評論背景
發(fā)光太陽能聚集器/接收器(Luminescent Solar Concentrator/Collector (LSC))是一種新型的光伏器件,其最初的設(shè)計(jì)目的是在大規(guī)模的太陽能安裝部署中節(jié)省昂貴的光伏材料。LSC器件在光學(xué)和能量轉(zhuǎn)化的應(yīng)用中表現(xiàn)出諸多優(yōu)勢,如易于大規(guī)模生產(chǎn)且造價低廉,太陽光波長的可選擇性吸收,高透光率與美觀性等?;谄浣Y(jié)構(gòu)簡單的突出特點(diǎn),化學(xué),電子工程,材料科學(xué),光學(xué)和物理等領(lǐng)域的科研工作者都廣泛地投到入了LSC器件的研發(fā)當(dāng)中。然而,行業(yè)至今還沒有在LSC性能報道的標(biāo)準(zhǔn)上達(dá)成共識,即缺乏一套性能參數(shù)和表征規(guī)范以便于客觀有效地比較來自不同實(shí)驗(yàn)室或機(jī)構(gòu)的LSC器件的性能指標(biāo)。此外,對于此種新型的光伏器件(LSC-PV),由于理解和認(rèn)知上的誤區(qū)、表征方法的錯誤和測試環(huán)節(jié)的疏漏,許多性能參數(shù)的報道亦存在嚴(yán)重的錯誤,或者與真實(shí)值有顯著的偏離。
內(nèi)容提要
有鑒于此,密歇根州立大學(xué)(Michigan State University)的Richard R. Lunt教授,與光電轉(zhuǎn)換研究領(lǐng)域的七十余名專家學(xué)者,聯(lián)名在國際頂級期刊Joule上發(fā)表題為:《Consensus Statement: Standardized Reporting of Power-Producing Luminescent Solar Concentrator Performance》的評論文章。該文指出了LSC-PV文獻(xiàn)中的常見錯誤,進(jìn)而為LSC-PV性能的測試、表征和報道總結(jié)出一套可以借鑒的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。此外,作者在附文中提供了一份詳細(xì)清單《Checklist for Power-Producing Luminescent Solar Concentrator Manuscripts》以便LSC領(lǐng)域的研究者、學(xué)術(shù)期刊編輯以及審稿人員在今后有效地檢查和確認(rèn)所報道數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,嚴(yán)謹(jǐn)性和完備性。
圖文詳解
圖1 各種LSC-PV器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及光伏性能
熱力學(xué)的計(jì)算已經(jīng)給出了LSC-PV系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化率的理論極限,然而LSC-PV的實(shí)際表征卻與傳統(tǒng)的太陽能電池器件有微妙的差異,且更具有挑戰(zhàn)性。也正是由于這些情況, LSC-PV的表征存在很多誤區(qū)和粗疏。我們在此強(qiáng)調(diào)一些在LSC-PV文獻(xiàn)中常見的表征錯誤:
1) 很多報道采用了不同的器件受光有效面積( AActive)來計(jì)算系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化率。LSC-PV的邊緣附加有太陽能電池條,入射太陽能是由波導(dǎo)板的前表面( ALSC)所收集,而并非邊緣的太陽能電池條( AEdge)。而如果誤用 AEdge來計(jì)算LSC-PV的 PCE,如果波導(dǎo)板的厚度變薄而前表面面積( ALSC)維持不變,計(jì)算得到的電流密度( J = I/AEdge)可能會超過熱力學(xué)的理論極限,從而導(dǎo)致嚴(yán)重被高估的能量轉(zhuǎn)化率。另外,研究者可以在論文的附文中報道反面照射的測試結(jié)果,而在正文的標(biāo)準(zhǔn)的測試中,黑色亞光背景板需要放置在測試的LSC-PV器件的背面,以盡量避免二次反射對其光伏性能的貢獻(xiàn)。
