专栏名称: 研之成理

夯实基础，让基础成就辉煌；传递思想，让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流，旨在创建属于大家的科研乐园！主要内容包括文献赏析，资料分享，科研总结，论文写作，软件使用等。科研路漫漫，我们会一路陪伴你！

今日Joule：如何精确地报道透明发光太阳能聚集器的性能参数？

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2019-10-31 07:01

正文

▲通讯作者：

R ichard R. Lunt （密歇根州立大学化工与材料学院）

第一作者：

杨晨晨（密歇根州立大学化工与材料学院）

柳佃义（密歇根州立大学化工与材料学院, 西湖大学工学院）

评论背景

透明太阳能电池及透明太阳能光伏技术（Transparent Photovoltaics (TPV)）可以将入射太阳光转换为电能，而不影响它们的现有功能和外观。TPV 主要应用场合包括建筑玻璃、温室、大型显示屏与标志牌以及车辆窗户等，因此器件的美观性与光伏转化率具有同样重要的地位。

在保持较高的平均可见光透过率（Average Visible Transmission ( AVT )，大于 50 %）的前提下，逐步提升 TPV 的光电转化率以接近 Schockley-Queisser 极限（S-Q Limit）成为最行之有效的发展策略。高透光率要求器件结构中每部分（包括基片、吸光层和电极）都对可见光透明，这对薄膜光伏技术有很大的挑战性。

发光太阳能聚集器（Luminescent Solar Concentrator (LSC)）能利用全反射将光电转化过程转移到 LSC 波导板边缘的太阳能电池上，整个太阳能吸光的区域不再需要电极，极大地简化了器件结构并提升了整个器件的透光率。

在 LSC的基础上，透明太阳能聚集器（Transparent Luminescent Solar Concentrator (TLSC)）利用嵌入或涂布于波导板的紫外（UV）或红外（NIR）波长选择性吸收（wavelength-selective harvesting）的发光物质（luminophore）吸收入射太阳光，并将这部分能量下转换为红外光子发射，此过程中吸收和发射的光子都在可见光范围以外，使 TLSC 器件的美观性和透光性得到最大限度的优化。仅紫外波长选择（UV-only）及紫外和红外（UV and NIR）波长选择的 TLSC 器件分别可以达到 6.7 % 和 20.6 % 的理论光电转化率。

然而，对于 TLSC 这种新型的光伏器件，由于理解认识上的误区以及测试表征的疏漏和标准规范的缺失，许多性能参数报道存在严重错误或者与真实值有显著偏离。有鉴于此，密歇根州立大学的 Richard R. Lunt 教授，博士生杨晨晨同学以及西湖大学的柳佃义教授在国际顶级期刊 J oule 上发表题为：《How to Accurately Report Transparent Luminescent Solar Concentrators》的评论文章。

该文通过正误实例的对比，指出测试过程中产生误差的原因，并定量地分析其对测试结果的影响以及规避测量误差的方法，从而为 TLSC 性能（包括光伏性能与美观性）的测试、表征和报道提供了一套可以参考的操作规范与标准。

内容提要

TLSC 作为众多太阳能电池技术的一种，其光伏性能同样需要通过两个相互关联的测试来表征：光照下的伏安特性曲线（ J-V characteristic）与外量子效率光谱（External Quantum Efficiency ( EQE ) Spectrum)）。通过 J-V 曲线可以获得短路电流密度（ J _SC ），开路电压（ V _OC ）和填充因子（Fill Factor ( FF )），进而计算出光电转化率（ η _LSC ）。 EQE 光谱能够提供发光物质对光电转化贡献在不同波长的信息。通过 EQE 与入射标准太阳光谱（AM 1.5G）的卷积可以计算出积分短路电流密度（ Int. J _SC ）。如果测试严谨，这两个相互独立的测试应该得到非常接近的短路电流密度值（ J _SC ≌ Int. J _SC ）。

然而，由于波导板边缘的太阳能电池条被入射光直接照射、部分透射光因样品基座产生二次反射， J-V 曲线中的 J _SC 可能会被严重高估。在 EQE 测试中由于瑞利散射，入射光直接被波导板边缘的太阳能电池条收集，以及存在其它光源干扰等原因，也会造成 EQE 光谱测量的误差。

