JJF 2129-2024 钙钛矿太阳电池校准规范：光电性能参数

中华人民共和国国家计量技术规范JJF2129—2024钙钛矿太阳电池校准规范:光电性能参数CalibrationSpecificationforPerovskiteSolarCells:PhotoelectricCharacteristicParameters2024-06-14发布2024-12-14实施国家市场监督管理总局发布JJF2129—2024钙钛矿太阳电池校准规范:光电性能参数CalibrationSpecificationforPerovskiteSolarCells:PhotoelectricCharacteristicParameters→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→归口单位:全国光学计量技术委员会主要起草单位:中国计量科学研究院北京大学参加起草单位:中国科学院物理研究所中国科学院半导体研究所中国测试技术研究院本规范委托全国光学计量技术委员会负责解释本规范主要起草人:孟海凤(中国计量科学研究院)熊利民(中国计量科学研究院)朱瑞(北京大学)参加起草人:张俊超(中国计量科学研究院)孟庆波(中国科学院物理研究所)游经碧(中国科学院半导体研究所)康张李(中国测试技术研究院)Ⅰ引言 1范围 (1)2引用文件 (1)3术语和计量单位 (1)4概述 (2)5计量特性 (2)6校准条件 (2)6.1环境条件 (2)6.2测量标准及其他设备 (2)7校准项目和校准方法 (3)7.1校准项目 (3)7.2校准方法 (3)8校准结果表达 (4)9复校时间间隔 (4)附录A校准结果内页推荐格式 (5)附录B校准原始记录内页推荐格式 (6)附录C校准结果不确定度评定示例 (9)JJF2129—2024ⅡJJF1071—2010《国家计量校准规范编写规则》、JJF1001《通用计量术语及定义》和JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》共同构成本规范制定的基础性系列规范。本规范为首次发布。JJF2129—20241钙钛矿太阳电池校准规范:光电性能参数1范围本规范适用于在太阳模拟器辐照下钙钛矿太阳电池的光电性能参数校准,包括短路电流、开路电压、最大发电功率和光电转换效率等。其他新型太阳电池的相关参数校准可参照本规范执行。2引用文件本规范引用了下列文件:JJF1615—2017太阳模拟器校准规范JJF1622—2017太阳电池校准规范:光电性能GB/T2297太阳光伏能源系统术语IEC60904-1光伏器件第1部分:光伏电流-电压特性的测量(Photovoltaicde-vices—Part1:Measurementofphotovoltaiccurrent-voltagecharacteristics)注:GB/T6495.1—1996光伏器件第1部分:光伏电流-电压特性的测量(IEC904-1:1987,IDT)IEC60904-4光伏器件第4部分:标准光伏器件校准溯源链的建立程序(Photovoltaicdevices—Part4:Photovoltaicreferencedevices—ProceduresforestablishingcalibrationtraceabilitIEC60904-7光伏器件第7部分:光伏器件测量用光谱失配修正的计算(Pho-tovoltaicdevices—Part7:Computationofthespectralmismatchcorrectionformeasure-mentsofphotovoltaicdevices)IEC60904-9光伏器件第9部分:太阳模拟器性能分级(Photovoltaicdevices—Part9:Classificationofsolarsimulatorcharacteristics)凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3术语和计量单位下列术语和定义适用于本规范。