基于SMU数字源表的钙钛矿太阳能电池电性能测试方案

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前言

       “碳达峰、碳中和”背景下，发展新能源成为降低碳排放的第一驱动力。以太阳能为代表的清洁能源在市场上的占比大幅提升，与之对应的太阳能电池同样发展迅速。太阳能电池是一种吸收光能产生电能的半导体光电二极管，硅基电池作为第一代太阳能电池占据着市场主导地位；第二代太阳能电池为多元化薄膜电池，优点在于转化效率高、质量小、厚度薄，但其研究原料的环境污染效应颇具争议；如今，以燃料敏化、量子点、钙钛矿为代表的第三代太阳能电池逐渐进入人们视野。

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光伏市场广阔

钙钛矿太阳能电池机遇蕴于其中

        目前，全球已有60多个制定了太阳能光伏发电产业发展规划或指导意见；在第28届联合国气候变化大会（COP28）上，全球近200个缔约方达成历史性协议，呼吁在2030年前将全球可再生能源产能增加2倍，这对于光伏产业的发展而言又是一大利好。

        作为新一代太阳能电池，钙钛矿太阳能电池在光伏领域同样展现出巨大的潜力。钙钛矿材料具有较高的吸光系数、可调节的带隙、较高的载流子迁移率、较低的激子结合能、较长的载流子传输距离等优点。相比于晶硅电池，具有非常明显的优势。经过多年的发展，以钙钛矿结构材料作为吸光材料的太阳能电池的光电转换效率（PCE）从最初的3.8%迅速上升到25.7%，成为最具竞争力的理想光伏电池。

图：钙钛矿电池和单晶硅电池实验室效率对比

        根据CPIA预测，全球钙钛矿电池总产能将从2023年1GW增长至2030年461GW；2023至2030年的年复增长率达到140.01%。

数据来源：观知海内信息网

        目前，钙钛矿电池正处在从实验室走向产业化的初期，由于其材料特性的影响，稳定性方面还存在技术难点，和晶硅相比寿命及量产效率还有较大差距。此外，钙钛矿太阳能电池在性能测试中的迟滞现象会严重影响器件效率的测定，产业化I-V测试面临着巨大的挑战，传统的测试方案存在明显局限。因此，标准化的性能参数评价、精准的稳定性测试以及符合使用场景的测试方法将有效的推进钙钛矿太阳能电池的规模化、产业化发展。

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产业化进程提速

测试技术壁垒如何攻克？

        光电转换效率(PCE)是钙钛矿太阳能电池最主要的性能评价指标，常规测量效率的方法是基于特定的光谱和测试环境下，对电流-电压曲线 (I-V曲线) 进行测量，测试参数包括短路电流(Isc)、开路电压(Voc)以及填充因子(FF)等。量子效率一般用来表征光电流与入射光的关系，它不但能反映太阳能电池内各层材料的质量，也能反映减反膜、辐照损伤和各个界面层的质量。

        此外，热斑效应和PID效应是光伏电站运行过程中的多发问题。热斑效应是指某一太阳能电池片由于内部缺陷或者外部遮挡，被当做负载消耗其他有光照的电池片所产生的能量，在降低组件输出功率的同时，还易使遮挡电池的局部温度升高而受损。在光伏系统中，一般采用旁路二极管作为热斑保护，能够有效地防止电池片因热斑效应而烧毁，是光伏太阳能组件的重要组成部分。因此，旁路二极管的有效运行直接影响着光伏电站的发电量及使用安全，性能测试十分重要。

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图：旁路二极管并联示意图

        PID(Potential induced degradation)效应又称电势诱导衰减，是光伏组件的封装材料和其上下表面材料、电池片与其接地金属边框之间在高电压作用下出现离子迁移而形成漏电流，大量Na+电荷聚集在电池片表面，使得电池片表面的钝化效果恶化，从而导致电池片的填充因子、开路电压及短路电流降低，电池组件功率衰减，衰减程度可达50%。