此外，量化 TLSC 的美观性的指标，以及各项独立测试需要满足的关系以确保测试的严谨性等方面的问题也在本文中阐述。

图文详解

1. LSC 伏安特性曲线测量

▲图1 LSC 器件光伏性能的规范表征示意图。（A）LSC系统J-V曲线的正误测试对比。掩膜版和黑色亚光背景板需要分别放置在被测LSC样品前后，以避免波导板边缘太阳能电池被入射光直接照射和透射光的二次反射。（B）LSC系统EQE光谱的正确测试示意图。只有激发光束到达LSC波导板表面其余部分应用掩膜版遮挡以避免其他光源对信号进行干扰。使用几何修正因子g时，除附有太阳能电池条的边缘外其余边缘均应涂成黑色。（C）可能造成EQE测试误差的原因：其余光源的干扰，及发射光在波导板内被其余三个面反射后又被太阳能电池条收集。

LSC 系统的光电转化效率( η _LSC ）可以分解为两项效率之积：

(1)

η* _PV 是波导板边缘太阳能电池条在下转换发光照射下的光电转化率， η* _opt 定是光学效率，定义为波到达导板边缘的发射光子数与照射波导板表面的入射光子数之比。这两项效率有助于理解 LSC 系统的工作原理。但在表征 LSC 系统时，仍需将其视为光伏器件的一种，只报道 η* _opt 一项是不能全面表征整个 LSC 系统的光电转化效率的。所以只有测量光照下 LSC 系统的 J-V 曲线得到 J _SC , V _OC , FF 的值才能计算出 η _LSC 。由于收集太阳光的面积是波导板上表面，所以在计算 J _SC 应该用波导板上表面的面积而非边缘的面积。实际应用中每一边缘都应该附加太阳能电池条以最大化输出功率，而在实验室测量时为简化流程可以只将太阳能电池条附加在一条、两条边缘上。在计算 η _LSC 时只需将相应的电流密度乘以 4 或 2 作为修正。这种简化与四条边缘都附上太阳能电池条的情况是等效的。

图1A 展示了 J-V 曲线测试的正误对比，掩膜版和黑色亚光背景板需要放置在测试 LSC 样品前后，以避免波导板边缘太阳能电池条被入射光直接照射和透射光的二次反射造成测量误差。为量化掩膜版对 J-V 曲线的影响，笔者对一个红外波长选择性吸收的 TLSC 系统（厚度 6.35mm，边长 50.8mm 的正方形波导板）在有无掩膜版的情况下进行了测试，图2A 显示无论在一条，两条或四条边缘附加太阳能电池条（并联）的情况下，没有掩膜版得到的 J _SC 会比有掩膜版得到的值高约 40 %。因此，在缺失掩膜版的测试条件下得到的 J-V 曲线会导致 η _LSC 被严重高估。

▲图2 LSC 的光伏性能表征。 （A）在有无掩膜版的测试条件下得到的 J-V 曲线对比。通过电流密度乘以相应的修正系数后，在一条、两条或四条边缘附加太阳能电池条的测试条件下得到的 J-V 曲线结果是等效的。（B）两种等效的 LSC 系统 EQE 测试方法。（C）瑞利散射与边缘太阳能电池条被激发光直接照射是 EQE 测试最常见的错误。（D）不同 d 与对应的 Int. J _SC 及正误测试实例对比。不严格的测试极易导致 Int. J _SC 被严重高估。（E）利用不同激发位置使用相应的几何修正系数 g 得到的 EQE 曲线组可以用来预测LSC器件潜在的可扩大尺寸。（F）不同 d 与对应的 EQE 峰值关系曲线及正误测试实例对比。不严格的测试会导致潜在的扩大尺寸被过高估计。

2. LSC 外量子效率光谱测量与积分短路电流密度

表征任何光伏器件，比较从 J-V 曲线得到的 J _SC 和从 EQE 得到的 Int. J _SC

是检验测试严谨性和一致性最重要的手段。此外 EQE 光谱提供各波长光电转化的信息，因此所有的 LSC 报道都应该提供 EQE 的测试数据。

理论上应该在四条边缘都附加并联的太阳能电池条，然后选择波导板表面多个对称的位置测试 EQE 取平均以代表整个 LSC 器件。类似的简化方法也可以被应用于 EQE 的测试中。如图1B 所示，如果只在一条边缘附加太阳能电池条，在波导板前表面中轴线上选择间隔相等的多个位置进行 EQE 测试，得到的 EQE 曲线用几何修正系数（geometric factor ( g )）进行修正（其中 d 是太阳能电池条与激发光的距离，其几何关系如图1B 所示）：

(2)