3.1标准测试条件standardtestconditions;STC用于测量太阳电池光电性能参数的标准条件。根据应用场景可分为地面和空间标准测试条件。地面标准测试条件:总辐照度为1000W/m2,并具有AM1.5G太阳光谱辐照分布,测试温度为25℃;空间标准测试条件:总辐照度为1367W/m2,并具有AM0太阳光谱辐照分布,测试温度为25℃。JJF2129—202423.2钙钛矿太阳电池perovskitesolarcells以基于金属卤化物钙钛矿材料作为吸光层的太阳电池。典型的金属卤化物钙钛矿晶体结构为AmBnXi,其中A为有机或无机阳离子,B为金属离子,X为卤族阴离子。3.3正向扫描forwardscan由短路电流向开路电压方向扫描,简称“正扫”。3.4反向扫描reversescan由开路电压向短路电流方向扫描,简称“反扫”。注:对于钙钛矿太阳电池,正扫和反扫的特性曲线可能存在很大的差别,称为迟滞效应,因此需要在数据结果中注明其扫描方向。4概述钙钛矿太阳电池是将太阳辐射直接转换成电能的新型光伏器件,在受到光辐射后,其吸收的光能激发电子和空穴,产生电流,称“光伏效应”。钙钛矿太阳电池主要由透明导电基底、电子传输层、空穴传输层、钙钛矿层及金属电极构成。光电性能参数是衡量钙钛矿太阳电池性能优劣的关键指标,目前一般采用稳态太阳模拟器对其光电性能参数进行测量。不同于传统晶硅太阳电池,钙钛矿太阳电池的性能参数测量结果与扫描方向、扫描速度等密切相关。5计量特性光电转换效率:0.1%~35%;短路电流Isc:0.1mA~1A;开路电压Voc:0.1V~20V;最大发电功率Pm:0.1mW~20W。注:以上指标不适用于合格性判别,仅供参考。6校准条件6.1环境条件6.1.1温度:(23±5)℃。6.1.2相对湿度:≤80%。6.1.3其他条件:室内照明条件下测试电池,环境清洁通风,无影响仪器正常工作的电磁场、机械振动。6.2测量标准及其他设备6.2.1稳态太阳模拟器:光谱匹配度、辐照度不均匀度和不稳定度,均需符合JJF1615—2017和IEC60904-9所规定的AAA级要求,即与标准光谱的光谱失配度优于±25%;光源辐照度不均匀度优于±2%,长期不稳定度优于±2%。6.2.2标准太阳电池:依据IEC60904-4的溯源要求和方法,其CV值(标定值,即标准辐照度下的短路电流值)由标准探测器标定的太阳电池。当标准太阳电池在太阳模拟器辐照下的短路电流等于其标定值时,即可认为光源辐照度达到1000W/m2。采用JJF2129—20243标准太阳电池标定太阳模拟器的辐照度,标定前应依据IEC60904-7估算光谱失配因子MMF,计算光谱失配误差(|MMF-1|),如失配误差大于1%则需做光谱失配修正。6.2.3I-V曲线测试装置:电流和电压测量最大允许误差±0.2%。6.2.4掩膜版:掩膜版光阑有效尺寸应小于电池有效面积,且不小于0.07cm2;具备简单形状的孔径,如矩形、圆形等,避免出现复杂图案;掩膜版材质要求不导电,在被测太阳电池响应波段范围内不透光且具备低表面反射率。注:若一个掩膜版上有多个开孔,校准时应对其他孔进行遮挡,只保留待校准区域。7校准项目和校准方法7.1校准项目本规范校准项目为光电性能参数,主要包括短路电流、开路电压、最大发电功率和光电转换效率。7.2校准方法7.2.1校准前检查检查被校太阳电池的光敏面和窗口状况,目测是否有裂纹、斑点、气泡和划痕等影响计量性能的缺陷。运行稳态太阳模拟器,使光源预热后处于稳定工作状态。7.2.2光电性能参数校准7.2.2.1光谱失配分析根据IEC60904-7,利用标准太阳电池和被校钙钛矿太阳电池的光谱响应度,及标准太阳和太阳模拟器光谱辐照度数据,计算得到光谱失配因子,并作为调整太阳模拟器光谱和辐照度的依据。