CN109753678B - 一种校准太阳能电池伏安特性曲线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,包括以下步骤:(1)装配带有不同孔径大小的遮蔽罩;(2)对太阳能电池进行伏安特性曲线的测试,以遮蔽罩孔径面积为测试面积,计算得到短路电流密度数值;(3)处理得出多对孔径倒数‑短路电流密度值;(4)对多对孔径倒数‑短路电流密度值进行二次曲线拟合得到函数关系,其中的零阶拟合函数常数即为有效短路电流密度,从而得到校准后的短路电流密度。本发明通过建立孔径倒数与短路电流密度值两者拟合的函数关系,可校准得到有效短路电流密度值,有效减小遮蔽罩上孔的边缘效应对太阳能电池伏安特性曲线测试造成的误差,从而解决伏安特性曲线测试结果不准的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池性能的计算模拟领域,更具体地,涉及一种校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,该方法尤其可用于校准钙钛矿太阳能电池的伏安特性曲线中短路电流密度。
背景技术
最近几年,钙钛矿太阳能电池研究风靡全球,目前经权威机构认证的最高电池效率已经突破23.3%,超过传统薄膜太阳能电池的效率,成为光伏产业的新星。与其它类型的太阳能电池相比,这类电池还具有无可比拟的优点,如材料来源方便、制作工艺简单、设备要求不高以及电池成本低等。这些优点说明了钙钛矿太阳能电池极具代替高成本多晶硅及单晶硅太阳能电池的发展潜力。
然而这些高性能的钙钛矿太阳能电池在实验室研究阶段通常较小(0.04~1cm2),因此细微的测试误差都会对测试结果有很大的影响。针对这些器件,目前还没有标准的测试体系用于太阳能电池的性能测试。通常,绝大多数的钙钛矿太阳能电池在伏安特性曲线测试过程中,需要装置一枚具有精确孔径面积的遮蔽罩,标定器件的测试面积,用以计算电流密度(JSC)以及相应的光电转化效率(PCE)。然而,研究发现测试中使用的遮蔽罩的孔径尺寸对器件的伏安特性曲线中的光电参数有着非常大的影响。该现象预示着这种测试方法对伏安特性曲线的光电参数可能会造成一定的测试误差。因此,寻求一种校准钙钛矿太阳能电池伏安特性曲线的方法,成为钙钛矿太阳能电池领域研究的热点。
针对钙钛矿太阳能电池,器件结构一般为导电衬底/电子传输层/钙钛矿层/正/背电极,其中电池的两个电极重叠区域往往是器件的活性区域,不仅是电池的重要组成部分,还起到空穴传输和构成电子回路的作用。然后,如果在测试其伏安特性曲线的过程中,装备一枚与器件活性区域同样大小的遮蔽罩。精准的装备遮蔽罩而不遮挡器件的活性区域将会变得很困难。装配的错位往往会造成不可避免的测试误差。因此,钙钛矿太阳能电池测试中,通常会选用一枚尺寸略小于器件的面积的遮蔽罩,用来标定器件的测试面积。然后,遮蔽罩标定器件尺寸会因为边缘效应,使得额外的入射光以一定的角度通过遮蔽罩的孔径边缘入射到器件表面,导致了器件测试电流密度偏高。伏安特性曲线测试,在现有的测试体系下呈现出明显的不足。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明的目的在于提供一种校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,通过建立孔径倒数与短路电流密度值两者拟合的函数关系,可有效减小遮蔽罩上孔的边缘效应对太阳能电池伏安特性曲线测试造成的误差,从而解决伏安特性曲线测试结果不准的技术问题,预测有效的伏安特性曲线光电参数和有效的光电转化效率;本发明尤其能够校准该太阳能电池伏安特性伏安特性曲线的有效短路电流密度,并可进一步校准该太阳能电池的有效光电转化效率,方法操作简单易行、具有很高的实用价值和推广性。