取平均后得到的 EQE 曲线可以用来表征整个 LSC 器件的 EQE 。图2B 表示两种方法得到的 EQE 是等效的，所以相应的 Int. J _SC 也与 J-V 曲线的 J _SC 相符（图2A与B）。对同一个一个红外波长选择性吸收的 TLSC 系统（厚度 6.35mm，边长 50.8mm 的正方形波导板），将各个 d 所得的 Int. J _SC 绘于图2D，其平均值（黑色虚线）可以表征整个 TLSC 器件的 Int. J _SC 。

一些明显的错误可直接从 EQE 曲线的形状进行判别并加以规避。例如在制备 LSC 器件过程中引入的纳米颗粒会导致瑞利散射，不仅会给人眼在视觉上造成模糊感，这些颗粒也会将发射光散射出波导板从而降低整个 LSC 器件的收集效率。这种现象在短波长（紫外到蓝光波段）最为明显，并随波长增加而减弱，从而给 EQE 曲线叠加了一个由高到底的“背景”如图2C 蓝线所示。如果边缘太阳能电池条被激发光直接照射，则在 EQE 曲线上叠加一个“台阶“”直到次太阳能电池条材料相应的截止吸收波长如图2C 红线所示。相比于正确的测试结构（图2C 黑线），这些“背景”和“台阶”的存在会导致 EQE 曲线的误差及相应的 Int. J _SC 高估。

3. 利用外量子效率光谱分析 LSC 的潜在可扩大尺寸

利用在 d 测量并用 g 修正后得到的 EQE 曲线组，可以预测 LSC 器件的潜在可扩大尺寸。以一个边长为 101.6mm 的红外波长选择性吸收 TLSC 系统作为实例，其归一化的 EQE 曲线组如图 2E 所示。图2F 展示不同 d 与对应的 EQE 峰值的关系曲线（ EQE 峰值随 d 增加而衰减的趋势曲线），利用衰减的程度可以预测采用不同发光物质的LSC 在发射光被重吸收的限制下其潜在的可扩大尺寸。

需要注意的是在用套方法测试分析 EQE 时应保证：

1）入射光与波导板表面垂直并尽可能接近，以减小激发光发散；

2）除附有太阳能电池条的边缘外，其余三边都需被涂成黑色，以消除发射光在内表面反射，从而干扰信号收集；

3）掩膜版需遮盖除入射激发光以外的波导板表面，以减小其他光源对信号的干扰。

不严格的测试会导致显著高估的 Int. J _SC 和错误的 EQE 峰值衰减趋势曲线（图2D和F）。

4. LSC /TLSC 器件美观性的定量表征及各项独立测试结果的一致性判断

▲图3 美观性的定量指标与光子平衡关系 （A）紫外、可见与（B）红外光波长选择 LSC 或 TLSC 的透射光谱（ T(λ) ）。（C）这些 LSC 与 TLSC 在 CIELUV 色彩空间中的坐标值 ( u , v )，用于计算相应的 CRI 。（D）紫外（E）可见（F）红外波长选择 LSC 或 TLSC 均需满足光子平衡关系。

TLSC在其应用中美观性也应纳入性能考量的指标。图3A 和 B 展示一些紫外光、可见光及红外光波长选择 LSC 或 TLSC 的透射光谱（ T ( λ ) ）。通过测量透射光谱可以计算平均可见光透过率（ AVT ），显色系数（Color Rendering Index ( CRI )）及CIELAB色坐标系的坐标值( a* , b* )，而这三个指标能够全面而简便地量化透明光伏器件的透光率，透射光谱相对于入射光谱（即AM 1.5G）的还原程度以及人眼感知透射光的具体颜色。

最后，所有透明光伏器件在各项独立测试中所得到的光谱（反射光谱（ R(λ) ）, T ( λ ) , EQE ( λ ) ）都应满足光子平衡关系式 EQE(λ) + R(λ) + T(λ) ≤1（图3D、E 和 F），即上述光谱数值在整个测量光谱范围不高于 1。

全文总结

透明太阳能聚集器是一种新型的光伏器件，具有结构简单，造价低廉，容错性高及波长选择性吸收等特点。在表征其性能时，不规范的测试方法会导致严重的误差。作为光伏器件的一类，所有报道都应提供 η _LSC 值（ J-V 曲线）和 EQE 光谱。该评论总结了测量 J-V 曲线和 EQE

今日Joule：如何精确地报道透明发光太阳能聚集器的性能参数？

正文

请到「今天看啥」查看全文