JJF 2129-2024 鈣鈦礦太陽電池校準(zhǔn)規(guī)范：光電性能參數(shù)

中華人民共和國國家計量技術(shù)規(guī)范JJF2129—2024鈣鈦礦太陽電池校準(zhǔn)規(guī)范:光電性能參數(shù)CalibrationSpecificationforPerovskiteSolarCells:PhotoelectricCharacteristicParameters2024-06-14發(fā)布2024-12-14實施國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布JJF2129—2024鈣鈦礦太陽電池校準(zhǔn)規(guī)范:光電性能參數(shù)CalibrationSpecificationforPerovskiteSolarCells:PhotoelectricCharacteristicParameters→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→歸口單位:全國光學(xué)計量技術(shù)委員會主要起草單位:中國計量科學(xué)研究院北京大學(xué)參加起草單位:中國科學(xué)院物理研究所中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所中國測試技術(shù)研究院本規(guī)范委托全國光學(xué)計量技術(shù)委員會負(fù)責(zé)解釋本規(guī)范主要起草人:孟海鳳(中國計量科學(xué)研究院)熊利民(中國計量科學(xué)研究院)朱瑞(北京大學(xué))參加起草人:張俊超(中國計量科學(xué)研究院)孟慶波(中國科學(xué)院物理研究所)游經(jīng)碧(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所)康張李(中國測試技術(shù)研究院)Ⅰ引言 1范圍 (1)2引用文件 (1)3術(shù)語和計量單位 (1)4概述 (2)5計量特性 (2)6校準(zhǔn)條件 (2)6.1環(huán)境條件 (2)6.2測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備 (2)7校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)方法 (3)7.1校準(zhǔn)項目 (3)7.2校準(zhǔn)方法 (3)8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá) (4)9復(fù)校時間間隔 (4)附錄A校準(zhǔn)結(jié)果內(nèi)頁推薦格式 (5)附錄B校準(zhǔn)原始記錄內(nèi)頁推薦格式 (6)附錄C校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評定示例 (9)JJF2129—2024ⅡJJF1071—2010《國家計量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則》、JJF1001《通用計量術(shù)語及定義》和JJF1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》共同構(gòu)成本規(guī)范制定的基礎(chǔ)性系列規(guī)范。本規(guī)范為首次發(fā)布。JJF2129—20241鈣鈦礦太陽電池校準(zhǔn)規(guī)范:光電性能參數(shù)1范圍本規(guī)范適用于在太陽模擬器輻照下鈣鈦礦太陽電池的光電性能參數(shù)校準(zhǔn),包括短路電流、開路電壓、最大發(fā)電功率和光電轉(zhuǎn)換效率等。其他新型太陽電池的相關(guān)參數(shù)校準(zhǔn)可參照本規(guī)范執(zhí)行。2引用文件本規(guī)范引用了下列文件:JJF1615—2017太陽模擬器校準(zhǔn)規(guī)范JJF1622—2017太陽電池校準(zhǔn)規(guī)范:光電性能GB/T2297太陽光伏能源系統(tǒng)術(shù)語IEC60904-1光伏器件第1部分:光伏電流-電壓特性的測量(Photovoltaicde-vices—Part1:Measurementofphotovoltaiccurrent-voltagecharacteristics)注:GB/T6495.1—1996光伏器件第1部分:光伏電流-電壓特性的測量(IEC904-1:1987,IDT)IEC60904-4光伏器件第4部分:標(biāo)準(zhǔn)光伏器件校準(zhǔn)溯源鏈的建立程序(Photovoltaicdevices—Part4:Photovoltaicreferencedevices—ProceduresforestablishingcalibrationtraceabilitIEC60904-7光伏器件第7部分:光伏器件測量用光譜失配修正的計算(Pho-tovoltaicdevices—Part7:Computationofthespectralmismatchcorrectionformeasure-mentsofphotovoltaicdevices)IEC60904-9光伏器件第9部分:太陽模擬器性能分級(Photovoltaicdevices—Part9:Classificationofsolarsimulatorcharacteristics)凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規(guī)范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3術(shù)語和計量單位下列術(shù)語和定義適用于本規(guī)范。