为实现上述目的,按照本发明,提供了一种校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)对太阳能电池装配带有不同孔径大小的遮蔽罩,这些孔的形状彼此相同;
(2)对所述太阳能电池进行伏安特性曲线的测试,以遮蔽罩孔径面积为测试面积,得到不同测试面积下的短路电流密度数据,这些短路电流密度数据与孔径大小一一对应;
(3)根据所述步骤(2)得到的不同测试面积下的太阳能电池的短路电流密度数据,得出多对孔径倒数-短路电流密度值,任意一对所述孔径倒数-短路电流密度值均包括一个孔径值的倒数、以及一个短路电流密度值;
(4)对所述步骤(3)得到的所述多对孔径倒数-短路电流密度值进行二次曲线拟合,得到短路电流密度值与孔径倒数之间的函数关系;该函数关系是以所述孔径倒数作为自变量,所述短路电流密度值作为因变量,该函数关系中零阶拟合函数常数即为所述太阳能电池的有效短路电流密度,从而得到校准后的所述太阳能电池的短路电流密度。
作为本发明的进一步优选,所述步骤(4)中,所述二次曲线拟合具体是基于二次拟合函数:y=B0+B1×x+B2×x2,其中,y代表因变量,x代表自变量,B0为零阶拟合函数常数,B1为一阶拟合函数常数,B2为二阶拟合函数常数;
所述步骤(3)中,对于所述多对孔径倒数-短路电流密度值,所述孔径值的倒数其单位均为mm-1,所述短路电流密度值的单位均为mA cm-2,相应的,B0的单位为mA cm-2。
作为本发明的进一步优选,该方法还包括步骤:
(5)根据所述步骤(4)得到的校准后的短路电流密度计算该太阳能电池校准后的有效光电转换效率,有效光电转换效率η-eff满足:
其中,JSC-eff为校准后的短路电流密度;VOC为实测得到的开路电压;FF为实测得到的填充因子;Pin为实测时输入光的功率密度;Aap为该太阳能电池的测试面积,即遮蔽罩孔径面积;并且,VOC及FF所处的测试面积保持一致;
所述步骤(2)中,所述伏安特性曲线的测试是在模拟太阳光下测试太阳能电池的电流密度与电压特性曲线,所述模拟太阳光为一个标准太阳光;优选的,除了得到不同测试面积下的太阳能电池的短路电流密度数据外,得到的实测数据还包括开路电压、短路电流、峰值功率、峰值功率电流、峰值功率电压、填充因子、能量转化效率中的至少一种。
作为本发明的进一步优选,所述步骤(1)中,所述孔均为正方形孔或者均为圆形孔;这些孔用于暴露的太阳能电池上的区域均位于太阳能电池的活性区域内,且均不超过该活性区域的范围,优选的,这些孔的面积满足0.001cm2~10cm2;
当所述孔均为正方形孔时,所述步骤(3)中所述孔径值的倒数为正方形边长值的倒数;
当所述孔均为圆形孔时,所述步骤(3)中所述孔径值的倒数为圆形直径值的倒数。
作为本发明的进一步优选,所述步骤(1)中,所述太阳能电池为钙钛矿太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、单晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池或纳米硅太阳能电池,或者为纳米光电材料制成的太阳能电池;优选的,所述钙钛矿太阳能电池为可印刷介观太阳能电池,所述纳米光电材料制成的太阳能电池具体为纳米氧化锌制成的太阳能电池;更优选的,所述太阳能电池其活性区域的面积满足0.1cm2~10cm2。
作为本发明的进一步优选,所述步骤(1)中,所述遮蔽罩为不透光薄片,仅孔透光,厚度为1~20mm。