7.2.2.2校准装置调整将标准太阳电池置于样品架上,使其有效光敏面位于测试平面内,并保证标准太阳电池的法线与光束的中心线平行,偏差小于5°;使用测温装置测量标准太阳电池的温度,并通过样品台控温,使得在测试过程中,标准太阳电池维持在(25±1)℃;测量标准太阳电池的短路电流,根据光谱失配因子调整所用光源的辐照度。7.2.2.3被测样品校准在不改变太阳模拟器设置的条件下,调整测试架高度和位置,将装有掩膜版的被校钙钛矿太阳电池替换标准太阳电池,使二者的中心位置一致;用控温装置对钙钛矿太阳电池的温度进行控制,使得在测量过程中,被测太阳电池的温度维持在(25±2)℃;设置扫描方向、电压范围、扫描间隔和扫描速度等,通过控制偏压由0逐点升至开路电压或由开路电压降至零,分别测量被测太阳电池的正扫和反扫I-V特性曲线,提取开路电压Voc,短路电流Isc,最大发电功率Pm等关键参数;根据正反扫的最大功率电压Vm的平均值设置偏压,对稳态输出进行监测,即恒定加载正反扫最大功率电压的平均值对应的偏压,连续采集电流信号至少300s,得到相应的稳态功率输出曲线,记录所测得初始输出功率Pstart和结束输出功率Pend。JJF2129—202447.2.2.4校准数据处理根据被校太阳电池的正扫和反扫数据结果,以及掩膜版光阑面积S,分别通过公式(1)和公式(2),计算填充因子FF和光电转换效率η:FF=Pm/(Voc·Isc)(1)FF=Pm/(Voc·Isc)(1)积,Ein是光源辐照度(W/m2)。8校准结果表达校准结果应在校准证书上反映。校准证书应至少包括以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及其有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校太阳电池有效的声明;p)以及未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。9复校时间间隔由于复校时间间隔的长短是由被校对象使用情况、使用者及其本身质量等诸因素所决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。JJF2129—20245附录A校准结果内页推荐格式证书编号××××××××-××××校准结果1.校准条件扫描方向:扫描区间:扫描间隔:样品温度:掩膜版光阑面积:2.I-V特性曲线和参数以标准太阳电池标定太阳模拟器辐照度等效至1000W/m2,校准被测钙钛矿太阳电池的I-V特性。I-V特性曲线如下图所示:正扫:反扫:关键参数如下表:扫描类型光阑面积2cm短路电流IscmA开路电压VocmV填充因子FF%最大功率Pm转换效率η%正扫反扫稳态输出曲线如下图所示,稳态起始输出功率为:6附录B校准原始记录内页推荐格式记录编号:证书编号:钙钛矿太阳电池光电性能参数校准记录B.1基本信息客户名称器件名称型号规格出厂编号生产厂家客户地址测试地址计量器具名称测量范围不确定度/准确度等级证书编号证书有效期至(YYYY-MM-DD)依据技术规范校准环境条件温度:相对湿度:校准日期:人员校准员:核验员:B.2光电性能参数校准数据记录B.2.1I-V特性数据参数B.2.1.1正扫原始数据记录表扫描方向:扫描区间:扫描间隔:样品温度:掩膜版光阑面积:7电流I/mA电压V/V功率P/mWB.2.1.2反扫原始数据记录表扫描方向:扫描区间:扫描间隔:样品温度:掩膜版光阑面积:电流I/mA电压V/V功率P/mWB.2.1.3稳态输出数据参数恒定加载最大功率电压对应的偏压条件下扫描电流,数据记录如下表:JJF2129—20248时间t/s电流I/mA功率P/mWJJF2129—20249附录C校准结果不确定度评定示例依据钙钛矿太阳电池光电性能参数校准规范的各项计量特性及校准条件与校准项目的规定,对太阳电池进行了校准。