3.1標(biāo)準(zhǔn)測試條件standardtestconditions;STC用于測量太陽電池光電性能參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)條件。根據(jù)應(yīng)用場景可分為地面和空間標(biāo)準(zhǔn)測試條件。地面標(biāo)準(zhǔn)測試條件:總輻照度為1000W/m2,并具有AM1.5G太陽光譜輻照分布,測試溫度為25℃;空間標(biāo)準(zhǔn)測試條件:總輻照度為1367W/m2,并具有AM0太陽光譜輻照分布,測試溫度為25℃。JJF2129—202423.2鈣鈦礦太陽電池perovskitesolarcells以基于金屬鹵化物鈣鈦礦材料作為吸光層的太陽電池。典型的金屬鹵化物鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)為AmBnXi,其中A為有機或無機陽離子,B為金屬離子,X為鹵族陰離子。3.3正向掃描forwardscan由短路電流向開路電壓方向掃描,簡稱“正掃”。3.4反向掃描reversescan由開路電壓向短路電流方向掃描,簡稱“反掃”。注:對于鈣鈦礦太陽電池,正掃和反掃的特性曲線可能存在很大的差別,稱為遲滯效應(yīng),因此需要在數(shù)據(jù)結(jié)果中注明其掃描方向。4概述鈣鈦礦太陽電池是將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換成電能的新型光伏器件,在受到光輻射后,其吸收的光能激發(fā)電子和空穴,產(chǎn)生電流,稱“光伏效應(yīng)”。鈣鈦礦太陽電池主要由透明導(dǎo)電基底、電子傳輸層、空穴傳輸層、鈣鈦礦層及金屬電極構(gòu)成。光電性能參數(shù)是衡量鈣鈦礦太陽電池性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo),目前一般采用穩(wěn)態(tài)太陽模擬器對其光電性能參數(shù)進(jìn)行測量。不同于傳統(tǒng)晶硅太陽電池,鈣鈦礦太陽電池的性能參數(shù)測量結(jié)果與掃描方向、掃描速度等密切相關(guān)。5計量特性光電轉(zhuǎn)換效率:0.1%~35%;短路電流Isc:0.1mA~1A;開路電壓Voc:0.1V~20V;最大發(fā)電功率Pm:0.1mW~20W。注:以上指標(biāo)不適用于合格性判別,僅供參考。6校準(zhǔn)條件6.1環(huán)境條件6.1.1溫度:(23±5)℃。6.1.2相對濕度:≤80%。6.1.3其他條件:室內(nèi)照明條件下測試電池,環(huán)境清潔通風(fēng),無影響儀器正常工作的電磁場、機械振動。6.2測量標(biāo)準(zhǔn)及其他設(shè)備6.2.1穩(wěn)態(tài)太陽模擬器:光譜匹配度、輻照度不均勻度和不穩(wěn)定度,均需符合JJF1615—2017和IEC60904-9所規(guī)定的AAA級要求,即與標(biāo)準(zhǔn)光譜的光譜失配度優(yōu)于±25%;光源輻照度不均勻度優(yōu)于±2%,長期不穩(wěn)定度優(yōu)于±2%。6.2.2標(biāo)準(zhǔn)太陽電池:依據(jù)IEC60904-4的溯源要求和方法,其CV值(標(biāo)定值,即標(biāo)準(zhǔn)輻照度下的短路電流值)由標(biāo)準(zhǔn)探測器標(biāo)定的太陽電池。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在太陽模擬器輻照下的短路電流等于其標(biāo)定值時,即可認(rèn)為光源輻照度達(dá)到1000W/m2。采用JJF2129—20243標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)定太陽模擬器的輻照度,標(biāo)定前應(yīng)依據(jù)IEC60904-7估算光譜失配因子MMF,計算光譜失配誤差(|MMF-1|),如失配誤差大于1%則需做光譜失配修正。6.2.3I-V曲線測試裝置:電流和電壓測量最大允許誤差±0.2%。6.2.4掩膜版:掩膜版光闌有效尺寸應(yīng)小于電池有效面積,且不小于0.07cm2;具備簡單形狀的孔徑,如矩形、圓形等,避免出現(xiàn)復(fù)雜圖案;掩膜版材質(zhì)要求不導(dǎo)電,在被測太陽電池響應(yīng)波段范圍內(nèi)不透光且具備低表面反射率。注:若一個掩膜版上有多個開孔,校準(zhǔn)時應(yīng)對其他孔進(jìn)行遮擋,只保留待校準(zhǔn)區(qū)域。