通过本发明所构思的以上技术方案,与现有技术相比,由于利用伏安特性曲线中短路电流密度与遮蔽罩孔径大小的关系,建立校准模型,通过拟合使用不同孔径大小遮蔽罩测试所得的伏安特性伏安特性曲线,能够计算出太阳能电池伏安特性伏安特性曲线的有效短路电流密度。该方法操作简单、理论科学,对太阳能电池性能的测试有着重大的实用意义。本发明可用于校准钙钛矿太阳能电池伏安特性曲线,尤其可用于校准太阳能电池伏安特性伏安特性曲线测试中短路电流密度。
本发明适用于任何能够将太阳能转化为电能的装置。本发明通过建立预测模型,预测该太阳能电池伏安特性曲线的有效短路电流密度,进一步计算该太阳能电池的有效光电转化效率。以钙钛矿太阳能电池为例,本发明通过对比钙钛矿太阳能电池在不同尺寸孔径的遮光罩下测得短路电流密度,针对伏安特性曲线测试所获短路电流密度与遮蔽罩尺寸进行建模,探究两者数学关系,并对测试的数据进行拟合,进一步预测有效的短路电流密度和有效的光电转化效率。通过使用带有不同孔径大小孔的遮蔽罩,遮蔽罩上的孔洞起到对太阳能电池器件的测试面积进行标定的作用,孔洞的孔径决定了伏安特性曲线测试的器件的有效面积。本发明的校准方法也与理论分析相匹配,具体分析如下:
首先建立伏安特性曲线测试中电流密度与遮蔽罩孔径的数学模型。模型中电流密度可表示为:
JSC=(JSC-eff×Aap+JSC-eff×Ad)/Aap (1)
JSC-err=(Ad×JSC-eff)/Aap (2)
有效短路电流密度(JSC-eff)是器件的实际短路电流密度,它由测得电流密度和受光照的遮蔽罩孔径面积决定。误差短路电流密度(JSC-err)是电流密度高估的部分,它由漫射光照亮的遮蔽罩孔径以外的受光照区域产生。受光照的遮蔽罩孔径的测试区域(Aap)是由遮蔽罩自身的孔径大小决定,漫反射受光照区域(Ad)是由漫射通过孔径后的模拟太阳光照亮非遮蔽罩孔径的测试区域大小决定。
由此可见,短路电流密度的过高估计主要取决于遮蔽罩带来的边缘效应。边缘效应来自于模拟太阳光的光场不均匀性和漫射光的共同作用。当掩模的Aap增加时,(Ad)/(Aap+Ad)的比率相应地降低。相应地,对测量的短路电流密度的高估部分减少了。
通过分析Aap和Ad的组成,短路电流密度与遮蔽罩孔径的关系可表示为:
Aap=πD2/4 (3)
Ad=π(D/2+Wc)2-π(D/2)2 (4)
JSC=JSC-eff(1+4Wc/D+4Wc 2/D2) (5)
圆孔遮蔽罩的直径(D)由遮蔽罩孔径决定。漫射光通过圆孔遮蔽罩光照区域宽度(Wc)由漫射光的入射角度和玻璃基板的厚度共同决定。如使用方孔遮蔽罩,则方形遮蔽罩边长(L)与漫射光通过方孔遮蔽罩光照的区域宽度(Ws)建立相应关系:
JSC=JSC-eff(1+4Ws/L+4Ws 2/L2) (6)
并且,该数学模型(即函数关系)中短路电流密度与圆孔遮蔽罩直径的倒数(1/D)呈二次相关。同样的,该短路电流密度与方孔遮蔽罩的倒数(1/L)呈二次相关。
可见,本发明中的校准方法具有良好的理论分析支持。本发明通过校准太阳能电池伏安特性曲线测试的短路电流密度,可预测有效短路电流密度,从而进一步计算该太阳能电池的有效光电转化效率,从而利用伏安特性曲线能够为太阳能电池提供稳定可靠的分析测试,例如包括短路电流测量、短路电流密度测量、开路电压测量、填充因子测量、光电转化效率测量等在内的基本测量功能。
本发明的校准方法操作简单,理论科学,可以快速校准钙钛矿太阳能电池在伏安特性曲线测试中短路电流密度,解决了钙钛太阳能电池长期以来的伏安特性曲线测试受遮蔽罩影响所产生的误差问题。从而使得真实的光电参数被报道。利用本发明可进一步计算伏安特性曲线中短路电流密度在各遮蔽罩孔径下的误差范围,即测试所得的短路电流密度比上有效短路电流所得的百分比,可进一步为评价该钙钛矿太阳能电池有效的光电转化效率做准备,最终提高其太阳能转化效率被报道的真实性。