2) 很多文獻(xiàn)經(jīng)常只匯報波導(dǎo)板的光學(xué)性能( ηext),卻缺失 J-V曲線, EQELSC(λ)以及 PCE等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的報道。外光子效率( ηext),在有的文獻(xiàn)中也稱作光量子效率(optical quantum efficiency)或光學(xué)效率(optical efficiency),通常被定義為到達(dá)導(dǎo)板邊緣的光致發(fā)射光子數(shù)與照射波導(dǎo)板前表面的入射光子數(shù)之比。一個普遍存在于文獻(xiàn)中的錯誤是用 ηext = ILSC/(IPV?G) 來計(jì)算 ηext,這里 ILSC是當(dāng)LSC-PV所有邊緣都附加太陽能電池條且相互并聯(lián)狀態(tài)下的短路電流,而 IPV是當(dāng)這些電池條在直接光照下的短路電流之和。失配因子(spectral mismatch factor)也很少在實(shí)際計(jì)算中被修正過。假設(shè)邊緣太陽能電池的外量子效率光譜( EQEPV)僅對太陽光光譜中的某一波長范圍有響應(yīng),這個計(jì)算方法會導(dǎo)致嚴(yán)重的高估(因?yàn)?ILSC/(IPV?G) 的分母會變小,而實(shí)質(zhì)上 ηext是波導(dǎo)板自身的光學(xué)性質(zhì),不應(yīng)該受邊緣太陽能電池的影響)。
3) 提供相應(yīng)的外量子效率光譜( EQE)數(shù)據(jù)是對所有光伏器件性能報道的嚴(yán)格要求,而很多文獻(xiàn)卻忽略了對LSC-PV系統(tǒng)外量子效率光譜( EQELSC(λ))的報道。用驗(yàn)證 J-V曲線測試的準(zhǔn)確性,對于LSC-PV系統(tǒng)尤其重要,因很多不嚴(yán)謹(jǐn)或不規(guī)范的操作都會放大 J-V測試的誤差。所有光伏器件在 J-V測試時入射光強(qiáng)應(yīng)均調(diào)整為1 sun,從而保證不同報道中的器件性能參數(shù)可以被公平客觀地比較(不同的被測器件/標(biāo)準(zhǔn)參考器件,不同的太陽能模擬器及不同的輸出光譜)。
4) 對于“匯聚”的概念存在理解的誤區(qū),在沒有多激子產(chǎn)生(multi-exciton generation (MEG)),單線態(tài)裂分(singlet fission (SF))或量子剪裁(quantum-cutting (QC))機(jī)制時,一個入射光子最多只能在波導(dǎo)板邊緣太陽能電池產(chǎn)生一對電子-空穴對,所以 EQELSC 和 ηext 在任何波長下都應(yīng)該 ≤ 100%。但用來判斷是否存在匯聚功能的聚光因子( C)卻沒有上限。
圖2 LSC-PV器件光伏性能表征關(guān)鍵操作步驟示意圖
全文總結(jié)
本文歸納總結(jié)了造成LSC-PV器件表征錯誤的主要原因,這些錯誤不僅使來自不同報道的性能參數(shù)難以比較,也對客觀評估本領(lǐng)域發(fā)展進(jìn)度造成困難。最近,LSC性能(包括純光學(xué)器件和能量轉(zhuǎn)化器件)的標(biāo)準(zhǔn)表征規(guī)范相繼發(fā)表。圖2概括了LSC-PV關(guān)鍵表征的操作步驟。在此基礎(chǔ)上我們總結(jié)出一個LSC-PV報道、表征和測量,以及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完備性和一致性的詳細(xì)規(guī)范清單(詳見本文的附文部分)。這份清單與Cell Press之前發(fā)布的《Standardized Data Reporting for Photovoltaic Cells》目的類似,都旨在為科研論文中光伏器件的性能報道提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,以求盡可能降低表征誤差,提高報道數(shù)據(jù)的可靠性,從而促成本領(lǐng)域在未來健康和可持續(xù)地發(fā)展。
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