于其原材料价格低廉,制程工艺较晶硅技术简单,制造能耗较低,有望成为未来光伏行业的替代性发电技术。然而钙钛矿太阳电池关键电参数的准确测量也是近年来的行业难题之一,主要表现在传统的电流-电压特性曲线测量方法不能充分客观反映钙钛矿太阳电池的发电性能,以及缺乏针对其稳定性的测量和评估方法。文中研究和提出一套针对高效钙钛矿太阳电池测量和评价方法,并根据对三种常见尺寸的钙钛矿太阳电池的电性能测量结果,分析了钙钛矿太阳电池的迟滞效应和稳态光照下的功率衰减情况,为光伏行业评估高效钙钛矿太阳电池电性能提供了具有一定实操性的技术依据。
关键词:高效钙钛矿太阳电池;电性能;测量方法
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
钙钛矿太阳电池的基本结构比较简单,主要由导电玻璃基底、致密层、电子传输层、钙钛矿吸光层、空穴传输层、金属电极等部分构成[1],制备工艺也相对简单。光电转换效率是衡量太阳电池性能优劣的关键指标,新型钙钛矿太阳电池从实验室走向产业化,需要不断提升转换效率及长期发电稳定性。近年来,钙钛矿太阳电池的实验室光电转换效率提升迅速,我国多家科研机构不断产生新的研究成果。到2022年底,我国研发的不同尺寸的新型钙钛矿太阳电池转换效率已达到22.4%~23.7%,叠层钙钛矿太阳电池转换效率更是达到26.4%(全钙钛矿叠层)、24.2%(钙钛矿-CIGS)和31.3%(钙钛矿-晶硅)[2]。
然而,目前国内外多家实验室的测量方法均有明显差异,也并无专门针对钙钛矿太阳电池转换效率的测量评估标准。《Solar Cell Efficiency Tables》自2021年6月开始,针对钙钛矿和有机材料制备的太阳电池的申请,只接受至少5分钟的稳态光照下连续测量电池最大发电功率和转换效率的方式获得的数据,在一定程度上对钙钛矿太阳电池的测量评估形成了基本统一的测量评估要求。国家光伏产业计量测试中心在2020年11月被《Solar Cell Efficiency Tables》认可为指定测量实验室[3],与其他7家被认可的实验室达成一致的钙钛矿太阳电池测量评估方案,文中就此测量评估方案进行详细介绍。
1 方案介绍
1.1 传统测量方案介绍
钙钛矿太阳电池的测量系统一般由稳态太阳模拟器、温控装置、专用夹具以及电流-电压测量装置组成。在测量方法上,还是沿用晶硅电池的测量方案,根据IEC 60904-1[4]里的操作步骤测量样品的电流-电压特性曲线,从曲线中截取短路电流ISC、开路电压VOC、最大发电功率PMAX和填充因子FF,并根据测得的样品有效面积S和PMAX计算光电转换效率η。
对钙钛矿太阳电池来说,业界最关心的参数主要是光电转换效率,计算如公式(1)所示。
×100 % (1)
式中:
PMax为STC标准测试条件下[4]测得太阳电池的最大发电功率,单位为W;
Seff为太阳电池有效转换面积,单位m2;
E为入射辐照度,对STC来说就是1000W/m2。
由于钙钛矿太阳电池目前没有统一的设计方案,电极和受光面可能位于电池的同一面,也可能位于正反两面。对第一种共面的情况,可以沿用晶硅电池测量时使用的温控铜平台作为温控装置,将钙钛矿太阳电池的背面紧贴温控平台进行有效温控(详见图1)。而对于第二种非共面的情况,电池的正面需要受到光照,背面的电极需要使用探针进行接触,传统测量方案无法对其进行温控(详见图2)。针对第二种情况,实验室如果没有其他温控或接触方案,就只能依靠控制环境温度来保证被测样品在测试过程中的温度,但这种方式在使用稳态太阳模拟器的场景下效果不佳。
1.2 本方案介绍
根据公式(1)可知,光电转换效率的计算要通过最大发电功率、掩膜板开孔面积和入射辐照度的测量获得。因此,文中介绍的测量方案主要包含以下步骤:使用影像测量仪对待测电池的掩膜板开孔进行面积测量,作为计算钙钛矿太阳电池转换效率的基础;使用KG5玻璃封装的标准太阳电池对稳态太阳模拟器进行辐照度设定,从而获得等效的入射辐照度;将被测样品固定在可翻转测量平台上,使用四组开尔文探针对电池电极进行可靠接触,设定好腔体温度参数并进行样品恒温后,对样品进行不少于5分钟的MPPT跟踪测量以及IV曲线扫描;对测量数据进行辐照度、温度和光谱失配修正。
2 实验部分
2.1 掩膜板面积的测量