附图说明
图1中(a)为本发明实施例中一种典型的可印刷介观钙钛矿太阳能电池的平面演示;(b)为在模拟阳光下,钙钛矿太阳能电池装配遮光罩和支架进行伏安特性曲线测试的示意图。
图2为本发明实施例中可印刷介观钙钛矿太阳能电池装配孔径面积不等的遮蔽罩,并依次测试伏安特性曲线并记录光电参数,记录并绘制光电参数趋势;其中,(a)为短路电流密度(JSC)和光电转化效率(PCE)的趋势图;(b)为开路电压(VOC)和填充因子(FF)的趋势图。
图3为本发明实施例中边缘效应的示意图和拟合的曲线;其中,(a)左侧为模拟太阳光通过遮蔽后的光路的示意图,右侧为模拟太阳光通过圆孔和方孔的遮蔽罩在器件表面形成的照明区域;(b)分别为圆孔方孔的待拟合数据二次拟合的拟合曲线;(c)分别为两次拟合曲线的残值分布。
图2、图3中,图例●、○(包含各种灰度填充)表示Circular(即,圆孔),图例■、□(包含各种灰度填充)表示Square(即,方孔)。图3中,D为圆孔遮蔽罩的直径,L为方形遮蔽罩边长,Aap代表受光照的遮蔽罩孔径的测试区域,Ad代表漫反射受光照区域;Wc代表漫射光通过圆孔遮蔽罩光照区域宽度,Ws代表漫射光通过方孔遮蔽罩光照的区域宽度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总体来说,本发明中校准太阳能电池伏安特性曲线的方法主要包括以下步骤:
(1)对太阳能电池装配可选的遮蔽罩;
(2)测试该太阳能电池伏安特性曲线,并记录测试所得短路电流密度和对应的遮蔽罩孔径的倒数,为一组待拟合数据;
(3)改变可选的遮蔽罩孔径大小,使其从孔径略小于器件活性区域,逐步减小(但不能小到封口),依次对其测试伏安特性曲线,并记下对应的短路电流密度和遮蔽罩孔径的倒数为待拟合数据;
(4)使用一种选定的拟合函数对待拟合数据进行二次曲线拟合,测试所得短路电流密度为因变量,遮蔽罩孔径倒数为自变量,记录拟合结果;
(5)拟合结果中拟合函数常数即为有效短路电流密度;
(6)该有效短路电流密度替代伏安特性曲线光电参数中的短路电流,得到伏安特性曲线光电参数校准结果,及有效光电转换效率。
图1中(a)为本发明实施例中一种典型的可印刷介观钙钛矿太阳能电池,其工作区域(有效区域)是TiO2层和碳层的重叠,其用矩形标记。由于碳层的边缘非常粗糙,因此难以精确地找出碳层区域,并且难以确定器件的活性区域。因此,必须采用孔径小于器件工作区域的遮蔽罩来限定测试区域,从而进行伏安特性曲线测试,如图1中(b)所示。本发明实施例根据图3中(a)所介绍的两枚不同形状的遮蔽罩,分别描述本发明校准太阳能电池伏安特性曲线的方法在方孔和圆孔遮蔽罩两种方案的应用和适配情况。
实施例1:
(1)选用高性能的可印刷介观钙钛矿太阳能电池作为测试样品,但不限于此。尺寸为15mm×20mm,掺氟氧化锡玻璃基底厚度为3mm,但不限于此。
(2)我们对该器件装配具有不同孔径的圆孔遮蔽罩,孔径面积从0.031cm2增加到0.503cm2,即直径从2mm到8mm,厚度1mm,但不限于此,依次测试其伏安特性曲线,并记录其光电参数。
(3)如图2中(a)所示,当圆形孔径面积从0.031cm2增加到0.503cm2时,短路电流密度(JSC)从25.28mA cm-2下降到22.61mA cm-2,而(PCE)从13.53%增加到14.11%,再下降至11.17%。开路电压(VOC)从847mV增加到911mV,填充因子(FF)从0.64改善到0.67,再降低到0.59,如图2中(b)所示。
(4)统计短路电流密度值以及对应的遮蔽罩孔径的倒数(针对圆孔,该倒数为直径的倒数(1/D))。测试所得短路电流密度(JSC)为因变量,直径的倒数(1/D)为自变量。
