疊層鈣鈦礦 / 有機太陽能電池檢測程序與要點

疊層鈣鈦礦 / 有機太陽能電池檢測程序與要點

本文摘自Characterization of tandem organic solar cells
Authors: Ronny Timmreck, Toni Meyer, Jan Gilot, Holger Seifert, Toni Mueller, Alice Furlan, Martijn M. Wienk, David Wynands, Jochen Hohl-Ebinger, Wilhelm Warta, René A. J. Janssen, Moritz Riede and Karl Leo

疊層太陽能電池製備技術對於有機光伏(organic photovoltaics , OPVs)器件來說是極為重要的關鍵要素,大幅提高了有機太陽能電池發展的前景。但是,對於此類型的多節太陽能電池來說,如何準確、有效地測量出轉換效率(efficiency determination)或其他的電學特性(electrical characterization)則是疊層電池測量的一大挑戰。
作者蒐集了於2009年1月至2014年9月期間,所有在Science所發表關於疊層有機太陽能電池的學術論文。令人震驚的是,作者發現,大約96%的論文所公布的效率數值,是未遵循相關重點指標所測得的結果,甚至大部分的論文未能充分地說明器件的特性,結果也有可能是錯誤的。(疊層有機太陽能電池論文調查分析請見下表)

Analysis of the publication practice of tandem organic solar cell efficiency

(圖表來源:Characterization of tandem organic solar cells)

主要造成此疏失,主因是研究人員缺乏符合標準的量測儀器,進行精準地測量光譜匹配度;加上,沒有適合的標準電池來校正有機太陽能光伏器件,讓量測難上加難!此外,部分研究人員將單結太陽能電池的量測方式套用在疊層器件上,甚至忽略了現有量測疊層器件的準則,因此才會造產生目前疊層有機太陽能電池的量測準確性和效率正確性的問題。
為了讓疊層有機太陽能電池的測量結果具備可靠性,必須加強評定器件的準確性以及可比對度的項目。因此,作者提出一套明確且實用的操作指南,依據現有標準規範所訂定出的量測程序,教導大家如何用正確地測量程序,測量疊層有機太陽能電池的方法。
一般的多結電池是串聯疊層結構,各子電池間沒有額外的電子傳輸通道,故必須擴寬電池的光譜響應範圍,提高各電池層的電池轉換效率。目前測量疊層電池面臨兩大挑戰:第一,當使用太陽光模擬器進行J-V 特性(電流密度與電壓)量測時,該元件之SR或EQE測量結果,對於光譜修正有重大的影響。第二,為獲得明確的效率結果,必須使用光譜可調的太陽光模擬器進行量測。

以下為作者所提出檢測疊層有機太陽能電池的標準通則:
1.  首先根據電池吸收材料的吸收光譜來決定測量光譜響應的偏置光條件(如光譜範圍與光強度)。以下圖為例,吸收短波的子電池為上層,吸收長波長的子電池為下層,若要量測上層電池之光譜響應,此時必須採用光譜範圍在下層子電池會吸收之偏置光源;換言之,若要量測下層子電池,偏置光源則必須使用上層電池會吸收之光譜波段。


2.  再來決定偏置光的光強,選擇光強必須讓待測的子電池的光譜響應是可測得,故可根據子電池的電壓預測值,評估進行SR測量的偏壓條件。如果想快速進行測量,可以採用相同吸收材料的子電池之開路電壓Voc來當作偏置電壓進行SR量測。

(圖表來源:Characterization of tandem organic solar cells)

3.  依據ASTM E2236測試標準,則是採用單色光與鎖相技術固定偏壓和偏置光的條件來測量子電池的光譜響應(SR)。此外,在沒有偏置光情況下測量SR,並確認他是否符合有偏置光條件下之低波包(lower envelope)光譜響應。

4.  根據SR的量測結果,可利用光譜可調的太陽光模擬器量測子電池之光強度,來使得子電池的光譜失配可獲得修正。為了獲得正確的J-V曲線(電流密度與電壓特性)及效率測量,可依循ASTM E2236的測試標準或是在參考文獻11、12中的測試方法。(請詳看原文的參考文獻:11. Meusel, M., Adelhelm, R., Dimroth, F., Bett, A. W. & Warta, W. Prog. Photovolt. Res. Appl. 10, 243–255 (2002). 12. Moriarty, T., Jablonski, J. & Emery, K. Proc. 38th IEEE Photvolt. Spec. Conf. 1291–1295 (2012).)由於有效電能轉換的面積,是影響整體效率轉換的關鍵要素,故研究者必須嚴謹地查證量測結果的準確性。

除了上述檢測疊層有機太陽能電池的通用準則,作者強烈地建議,研究人員須明確地描述檢測程序、步驟在發表的論文裡,以確保研究結果的再現性、可比較性以及準確性。另關於SR和EQE測量應涵蓋:實驗步驟說明、MASK大小、每個子電池的偏壓、偏光以及所使用的光源。關於J-V特性測量應包含:實驗步驟說明、MASK大小以及使用的太陽光模擬器。

詳看原文:Characterization of tandem organic solar cells


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