钙钛矿太阳电池的测量一般配合定制的掩膜板一同进行,可遮盖因划线产生的活性区域的粗糙边缘和无发电功能的电极区域,有利于指定发电面积的确定。一般使用激光切割薄不锈钢板制作特定开孔尺寸的掩膜板,而掩膜板开孔面积的测量则使用影像测量仪进行。对影像测量仪设定合适的背景光后,对掩膜板开孔区域进行扫描,测量三次后取平均值作为开孔面积的测量结果。
2.2太阳模拟器辐照度定标
测量过程中使用符合IEC60904-9评级A+A+A+级别的稳态太阳模拟器。对钙钛矿太阳电池来说,即便与根据其光谱响应特性研发的KG5玻璃封装的模拟非晶硅标准太阳电池相比,两者的光谱响应度差异仍要比晶硅电池测量的情况下要大,加上要引入至少5分钟的稳态光照MPPT测量,太阳模拟器的高光谱匹配度和优秀的长期稳定度对钙钛矿太阳电池的测量就显得尤为重要。使用与被测物SR特性接近的KG5封装玻璃标准电池以及光谱匹配度A+级太阳模拟器可以有效降低光谱失配修正因子。文中实验中使用的稳态太阳模拟器在充分暖灯后1小时内辐照度不稳定度低于0.3%,加上监控电池的使用,可以通过后期的辐照度修正基本消除辐照度波动带来的影响。
2.3 钙钛矿太阳电池的测量
2.3.1 关键电性能参数测量
将标准太阳电池置于样品架上,使其位于测试平面内,并保证标准太阳电池位于太阳模拟器射出光斑的中心位置(或太阳电池法线与模拟器光源出射光束的中心线平行);使用测温装置测量标准太阳电池的温度,并通过控温装置控温,使得在测试过程中,标准太阳电池维持在(25.0±2.0)℃;根据标准太阳电池的标定值(需考虑光谱失配修正因子),调整太阳模拟器在样品面上辐照度使得样品所接受辐照度为(1000±20)W/m2;测试应使用能被精确测量面积的带有规则开孔的掩膜板,且掩膜板的材质应采用反光较弱的材料。
维持太阳模拟器的设置不变,将标准太阳电池替换成被测样品,保证两者受光面几何中心位置一致,样品的受光面与标准太阳电池的受光面高度一致;用控温装置对太阳电池的温度进行控制,使得在测量过程中,被测样品的温度维持在(25.0±2.0)℃,如果控温系统无法达到上述控温效果,则需对其结温进行准确测量,然后根据IEC 60891指定的方法进行温度修正。
按照目前《Solar cell efficiency tables》对钙钛矿太阳电池光电转换效率测量和认证的要求,需要通过持续测量被测样品在≥5min的最大发电功率输出情况来计算其光电转换效率。对被测样品采用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT)方法恒定加载其最大功率点电压值,连续采集电流信号,一般每个点之间的采集间隔不大于1s,连续采样至少5min,记录此时间段内的电流、电压和最大发电功率数据。
在稳态太阳模器光源照射下,采用MPPT测量法的转换效率按照公式(2)计算。
(2)
式中:
——采用MPPT测量法的转换效率;
——特定测量时间内测得的最大发电功率平均值(经辐照度、温度和光谱失配修正),单位为瓦特(W);
——为被测样品上表面入射光的辐照度,单位为瓦特每平方米(W/m2);
——为被测样品的面积,单位为平方米(m2)。
更常见的测量方法,则是根据IEC 60904-1的要求,在稳态太阳模器光源照射下,采用IV曲线扫描的测量方式测得钙钛矿太阳电池的转换效率,按照公式(3)计算。
(3)
式中:
——采用正反扫IV曲线测量法的转换效率;
——三次分别正扫IV和反扫IV测得的最大发电功率的算术平均值(经辐照度、温度和光谱失配修正),单位为瓦特(W);
——为被测样品上表面入射光的辐照度,单位为瓦特每平方米(W/m2);
——为被测样品的面积,单位为平方米(m2)。
3 实验结果和讨论
文中使用三种典型的钙钛矿太阳电池,依据上述测量方法进行测量,得到对应的三组根据IV曲线扫描下的转换效率和稳态光照下MPPT测量后计算的转换效率数据。
对于前两种钙钛矿太阳电池,其面积分别为0.0506cm2和1.002cm2,分别归类到《Solar cell efficiency tables》里的table 1 和table 2。对于这两类小型钙钛矿太阳电池,电极均位于电池背面,四个凯尔文探针与电极的接触影响了使用传统的平板式温控装置与电池背面的贴合,因此需将被测样品放置在一个密闭的温控腔体内进行准确温控。而第三种带封装的钙钛矿太阳电池更多地被称为小型组件,其背面可完全贴合常规的平板式温控器,对温控策略更为友好。表1列出了三种电池在两种测量方法下的最大发电功率和转换效率测量结果。