(5)使用一种可选的统计软件,如Origin但不限于此,选定二次拟合函数对待拟合数据进行二次曲线拟合,记录拟合结果,如图3中(b)左侧所示。
(6)拟合结果中拟合函数常数为22.14,即有效短路电流密度22.14mA cm-2,即为该伏安特性曲线的短路电流密度的校准结果。
实施例2
本实施例中包括以下步骤:
(1)同实施例1。
(2)我们对该器件装配具有不同孔径的方孔遮蔽罩,孔径面积从0.031cm2增加到0.504cm2,即边长从1.75mm到7.1mm,但不限于此,依次测试其伏安特性曲线,并记录其光电参数。
(3)对于使用具有方孔的遮蔽罩测量的结果,可以观察到与圆孔类似的值和趋势。如图2所示。
(4)统计短路电流密度值以及对应的遮蔽罩孔径的倒数(针对方孔,该倒数为边长的倒数1/L)。测试所得短路电流密度(JSC)为因变量,边长的倒数(1/L)为自变量。
(5)使用一种可选的统计软件,如Origin但不限于此,选定二次拟合函数对待拟合数据进行二次曲线拟合,记录拟合结果,如图3中(b)右侧所示。
(6)拟合结果中拟合函数常数为22.31,即有效短路电流密度22.31mA cm-2,即为该伏安特性曲线的短路电流密度的校准结果。
在得到校准后的短路电流密度(即有效短路电流密度)的基础上,可进一步根据该有效短路电流密度,校准得到有效光电转换效率η-eff:
JSC-eff即为校准后的短路电流密度;VOC为实测得到的开路电压;FF为实测得到的填充因子;Pin为实测时输入光的功率密度;Aap为该太阳能电池的测试面积,即遮蔽罩孔径面积。由图2可以看出,不同测试面积下的VOC及FF实测值也可能存在波动,在η-eff校准过程中所采用的VOC及FF可以是任一固定测试面积下的实测值,得到的η-eff也相应对了该测试面积下的有效电流密度。以常用的0.1cm2测试面积下测量有效PCE为例,可将JSC-eff替换该测试面积下JSC,其他参数(如VOC、FF)按测试面积0.1cm2下的数据去计算PCE,从而得到0.1cm2的PCE-eff;如需要其他测试面积的值,则代入其他测试面积下相应的实测数据即可。
需要说明的是,上述各实施例中,对于其中具体参数的数值范围的选择并不限定本发明,实际上本发明中,各具体参数可以根据实际情况进行选择。
上述方法操作简单,理论科学,可以快速校准钙钛矿太阳能电池在伏安特性曲线测试中短路电流密度,解决了钙钛太阳能电池长期以来的伏安特性曲线测试受遮蔽罩影响所产生的误差问题。从而使得真实的光电参数被报道。
利用本发明可进一步计算伏安特性曲线中短路电流密度在各遮蔽罩孔径下的误差范围,即测试所得的短路电流密度比上有效短路电流所得的百分比。进一步为评价该钙钛矿太阳能电池有效的光电转化效率做准备,最终提高其太阳能转化效率被报道的真实性。
本发明中的伏安特性曲线测试可以在太阳光模拟器下进行,该模拟器提供的模拟太阳光可以是光强为一个标准太阳光(AM 1.5,100mW cm-2)。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)对太阳能电池装配带有不同孔径大小的遮蔽罩,这些孔的形状彼此相同;
(2)对所述太阳能电池进行伏安特性曲线的测试,以遮蔽罩孔径面积为测试面积,得到不同测试面积下的短路电流密度数据,这些短路电流密度数据与孔径大小一一对应;
(3)根据所述步骤(2)得到的不同测试面积下的太阳能电池的短路电流密度数据,得出多对孔径倒数-短路电流密度值,任意一对所述孔径倒数-短路电流密度值均包括一个孔径值的倒数、以及一个短路电流密度值;
