同一钙钛矿电池，效率3.7%还是7.2%？扫描速率从5到300 mV/s给出了截然不同的答案

1 背景与问题

钙钛矿太阳能电池作为光伏领域的后起之秀，其效率记录在短时间内从14.1%飙升至20.1%，展现出巨大的商业应用潜力。然而，随着大量新研究者的涌入和技术的快速迭代，该领域在光伏性能数据的报告上出现了严重的规范性问题。

核心挑战在于钙钛矿电池众所周知的迟滞效应。电流密度-电压（J-V）曲线的测量结果严重依赖于扫描速率和扫描方向。如果仅凭单一的J-V扫描数据报告效率，往往会导致“让劣质电池看起来性能优异”的误导性结果。这种由测量方法引起的歧义，不仅损害了科研数据的可信度，也可能阻碍该技术的实际商业化进程。因此，建立一套标准化的、能够反映器件真实稳态性能的测试流程迫在眉睫。

2 核心方案

针对上述问题，Jeffrey A. Christians等人提出了一套钙钛矿电池效率测量的最佳实践方案。

论文的核心方法论强调：对于所有光伏器件，唯一真正有价值的指标是连续光照下的稳态最大功率输出。为了验证这一点，研究团队详细对比了不同扫描条件下的J-V曲线与稳态测量结果。

论文中采用的关键测试技术包括：

2.1 多速率J-V扫描：从极慢到极快（5 mV/s 至 300 mV/s）的扫描速率测试；

2.2 正反向扫描对比：分别从短路到开路（正向）和从开路到短路（反向）进行扫描；

2.3 稳态功率监测：将电压固定在最大功率点附近，监测电流随时间的稳定情况；

2.4 IPCE（入射光子-电流转换效率）积分验证：通过积分IPCE谱图计算理论短路电流，与J-V测试结果进行交叉验证。

3 实验结果与分析

论文通过详实的实验数据揭示了迟滞效应对效率测量的具体影响，并验证了稳态测试的重要性。

3.1 扫描速率对效率的虚高影响

研究团队测试了一个性能较差的Al₂O₃/CH₃NH₃PbClxI₃-x/spiro-OMeTAD太阳能电池。通过保持电压恒定60秒测得的稳态电流显示，该器件的真实效率仅为4.1%。

然而，当采用不同的电压扫描速率进行J-V测试时，结果出现了巨大偏差：

数据表明，在快速扫描（≥200 mV/s）下，短路电流密度被严重高估，导致计算出的效率虚高。这一结果有力地证明了仅依赖快速J-V扫描报告数据的不可靠性。

图1. 采用扫描速率从(a)5至(g)300 mV s−1测量的性能较差的Al₂O₃/CH₃NH₃PbClxI₃−x/spiro-OMeTAD太阳能电池的J-V特性。扫描从正向偏置到短路。黑色菱形表示电池在恒定电位下保持60秒时测得的电流密度值。所有J-V扫描中，电池在光照条件下均先预处理2秒，电压为1.2 V。被遮挡的太阳能电池面积为0.058 cm²。

3.2 扫描方向与填充因子的关联

在对一个基于TiO₂ 支架的高效钙钛矿电池测试中，论文发现扫描方向主要影响填充因子。

正向扫描（Jsc → Voc）：填充因子与扫描速率成反比，速率越快，FF越低。

反向扫描（Voc → Jsc）：填充因子对扫描速率相对不敏感。

有趣的是，真实的稳态输出（最大功率点电流）往往介于正向和反向扫描曲线之间，接近两者的平均值。

图2. (A)从短路到正向偏置（正向扫描）不同扫速下钙钛矿太阳能电池的J-V扫描。(B)在不同扫速下，从正向偏置到短路（反向扫描）条件下同一器件的J-V扫描。(C)以25 mV s−1的速率进行的正向和反向扫描，展示了两个实验中光伏参数的差异，其中最显著的是填充因子。这个位于两条曲线之间的蓝色钻石代表了在环境条件下，将器件在光照下恒定电压保持60秒时测得的最大功率点附近的稳定光电流。所有反向扫描中，电池均在光照下以1.2 V预处理2秒。被遮挡的太阳能电池面积为0.12 cm²。

3.3 稳态功率点验证

论文展示了一个效率为12.3%的器件（Jsc=19.9 mA/cm², Voc=0.975 V, FF=0.63）。通过将器件偏置在0.75 V（接近最大功率点）并监测120秒，研究人员观察到了稳定的电流输出。这种稳态photocurrent 测量被论文认为是验证器件真实性能的“黄金标准”。

图3. (A)一种钙钛矿太阳能电池的J-V曲线，其最大电流密度（JSC）为19.9 mA cm⁻²，开路电压（VOC）为0.975 V，填充因子（FF）为0.63，转换效率（η）为12.3%。扫描在常温条件下进行，从正向偏置到短路，步长为200 mV s⁻¹，设备在光照下保持1.2 V恒定2秒后开始扫描。(B)通过将IPCE与AM1.5G太阳光谱积分计算出的入射光子到载流子效率（黑色，左侧纵轴）和光电流密度（红色，右侧纵轴）。(C)在将太阳能电池保持在0.75 V恒定120秒后获得的稳定光电流密度（黑色，左侧纵轴）和功率转换效率（红色，右侧纵轴）。图(A)中J-V曲线上蓝色菱形表示在(C)中测得的0.75 V时的稳定光电流密度值。被遮挡的太阳能电池面积为0.113 cm²。

4 产品介绍

Sunshine

太阳能电池光伏特性测量仪

Sunshine是一款太阳能电池光伏特性测量平台，用于在标准模拟光和暗态条件下开展IV、迟滞与基础稳定性测试。系统集成太阳光模拟、器件夹具、电学采集和参数计算。适用于钙钛矿、有机、硅基及薄膜电池的效率测量、扫描策略研究和教学实验。太阳能电池研发需要可靠的光照IV、暗态IV、正反向扫描、迟滞和稳态功率数据。Sunshine适合钙钛矿、有机、硅基和薄膜太阳能电池的常规效率测试，也可研究扫描速率、方向、串并联电阻和器件稳定性。

4.1 技术特点

(1) 兼容多类太阳光模拟器（IEC 60904-9 Class A+A+A），完成光照与暗态IV测量，配置可溯源参考电池与自动光强校准，支持稳态功率和MPPT测试；

(2) 支持正反向、循环及自定义分段扫描，可用于分析器件迟滞和不同电压区间响应；

(3) 支持二线/四线测量、定时测试以及多子器件连线，输出Voc、Isc、FF、PCE和串并联电阻等参数，支持Pseudo-JV功能；

(4) 可按光功率自动测量与切换，并将光源、夹具、电学采集和数据分析统一控制；

(5) 正反向、循环和自定义分段扫描配合二线/四线测量，可研究迟滞、串联电阻和扫描策略影响。

4.2 产品优势

(1) 标准IV、迟滞扫描和定时测试覆盖光伏研发最常用流程，定位清晰且易于高频使用；

(2) 二线/四线与自定义扫描提高不同器件电阻和迟滞特性测量的适配性；

(3) 标准模拟光、灵活扫描和自动参数计算适合高频IV测试，相比通用源表搭建，集成光源控制、器件夹具和参数计算可提高测试一致性与效率。

原文参考：Best Practices in Perovskite Solar Cell Efficiency Measurements. Avoiding the Error of Making Bad Cells Look Good