7校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)方法7.1校準(zhǔn)項目本規(guī)范校準(zhǔn)項目為光電性能參數(shù),主要包括短路電流、開路電壓、最大發(fā)電功率和光電轉(zhuǎn)換效率。7.2校準(zhǔn)方法7.2.1校準(zhǔn)前檢查檢查被校太陽電池的光敏面和窗口狀況,目測是否有裂紋、斑點、氣泡和劃痕等影響計量性能的缺陷。運行穩(wěn)態(tài)太陽模擬器,使光源預(yù)熱后處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。7.2.2光電性能參數(shù)校準(zhǔn)7.2.2.1光譜失配分析根據(jù)IEC60904-7,利用標(biāo)準(zhǔn)太陽電池和被校鈣鈦礦太陽電池的光譜響應(yīng)度,及標(biāo)準(zhǔn)太陽和太陽模擬器光譜輻照度數(shù)據(jù),計算得到光譜失配因子,并作為調(diào)整太陽模擬器光譜和輻照度的依據(jù)。7.2.2.2校準(zhǔn)裝置調(diào)整將標(biāo)準(zhǔn)太陽電池置于樣品架上,使其有效光敏面位于測試平面內(nèi),并保證標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的法線與光束的中心線平行,偏差小于5°;使用測溫裝置測量標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的溫度,并通過樣品臺控溫,使得在測試過程中,標(biāo)準(zhǔn)太陽電池維持在(25±1)℃;測量標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流,根據(jù)光譜失配因子調(diào)整所用光源的輻照度。7.2.2.3被測樣品校準(zhǔn)在不改變太陽模擬器設(shè)置的條件下,調(diào)整測試架高度和位置,將裝有掩膜版的被校鈣鈦礦太陽電池替換標(biāo)準(zhǔn)太陽電池,使二者的中心位置一致;用控溫裝置對鈣鈦礦太陽電池的溫度進(jìn)行控制,使得在測量過程中,被測太陽電池的溫度維持在(25±2)℃;設(shè)置掃描方向、電壓范圍、掃描間隔和掃描速度等,通過控制偏壓由0逐點升至開路電壓或由開路電壓降至零,分別測量被測太陽電池的正掃和反掃I-V特性曲線,提取開路電壓Voc,短路電流Isc,最大發(fā)電功率Pm等關(guān)鍵參數(shù);根據(jù)正反掃的最大功率電壓Vm的平均值設(shè)置偏壓,對穩(wěn)態(tài)輸出進(jìn)行監(jiān)測,即恒定加載正反掃最大功率電壓的平均值對應(yīng)的偏壓,連續(xù)采集電流信號至少300s,得到相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)功率輸出曲線,記錄所測得初始輸出功率Pstart和結(jié)束輸出功率Pend。JJF2129—202447.2.2.4校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理根據(jù)被校太陽電池的正掃和反掃數(shù)據(jù)結(jié)果,以及掩膜版光闌面積S,分別通過公式(1)和公式(2),計算填充因子FF和光電轉(zhuǎn)換效率η:FF=Pm/(Voc·Isc)(1)FF=Pm/(Voc·Isc)(1)積,Ein是光源輻照度(W/m2)。8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)在校準(zhǔn)證書上反映。校準(zhǔn)證書應(yīng)至少包括以下信息:a)標(biāo)題:“校準(zhǔn)證書”;b)實驗室名稱和地址;c)進(jìn)行校準(zhǔn)的地點(如果與實驗室的地址不同);d)證書的唯一性標(biāo)識(如編號),每頁及總頁數(shù)的標(biāo)識;e)客戶的名稱和地址;f)被校對象的描述和明確標(biāo)識;g)進(jìn)行校準(zhǔn)的日期,如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時,應(yīng)說明被校對象的接收日期;h)如果與校準(zhǔn)結(jié)果的有效性或應(yīng)用有關(guān)時,應(yīng)對被校樣品的抽樣程序進(jìn)行說明;i)校準(zhǔn)所依據(jù)的技術(shù)規(guī)范的標(biāo)識,包括名稱及代號;j)本次校準(zhǔn)所用測量標(biāo)準(zhǔn)的溯源性及其有效性說明;k)校準(zhǔn)環(huán)境的描述;l)校準(zhǔn)結(jié)果及其測量不確定度的說明;m)對校準(zhǔn)規(guī)范的偏離的說明;n)校準(zhǔn)證書或校準(zhǔn)報告簽發(fā)人的簽名、職務(wù)或等效標(biāo)識;o)校準(zhǔn)結(jié)果僅對被校太陽電池有效的聲明;p)以及未經(jīng)實驗室書面批準(zhǔn),不得部分復(fù)制證書的聲明。9復(fù)校時間間隔由于復(fù)校時間間隔的長短是由被校對象使用情況、使用者及其本身質(zhì)量等諸因素所決定的,因此送校單位可根據(jù)實際使用情況自主決定復(fù)校時間間隔。JJF2129—20245附錄A校準(zhǔn)結(jié)果內(nèi)頁推薦格式證書編號××××××××-××××校準(zhǔn)結(jié)果1.