(4)对所述步骤(3)得到的所述多对孔径倒数-短路电流密度值进行二次曲线拟合,得到短路电流密度值与孔径倒数之间的函数关系;该函数关系是以所述孔径倒数作为自变量,所述短路电流密度值作为因变量,该函数关系中零阶拟合函数常数即为所述太阳能电池的有效短路电流密度,从而得到校准后的所述太阳能电池的短路电流密度。
2.如权利要求1所述校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,其特征在于,所述步骤(4)中,所述二次曲线拟合具体是基于二次拟合函数:y=B0+B1×x+B2×x2,其中,y代表因变量,x代表自变量,B0为零阶拟合函数常数,B1为一阶拟合函数常数,B2为二阶拟合函数常数;
所述步骤(3)中,对于所述多对孔径倒数-短路电流密度值,所述孔径值的倒数其单位均为mm-1,所述短路电流密度值的单位均为mA cm-2,相应的,B0的单位为mA cm-2。
3.如权利要求1所述校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,其特征在于,该方法还包括步骤:
(5)根据所述步骤(4)得到的校准后的短路电流密度计算该太阳能电池校准后的有效光电转换效率,有效光电转换效率η-eff满足:
其中,JSC-eff为校准后的短路电流密度;VOC为实测得到的开路电压;FF为实测得到的填充因子;Pin为实测时输入光的功率密度;Aap为该太阳能电池的测试面积,即遮蔽罩孔径面积;并且,VOC及FF所处的测试面积保持一致;
所述步骤(2)中,所述伏安特性曲线的测试是在模拟太阳光下测试太阳能电池的电流密度与电压特性曲线,所述模拟太阳光为一个标准太阳光;除了得到不同测试面积下的太阳能电池的短路电流密度数据外,得到的实测数据还包括开路电压、短路电流、峰值功率、峰值功率电流、峰值功率电压、填充因子、能量转化效率中的至少一种。
4.如权利要求1所述校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述孔均为正方形孔或者均为圆形孔;这些孔用于暴露的太阳能电池上的区域均位于太阳能电池的活性区域内,且均不超过该活性区域的范围,这些孔的面积满足0.001cm2~10cm2;
当所述孔均为正方形孔时,所述步骤(3)中所述孔径值的倒数为正方形边长值的倒数;
当所述孔均为圆形孔时,所述步骤(3)中所述孔径值的倒数为圆形直径值的倒数。
5.如权利要求1所述校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述太阳能电池为钙钛矿太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、染料敏化太阳能电池、单晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池或纳米硅太阳能电池,或者为纳米光电材料制成的太阳能电池。
6.如权利要求5所述校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述钙钛矿太阳能电池为可印刷介观太阳能电池,所述纳米光电材料制成的太阳能电池具体为纳米氧化锌制成的太阳能电池。
7.如权利要求6所述校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述太阳能电池其活性区域的面积满足0.1cm2~10cm2。
8.如权利要求1所述校准太阳能电池伏安特性曲线的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述遮蔽罩为不透光薄片,仅孔透光,厚度为1~20mm。
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