从表1可见,5分钟MPPT测量得到的转换效率基本介于IV正反扫测得的结果之间,视电池测量过程中的衰减情况不同,与正反扫IV曲线测得结果的平均值相比,小型电池偏差在0.4%以内,组件则在1.2%左右。一般情况下,正反扫描IV曲线测得最大发电功率差异较小的钙钛矿太阳电池,其稳态光照下5分钟测得的最大发电功率也比较稳定,也基本与正反扫描IV曲线测得最大发电功率的均值也比较一致,如1.002cm2的二号样品数据所示。而迟滞效应较大的样品经调试测量系统参数设置后仍无法保证正反扫IV曲线的一致性,Pmax的差异超过5%,如30.859cm2的三号样品,为,则其5分钟内测量的最大发电功率一般也有一定的变化,,但明显低于正反扫IV曲线得到的最大发电功率之间的差异,证明稳态光照下测量功率可较显著地驱除器件电容效应,达到平稳发电状态。
4 结论
文中利用浙江省市场监督管理局科研项目和福建省科技厅科研项目基金支持研发的钙钛矿太阳电池温控装置以及国家光伏产业计量测试中心配置的A+A+A+稳态氙灯太阳模拟器对几种典型的钙钛矿太阳电池进行测量和评估;使用宽光谱光谱仪对测量用光源的光谱分布进行持续监控,并使用相关数据对测得的电池关键电参数进行光谱失配修正。这几种典型的钙钛矿太阳电池的短时间IV曲线扫描测量结果和5分钟稳态光照下MPPT测量结果的对比,反映了根据针对晶硅电池开发的IEC标准进行测量的结果和相对长时间光照下的发电参数测量之间的差异,对进行钙钛矿太阳电池研发的相关企业和科研院所提供了有益的参考。
参考文献
[1]杨旭东,陈汉,毕恩兵,韩礼元.高效率钙钛矿太阳
电池发展中的关键问题[J].物理学报,2015,3(64):
68-77.
[2]Martin A.Green,Evan D.Dunlop,Gerald Siefer,
Masahiro Yoshita,Nikos Kopidakis,Karsten
Bothe,Xiaojing Hao, Solar Cell Efficiency Tables
(Version 61)[J],Progress in Photovoltaics,
2022,3-6.
[3]Martin A.Green,Evan D.Dunlop,Jochen Hohl-
Ebinger,Masahiro Yoshita, Nikos Kopidakis,
Xiaojing Hao,Solar Cell Efficiency Tables
(Version 57) [J],Progress in Photovoltaics,
2020,12.
[4]IEC 60904-1:2020 Photovoltaic devices–Part1:
Measurement of photovoltaic current-voltage
characteristics [S].
[5]IEC 60904-9:Ed.3 Photovoltaic devices–Part 9:
Solar simulator performance requirements [S].
[6]IEC 60904-7:2008 Photovoltaic devices–Part 7:
Computation of the spectral mismatch correction
for measurements of photovoltaic devices [S].
[7]IEC 60904-8:2014 Photovoltaic devices–Part 8:
Measurement of spectral responsivity of a
photovoltaic (PV) device [S].
[8]IEC 60904-4:2019 Photovoltaic devices–Part 4:
Reference solar devices–Procedures for
establishing calibration traceability [S].