下面针对短路电流(Isc)、开路电压(Voc)、最大功率(Pm)关键参数测量结果的不确定度逐一进行评定分析。C.1短路电流校准不确定度的评定建立Isc测量模型,见公式(C.1):I=(C.1)式中:Isc—被测太阳电池短路电流,mA;I0—标准太阳电池在标准条件下的标定值,mA;I0'—标准太阳电池在测试光源下的短路电流测量值,mA;Iy—被测太阳电池在测试条件下的短路电流测量值,mA;T0'—标准太阳电池温度,℃;Ty—被测太阳电池温度,℃;α0—标准太阳电池电流温度系数,%/℃;αy—被测太阳电池电流温度系数,%/℃。根据太阳电池短路电流(Isc)的影响因素,其不确定度分量包括:标准太阳电池定标引入的不确定度;标准太阳电池和被校准太阳电池光谱失配引入的不确定度;太阳模拟器辐照不稳定度和不均匀度引入的不确定度;测量重复性引入的不确定度等。注:以上不确定度分量均为相对不确定度。C.1.1标准太阳电池定标引入的不确定度u1利用光谱响应度类似的标准太阳电池标定太阳模拟器的光强时,通过IEC60904-4电.4。被校太阳电池光谱失配引入的不确定度u2所描述的DSR方法对标准太阳电池的光谱响应度测量电.4。被校太阳电池光谱失配引入的不确定度u2由于标定太阳模拟器辐照度的标准太阳电池和被校太阳电池光谱响应度不完全一致,将引入不确定度。通过光谱失配因子计算,校准要求钙钛矿太阳电池典型的失配误差小于1%,假设为均匀分布,u2约为0.58%。C.1.3太阳模拟器辐照度不稳定度引入的不确定度u3目前用于校准太阳电池电性能的太阳模拟器性能等级较优,在30min内,同一工作区域重复测量,校准用太阳模拟器辐照不稳定度0.3%,为均匀分布,则由辐照度的重复性引入的不确定度≈0.17%。JJF2129—202410C.1.4太阳模拟器辐照度不均匀度引入的不确定度u4用于校准太阳电池电性能的太阳模拟器等级为AAA级,其不均匀度优于±2%。校准用太阳模拟器辐照不均匀度为0.6%,且由于标准太阳电池与被测太阳电池面积不一致,此项因素将引入测量偏差。假设遵从均匀分布,则由辐照度的不均匀度引入的不确定度≈0.35%。C.1.5测量重复性引入的不确定度u5由于目前钙钛矿太阳电池自身稳定性不是很理想。一般测量3次,典型的数据为大值。C.1.6温度偏差引入的不确定度u6新型钙钛矿太阳电池,面积小,无温度传感器,不利于温度监测。故选择钙钛矿组件开展了温度系数实验,得出曲线如图C.1所示。参照正文中被测太阳电池的温度维持在(25±2)℃,温度偏差为2℃,拟合后得到此分量为0.58%。图C.1典型钙钛矿组件的短路电流温度变化曲线C.1.7仪器仪表引入的不确定度u7根据电流-电压测量仪器的量值溯源证书,其对电流测量引入的不确定度为0.3%0.15%。各不确定度分量不相关,合成公式如下:u(Iu(I)=u+u+u+u+u+u+uJJF2129—202411表C.1短路电流测量不确定度分量汇总表ui不确定度来源数值(评定方法)u1标准太阳电池溯源0.45%(B类)u2光谱失配0.58%(B类)u3辐照度不稳定度0.17%(B类)u4辐照度不均匀度0.35%(B类)u5测量重复性0.46%(A类)u6温度偏差0.58%(B类)u7仪器仪表0.15%(B类)合成标准不确定度1.12%C.2开路电压校准不确定度的评定C.2开路电压校准不确定度的评定建立Voc测量模型,见公式(C.2):式中:Voc=[1+βx(T-25)]Vx(C.2)Voc—被测太阳电池开路电压,V;T—被测太阳电池温度,℃;βx—标准太阳电池电流温度系数,%/℃;Vx—被测太阳电池在测试条件下的开路电压测量值,V。根据太阳电池开路电压(Voc)的影响因素,其不确定度分量包括:测量重复性引入的不确定度;温度控制偏