钙钛矿太阳能电池的测试技术

1、为光伏行业提供一站式的测试解决方案钙钛矿(perovskite) 太阳能电池的测试技术新加坡维信科技 上海测试实验室Wang Yuchang wangycivt-；关键字：钙钛矿，钙钛矿太阳能电池，太阳能模拟器， I-V特性测试，光谱响应，外量子效率，内量子效率，参考电池摘要： 一种称之为钙钛矿的材料具有绝佳的光电转化能力，被视为太阳能电池的最新应用材料，应用在太阳能领域仅仅2-3年，已经成功地将太阳能电池光电转换效率提高到15%，这已经接近市场上硅太阳能电池的20%的转换率。南洋理工大学的跨学科科学家团队成功地解释这种材料的机理。其论文发表在2013年10月18日的科学杂志上。研究人员发现光

2、线产生的电子，可以走得很远，这样一来，就可以制造较厚的太阳能电池，以吸收更多的光线，产生更高的电流，取得更高的光电转化效率。 新加坡维信科技在提供南洋理工大学这支跨学科团队的测试服务过程中，了解到一些钙钛矿电池的独特性。有别于常规的硅太阳能电池，它对于测量光谱响应，精确测量转换效率以及选购它们相应的测量仪器，光谱响应测量系统，太阳能模拟器都有一些特殊的考量因素。1. 钙钛矿太阳能电池的光谱响应测量：Fig.1: 钙钛矿太阳能电池的光谱响应1 钙钛矿(Perovskite) 太阳能电池的测试技术 | Industrial Vision Technology (S) Pte Ltd为光伏行业提供一

3、站式的测试解决方案Fig.2: 常见太阳能电池的光谱响应有别于硅太阳能电池，钙钛矿太阳能电池的光谱响应始于300nm，止于800nm，在300nm至400nm的紫外光范围，就有很高的光谱吸收能力，在可见光400nm 至700nm的光谱范围，其光谱吸收能力达到最高。这就对测量设备提出一些特别的要求：v 光谱响应测量系统必须从300nm开始就有非常良好的测量精度和很高的信噪比。由于石英灯所含的300nm-400nm紫外光能量很小，进入单色仪，经过光栅（Grating）之后从狭缝（slit）出来的紫外光几乎没有或者容易被环境光所淹没。对于采用单一光源-石英灯的光谱响应测量系统几乎就很难测量出钙钛矿太

4、阳能电池在300nm至350nm的光谱响应。v 即使采用氙灯作为光源，它有非常丰富的紫外光能量，但在：300nm-400nm紫外光能量相对于500nm-700nm的可见光谱能量，其比例非常低。所以当它们同时或者滤光之后进入单色仪，经过光栅（Grating）之后从狭缝（slit）出来的紫外光也几乎被光源本身的杂散光所淹没。因此光谱响应测量系统采用的单色仪必须要有非常高的杂散光抑制能力(Straylight Suppression)。通常，聚焦长度(focus length)较长（F > 300mm）的单色仪，会有比较好的杂散光抑制能力。2. 钙钛矿太阳能电池的I-V特性测量：2.1 精确测

5、量太阳能模拟器的光谱：太阳能模拟器是I-V测量系统的核心部件，参考IEC标准，A级模拟器必须具备的光谱范围是400nm 至1100nm，它覆盖了硅电池组件的实际应用的光谱范围。而之前我们已2 钙钛矿(Perovskite) 太阳能电池的测试技术 | Industrial Vision Technology (S) Pte Ltd为光伏行业提供一站式的测试解决方案经了解到：钙钛矿太阳能电池在光谱300nm至400nm的紫外光已经有了非常高的光谱吸收能力。显然即使是如图示Fig.3 所示的常规A级太阳能模拟器，也不一定能满足精确测量钙钛矿太阳能电池的要求。在实际选购的时候，我们更希望了解模拟器在3

6、00nm 至800nm的实际光谱能量分布情况，如附图Fig.4所示。Fig.3 常规3A级模拟器的光谱分布Fig.4 特殊A级模拟器的光谱分布目前市场上用来测量模拟器光谱的手提式光谱功率计(Spectroradiometer)，都采用柔性光纤将光导入由CCD作为感光传感器的分光仪。如图Fig.5所示，许多柔性光纤的传导光谱范围也只是从400nm开始。所以精确测量模拟器在300nm至400nm的光谱能量，需要采用特别的光缆，它的传导光谱范围覆盖UV-VIS。同时分光仪采用的CCD感光传感器件最好是UV增强型的。3 钙钛矿(Perovskite) 太阳能电池的测试技术 | Industrial V