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图：PID效应示意图

        因此，如何科学有效的进行旁路二极管电性能测试以及PID测试，对提高光伏组件发电效率及寿命非常重要。

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基于普赛斯数字源表的钙钛矿

太阳能电池性能测试解决方案

        普赛斯仪表致力于数字源表的研究，并于2019年率先实现数字源表的国产化，陆续推出了高精度数字源表、插卡式源表等产品。围绕钙钛矿太阳能电池的测试需求，联合行业知名厂商为用户打造科研级单通道及多通道太阳能电池测试解决方案，具有较好的一致性测量特性，可精确的输出和测量电压、电流，预防器件损坏；同时，极大的缩短测试时间、简化整体测试系统设计，具有较好的可用性。为光伏器件的研究、质检以及应用提供可靠的测试工具。

单通道I-V测试方案

单通道I-V测试系统以普赛斯数字源表为核心，搭载3A级太阳能模拟光源、夹具、温度控制器以及专用I-V测试软件等组成。可进行短路电流(Isc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)等参数的测试。

图：单通道I-V测试系统架构图
图：I-V测试曲线图

多通道轮询I-V测试方案

方案采用多通道LED光源、通道切换器以及S系列台式源表组成。S源表通过通道切换器轮询测试多颗钙钛矿电池。多通道LED光源提供模拟光源，配套多通道太阳能电池I-V测试软件提升测试效率。

图：MPPT轮询老化测试系统架构图

MPPT并行老化测试方案

采用普赛斯插卡式源表(CS1010C + CS系列子卡)组建多通道老化测试方案，具有通道密度高、同步触发功能强，多设备组合效率高等特点。每个通道老化一块电池，最大可支持40个通道老化方案。系统主要分为I-V测试、MPPT追踪、V-t 测试和I-t测试四个主测试项目。

图：MPPT并行老化测试系统架构图

量子效率测试方案

方案以普赛斯数字源表为核心，搭配光源系统、光栅扫描单色仪以及样品测试暗箱，可进行光谱响应度、外量子效率、内量子效率、发射率/透射率、短路电流密度等参数的测试。

图：量子效率测试系统架构图

图：量子效率测试曲线图

旁路二极管热性能测试方案

热性能测试旨在确定二极管的温度特性以及其在连续工作条件下的最大结温，将组件加热到指定温度，并施加Isc或者1.25倍的Isc脉冲电流，脉冲宽度不大于1ms，实时检测旁路二极管的正向电压。参照IEC 61215-2规范，采用普赛斯PL系列窄脉冲LIV测试系统或HCPL100高电流脉冲电源作为脉冲电流源，输出脉冲电流时可同步测量器件电压，具有源测精度高达0.1%、输出脉冲边沿陡(最小100ns)、测试效率高等优点。

图：PL系列窄脉冲LIV测试系统

图：HCPL100高电流脉冲电源

PID测试方案

方案采用E系列高电压源测单元作为高压源，给太阳能电池组件的电极和金属边框施加1000V或1500V高压，测两端之间是否存在漏电流。设备采用恒压测流模式，最大电压高达3500V，最小电流低至1nA。

图：E系列高电压源测单元

电池组件测试方案

钙钛矿电池组件通常是通过多块电池串并联形成，拥有更大电流和功率。普赛斯HCP大功率脉冲源表最大电流100A，最高功率支持5000W，能够满足大功率的电池组件I-V测试需求。

图：HCP系列大电流台式脉冲源表

        S/P系列精密型数字源表(SMU)是对钙钛矿太阳能电池和各种其他器件的进行电性能表征的最佳解决方案。其宽广的电流和电压测量范围，可以为科研及生产制造提供卓越的测量性能。结合太阳光模拟器以及专用的上位机软件，能极大简化太阳能电池测试效率,可以更精确、更轻松的表征器件。