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71位学者联合发表共识声明:发光太阳能聚集器性能报道的规范标准

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评论背景

发光太阳能聚集器/接收器(Luminescent Solar Concentrator/Collector (LSC))是一种新型的光伏器件,其最初的设计目的是在大规模的太阳能安装部署中节省昂贵的光伏材料。LSC器件在光学和能量转化的应用中表现出诸多优势,如易于大规模生产且造价低廉,太阳光波长的可选择性吸收,高透光率与美观性等。基于其结构简单的突出特点,化学,电子工程,材料科学,光学和物理等领域的科研工作者都广泛地投到入了LSC器件的研发当中。然而,行业至今还没有在LSC性能报道的标准上达成共识,即缺乏一套性能参数和表征规范以便于客观有效地比较来自不同实验室或机构的LSC器件的性能指标。此外,对于此种新型的光伏器件(LSC-PV),由于理解和认知上的误区、表征方法的错误和测试环节的疏漏,许多性能参数的报道亦存在严重的错误,或者与真实值有显著的偏离。

内容提要

有鉴于此,密歇根州立大学(Michigan State University)的Richard R. Lunt教授,与光电转换研究领域的七十余名专家学者,联名在国际顶级期刊Joule上发表题为:《Consensus Statement: Standardized Reporting of Power-Producing Luminescent Solar Concentrator Performance》的评论文章。该文指出了LSC-PV文献中的常见错误,进而为LSC-PV性能的测试、表征和报道总结出一套可以借鉴的标准规范。此外,作者在附文中提供了一份详细清单《Checklist for Power-Producing Luminescent Solar Concentrator Manuscripts》以便LSC领域的研究者、学术期刊编辑以及审稿人员在今后有效地检查和确认所报道数据的准确性,严谨性和完备性。


图文详解


图1 各种LSC-PV器件结构设计及光伏性能

热力学的计算已经给出了LSC-PV系统能量转化率的理论极限,然而LSC-PV的实际表征却与传统的太阳能电池器件有微妙的差异,且更具有挑战性。也正是由于这些情况, LSC-PV的表征存在很多误区和粗疏。我们在此强调一些在LSC-PV文献中常见的表征错误:

1) 很多报道采用了不同的器件受光有效面积( AActive)来计算系统的能量转化率。LSC-PV的边缘附加有太阳能电池条,入射太阳能是由波导板的前表面( ALSC)所收集,而并非边缘的太阳能电池条( AEdge)。而如果误用 AEdge来计算LSC-PV的 PCE,如果波导板的厚度变薄而前表面面积( ALSC)维持不变,计算得到的电流密度( J = I/AEdge)可能会超过热力学的理论极限,从而导致严重被高估的能量转化率。另外,研究者可以在论文的附文中报道反面照射的测试结果,而在正文的标准的测试中,黑色亚光背景板需要放置在测试的LSC-PV器件的背面,以尽量避免二次反射对其光伏性能的贡献。

2) 很多文献经常只汇报波导板的光学性能( ηext),却缺失 J-V曲线, EQELSC(λ)以及 PCE等关键数据的报道。外光子效率( ηext),在有的文献中也称作光量子效率(optical quantum efficiency)或光学效率(optical efficiency),通常被定义为到达导板边缘的光致发射光子数与照射波导板前表面的入射光子数之比。一个普遍存在于文献中的错误是用 ηext = ILSC/(IPV∙G) 来计算 ηext,这里 ILSC是当LSC-PV所有边缘都附加太阳能电池条且相互并联状态下的短路电流,而 IPV是当这些电池条在直接光照下的短路电流之和。失配因子(spectral mismatch factor)也很少在实际计算中被修正过。假设边缘太阳能电池的外量子效率光谱( EQEPV)仅对太阳光光谱中的某一波长范围有响应,这个计算方法会导致严重的高估(因为 ILSC/(IPV∙G) 的分母会变小,而实质上 ηext是波导板自身的光学性质,不应该受边缘太阳能电池的影响)。

3) 提供相应的外量子效率光谱( EQE)数据是对所有光伏器件性能报道的严格要求,而很多文献却忽略了对LSC-PV系统外量子效率光谱( EQELSC(λ))的报道。用验证 J-V曲线测试的准确性,对于LSC-PV系统尤其重要,因很多不严谨或不规范的操作都会放大 J-V测试的误差。所有光伏器件在 J-V测试时入射光强应均调整为1 sun,从而保证不同报道中的器件性能参数可以被公平客观地比较(不同的被测器件/标准参考器件,不同的太阳能模拟器及不同的输出光谱)。

4) 对于“汇聚”的概念存在理解的误区,在没有多激子产生(multi-exciton generation (MEG)),单线态裂分(singlet fission (SF))或量子剪裁(quantum-cutting (QC))机制时,一个入射光子最多只能在波导板边缘太阳能电池产生一对电子-空穴对,所以 EQELSC 和 ηext 在任何波长下都应该 ≤ 100%。但用来判断是否存在汇聚功能的聚光因子( C)却没有上限。


图2 LSC-PV器件光伏性能表征关键操作步骤示意图

全文总结

本文归纳总结了造成LSC-PV器件表征错误的主要原因,这些错误不仅使来自不同报道的性能参数难以比较,也对客观评估本领域发展进度造成困难。最近,LSC性能(包括纯光学器件和能量转化器件)的标准表征规范相继发表。图2概括了LSC-PV关键表征的操作步骤。在此基础上我们总结出一个LSC-PV报道、表征和测量,以及检验数据准确性、完备性和一致性的详细规范清单(详见本文的附文部分)。这份清单与Cell Press之前发布的《Standardized Data Reporting for Photovoltaic Cells》目的类似,都旨在为科研论文中光伏器件的性能报道提供标准规范,以求尽可能降低表征误差,提高报道数据的可靠性,从而促成本领域在未来健康和可持续地发展。

作者简介:


通讯作者:Richard R. Lunt 教授

密歇根州立大学化工与材料科学学院、物理与天文学院Johansen Crosby Endowed教授。2004年毕业于特拉华大学化工系,获工学学士学位;2010年毕业于普林斯顿大学,获工学博士学位。2010至2011年于麻省理工学院从事博士后研究工作。研究方向主要为薄膜光电转换器件、有机与无机晶体外延生长、分子-激子材料的光物理性质等,并致力于推广透明光伏器件的产业化。Ubiquitous Energy, Inc.的公司创始人之一。


第一作者:杨晨晨

2012年毕业于电子科技大学电子科学与技术专业,获工学学士学位;2015年毕业于佛罗里达大学材料科学学院,获硕士学位;随后加入密歇根州立大学化工与材料学院Richard R. Lunt课题组攻读博士学位。目前研究课题为光电材料的合成与表征及透明光伏器件的制备与优化。

来源:高分子科学前沿

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