7、ision Technology (S) Pte Ltd为光伏行业提供一站式的测试解决方案Fig.5 光纤的传导光谱范围2.2 精确定标太阳能模拟器的光强：1000W/m2 AM1.5G 光谱通常，我们都会用一种称之为“参考电池片，Reference solar cell” 的标准电池片去定标模拟器的光强。需要注意的是，参考电池片也有不同的光谱响应范围。如果采用的是具有单晶硅太阳能电池光谱特性的参考电池片，它所标定的是光谱范围300nm至1200nm的光谱总的平均功率。和我们希望精确定标的光谱范围：300nm 至800nm 有时会有相当大的差别。解决的方法之一是选择一种参考电池片具有和钙钛矿太

8、阳能电池类似的光谱响应范围，如图Fig.6所示， KG3的参考电池片，它的光谱响应范围在300nm 至 900nm。4 钙钛矿(Perovskite) 太阳能电池的测试技术 | Industrial Vision Technology (S) Pte Ltd为光伏行业提供一站式的测试解决方案如果选用的太阳能模拟器具有如图Fig.4所示的光谱匹配度(±10%)，采用上述的KG3 参考电池定标出的模拟器光强，已经能够满足日常的测试要求。如果需要更准确的测量钙钛矿太阳能电池的转换效率，那就需要采用额外的二种方法：方法一：光谱失配因子修正：M系数；模拟器的实际光谱失配是个动态参数，它的数值随

9、灯的使用时间而发生变化，通常红外波长的能量会随灯的使用时间而增加，而紫外波长的能量相对减少。所以在模拟器新安装，开始使用的时候，即使有如图Fig.4所示的理想的光谱，但是经过400-500小时的使用，光谱的失配度可以达到±25%，虽然它仍然是A级光谱。要计算这个失配因子M系数，就必须精确测量出：模拟器实际的、当下的光谱：Es()；以及钙钛矿太阳能电池的光谱响应：ST()。ERef（）是AM1.5G光谱，SR() 是参考电池的光谱响应。方法二：定标钙钛矿太阳能电池的短路电流：Isc/Jsc；参考光谱响应ST()的定义：ST() = 产生的短路电流 / 照射在它上面的光谱功率，单位： (

10、A W-1 nm-1)如果能够精确测量钙钛矿太阳能电池的光谱响应，那么，它在AM1.5G 光谱的太阳光照射下的短路电流是可以计算出来的：Isc (AM1.5G) = 光谱响应 SR() X AM1.5G 光谱；但前提条件是：测量光谱响应SR() 必须满足以下条件：v 测量用的单色光必须均匀地覆盖整个电池表面；v 整个电池表面的光照强度接近1000W/m2；v 电池的温度控制在25度±2oC;具备这样的测试条件和测量能力的实验室需要投入大量的资金和人员。维护这些设备就更需要有训练有素的团队。新加坡维信科技已经把在新加坡的成功经验和技术移植来中国，成功地在上海建立起了具备以上测试能力的实

11、验室。免费开放给国内的大学，研究所，满足研究生，博士生对精确测量电池转换效率，以及Isc Loss Analysis的需求。欢迎国内大学研究所的研究生，博士生，前来免费使用我们的测量设备。也欢迎进行技术交流与合作，共同开发光伏测试技术、测试理论和测量方法，共同促进中国光伏事业的发展。5 钙钛矿(Perovskite) 太阳能电池的测试技术 | Industrial Vision Technology (S) Pte Ltd为光伏行业提供一站式的测试解决方案附件1：新加坡维信科技 上海测试实验室的测试能力一览表： 标定太阳能电池 AM1.5G光谱的短路电流 标定太阳能电池 STC条件下的I-V特性 标定太阳能电池的温度系数参数 标定太阳能电池的I-V特性参数与光强的线性相关性 测量电池副栅线之间，硅太阳能电池的光谱(SR)响应 测量电池的漫反射率（Reflection） 测量电池的内量子效率（IQE） 测量电池SR/EQE 的均匀性，电流密度分布 分析电池的内部缺陷分析（PL影像） 分析电池,小组件的Isc Loss； 硅片的PL成像，质量分析，等级分选 硅片缺陷分析：晶格，杂质 & 晶界联系方法： 联系人：马芳新加坡维信科技 上海测试实验室上海伟信新能源科技有限公司Emai