同一鈣鈦礦電池，效率3.7%還是7.2%？掃描速率從5到300 mV/s給出了截然不同的答案

1 背景與問題

鈣鈦礦太陽能電池作為光伏領域的後起之秀，其效率記錄在短時間內從14.1%飆升至20.1%，展現出巨大的商業應用潛力。然而，隨著大量新研究者的湧入和技術的快速迭代，該領域在光伏性能數據的報告上出現了嚴重的規範性問題。

核心挑戰在於鈣鈦礦電池眾所周知的遲滯效應。電流密度-電壓（J-V）曲線的測量結果嚴重依賴於掃描速率和掃描方向。如果僅憑單一的J-V掃描數據報告效率，往往會導緻“讓劣質電池看起來性能優異”的誤導性結果。這種由測量方法引起的歧義，不僅損害了科研數據的可信度，也可能阻礙該技術的實際商業化進程。因此，建立一套標準化的、能夠反映器件真實穩態性能的測試流程迫在眉睫。

2 核心方案

針對上述問題，Jeffrey A. Christians等人提出了一套鈣鈦礦電池效率測量的最佳實踐方案。

論文的核心方法論強調：對於所有光伏器件，唯一真正有價值的指標是連續光照下的穩態最大功率輸出。為了驗證這一點，研究團隊詳細對比了不同掃描條件下的J-V曲線與穩態測量結果。

論文中采用的關鍵測試技術包括：

2.1 多速率J-V掃描：從極慢到極快（5 mV/s 至 300 mV/s）的掃描速率測試；

2.2 正反向掃描對比：分別從短路到開路（正向）和從開路到短路（反向）進行掃描；

2.3 穩態功率監測：將電壓固定在最大功率點附近，監測電流隨時間的穩定情況；

2.4 IPCE（入射光子-電流轉換效率）積分驗證：通過積分IPCE譜圖計算理論短路電流，與J-V測試結果進行交叉驗證。

3 實驗結果與分析

論文通過詳實的實驗數據揭示了遲滯效應對效率測量的具體影響，並驗證了穩態測試的重要性。

3.1 掃描速率對效率的虛高影響

研究團隊測試了一個性能較差的Al₂O₃/CH₃NH₃PbClxI₃-x/spiro-OMeTAD太陽能電池。通過保持電壓恒定60秒測得的穩態電流顯示，該器件的真實效率僅為4.1%。

然而，當采用不同的電壓掃描速率進行J-V測試時，結果出現了巨大偏差：

數據表明，在快速掃描（≥200 mV/s）下，短路電流密度被嚴重高估，導緻計算出的效率虛高。這一結果有力地證明了僅依賴快速J-V掃描報告數據的不可靠性。

圖1. 采用掃描速率從(a)5至(g)300 mV s−1測量的性能較差的Al₂O₃/CH₃NH₃PbClxI₃−x/spiro-OMeTAD太陽能電池的J-V特性。掃描從正向偏置到短路。黑色菱形表示電池在恒定電位下保持60秒時測得的電流密度值。所有J-V掃描中，電池在光照條件下均先預處理2秒，電壓為1.2 V。被遮擋的太陽能電池面積為0.058 cm²。

3.2 掃描方向與填充因子的關聯

在對一個基於TiO₂ 支架的高效鈣鈦礦電池測試中，論文發現掃描方向主要影響填充因子。

正向掃描（Jsc → Voc）：填充因子與掃描速率成反比，速率越快，FF越低。

反向掃描（Voc → Jsc）：填充因子對掃描速率相對不敏感。

有趣的是，真實的穩態輸出（最大功率點電流）往往介於正向和反向掃描曲線之間，接近兩者的平均值。

圖2. (A)從短路到正向偏置（正向掃描）不同掃速下鈣鈦礦太陽能電池的J-V掃描。(B)在不同掃速下，從正向偏置到短路（反向掃描）條件下同一器件的J-V掃描。(C)以25 mV s−1的速率進行的正向和反向掃描，展示了兩個實驗中光伏參數的差異，其中最顯著的是填充因子。這個位於兩條曲線之間的藍色鑽石代表了在環境條件下，將器件在光照下恒定電壓保持60秒時測得的最大功率點附近的穩定光電流。所有反向掃描中，電池均在光照下以1.2 V預處理2秒。被遮擋的太陽能電池面積為0.12 cm²。

3.3 穩態功率點驗證

論文展示了一個效率為12.3%的器件（Jsc=19.9 mA/cm², Voc=0.975 V, FF=0.63）。通過將器件偏置在0.75 V（接近最大功率點）並監測120秒，研究人員觀察到了穩定的電流輸出。這種穩態photocurrent 測量被論文認為是驗證器件真實性能的“黃金標準”。

圖3. (A)一種鈣鈦礦太陽能電池的J-V曲線，其最大電流密度（JSC）為19.9 mA cm⁻²，開路電壓（VOC）為0.975 V，填充因子（FF）為0.63，轉換效率（η）為12.3%。掃描在常溫條件下進行，從正向偏置到短路，步長為200 mV s⁻¹，設備在光照下保持1.2 V恒定2秒後開始掃描。(B)通過將IPCE與AM1.5G太陽光譜積分計算出的入射光子到載流子效率（黑色，左側縱軸）和光電流密度（紅色，右側縱軸）。(C)在將太陽能電池保持在0.75 V恒定120秒後獲得的穩定光電流密度（黑色，左側縱軸）和功率轉換效率（紅色，右側縱軸）。圖(A)中J-V曲線上藍色菱形表示在(C)中測得的0.75 V時的穩定光電流密度值。被遮擋的太陽能電池面積為0.113 cm²。

4 產品介紹

Sunshine

太陽能電池光伏特性測量儀

Sunshine是一款太陽能電池光伏特性測量平台，用於在標準模擬光和暗態條件下開展IV、遲滯與基礎穩定性測試。系統集成太陽光模擬、器件夾具、電學采集和參數計算。適用於鈣鈦礦、有機、矽基及薄膜電池的效率測量、掃描策略研究和教學實驗。太陽能電池研發需要可靠的光照IV、暗態IV、正反向掃描、遲滯和穩態功率數據。Sunshine適合鈣鈦礦、有機、矽基和薄膜太陽能電池的常規效率測試，也可研究掃描速率、方向、串並聯電阻和器件穩定性。

4.1 技術特點

(1) 兼容多類太陽光模擬器（IEC 60904-9 Class A+A+A），完成光照與暗態IV測量，配置可溯源參考電池與自動光強校準，支持穩態功率和MPPT測試；

(2) 支持正反向、循環及自定義分段掃描，可用於分析器件遲滯和不同電壓區間響應；

(3) 支持二線/四線測量、定時測試以及多子器件連線，輸出Voc、Isc、FF、PCE和串並聯電阻等參數，支持Pseudo-JV功能；

(4) 可按光功率自動測量與切換，並將光源、夾具、電學采集和數據分析統一控製；

(5) 正反向、循環和自定義分段掃描配合二線/四線測量，可研究遲滯、串聯電阻和掃描策略影響。

4.2 產品優勢

(1) 標準IV、遲滯掃描和定時測試覆蓋光伏研發最常用流程，定位清晰且易於高頻使用；

(2) 二線/四線與自定義掃描提高不同器件電阻和遲滯特性測量的適配性；

(3) 標準模擬光、靈活掃描和自動參數計算適合高頻IV測試，相比通用源表搭建，集成光源控製、器件夾具和參數計算可提高測試一緻性與效率。

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