校準(zhǔn)條件掃描方向:掃描區(qū)間:掃描間隔:樣品溫度:掩膜版光闌面積:2.I-V特性曲線和參數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)定太陽模擬器輻照度等效至1000W/m2,校準(zhǔn)被測鈣鈦礦太陽電池的I-V特性。I-V特性曲線如下圖所示:正掃:反掃:關(guān)鍵參數(shù)如下表:掃描類型光闌面積2cm短路電流IscmA開路電壓VocmV填充因子FF%最大功率Pm轉(zhuǎn)換效率η%正掃反掃穩(wěn)態(tài)輸出曲線如下圖所示,穩(wěn)態(tài)起始輸出功率為:6附錄B校準(zhǔn)原始記錄內(nèi)頁推薦格式記錄編號:證書編號:鈣鈦礦太陽電池光電性能參數(shù)校準(zhǔn)記錄B.1基本信息客戶名稱器件名稱型號規(guī)格出廠編號生產(chǎn)廠家客戶地址測試地址計量器具名稱測量范圍不確定度/準(zhǔn)確度等級證書編號證書有效期至(YYYY-MM-DD)依據(jù)技術(shù)規(guī)范校準(zhǔn)環(huán)境條件溫度:相對濕度:校準(zhǔn)日期:人員校準(zhǔn)員:核驗員:B.2光電性能參數(shù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄B.2.1I-V特性數(shù)據(jù)參數(shù)B.2.1.1正掃原始數(shù)據(jù)記錄表掃描方向:掃描區(qū)間:掃描間隔:樣品溫度:掩膜版光闌面積:7電流I/mA電壓V/V功率P/mWB.2.1.2反掃原始數(shù)據(jù)記錄表掃描方向:掃描區(qū)間:掃描間隔:樣品溫度:掩膜版光闌面積:電流I/mA電壓V/V功率P/mWB.2.1.3穩(wěn)態(tài)輸出數(shù)據(jù)參數(shù)恒定加載最大功率電壓對應(yīng)的偏壓條件下掃描電流,數(shù)據(jù)記錄如下表:JJF2129—20248時間t/s電流I/mA功率P/mWJJF2129—20249附錄C校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評定示例依據(jù)鈣鈦礦太陽電池光電性能參數(shù)校準(zhǔn)規(guī)范的各項計量特性及校準(zhǔn)條件與校準(zhǔn)項目的規(guī)定,對太陽電池進(jìn)行了校準(zhǔn)。下面針對短路電流(Isc)、開路電壓(Voc)、最大功率(Pm)關(guān)鍵參數(shù)測量結(jié)果的不確定度逐一進(jìn)行評定分析。C.1短路電流校準(zhǔn)不確定度的評定建立Isc測量模型,見公式(C.1):I=(C.1)式中:Isc—被測太陽電池短路電流,mA;I0—標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下的標(biāo)定值,mA;I0'—標(biāo)準(zhǔn)太陽電池在測試光源下的短路電流測量值,mA;Iy—被測太陽電池在測試條件下的短路電流測量值,mA;T0'—標(biāo)準(zhǔn)太陽電池溫度,℃;Ty—被測太陽電池溫度,℃;α0—標(biāo)準(zhǔn)太陽電池電流溫度系數(shù),%/℃;αy—被測太陽電池電流溫度系數(shù),%/℃。根據(jù)太陽電池短路電流(Isc)的影響因素,其不確定度分量包括:標(biāo)準(zhǔn)太陽電池定標(biāo)引入的不確定度;標(biāo)準(zhǔn)太陽電池和被校準(zhǔn)太陽電池光譜失配引入的不確定度;太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度和不均勻度引入的不確定度;測量重復(fù)性引入的不確定度等。注:以上不確定度分量均為相對不確定度。C.1.1標(biāo)準(zhǔn)太陽電池定標(biāo)引入的不確定度u1利用光譜響應(yīng)度類似的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池標(biāo)定太陽模擬器的光強時,通過IEC60904-4電.4。被校太陽電池光譜失配引入的不確定度u2所描述的DSR方法對標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的光譜響應(yīng)度測量電.4。被校太陽電池光譜失配引入的不確定度u2由于標(biāo)定太陽模擬器輻照度的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池和被校太陽電池光譜響應(yīng)度不完全一致,將引入不確定度。通過光譜失配因子計算,校準(zhǔn)要求鈣鈦礦太陽電池典型的失配誤差小于1%,假設(shè)為均勻分布,u2約為0.58%。C.1.3太陽模擬器輻照度不穩(wěn)定度引入的不確定度u3目前用于校準(zhǔn)太陽電池電性能的太陽模擬器性能等級較優(yōu),在30min內(nèi),同一工作區(qū)域重復(fù)測量,校準(zhǔn)用太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度0.3%,為均勻分布,則由輻照度的重復(fù)性引入的不確定度≈0.17%。JJF2129—202410C.1.4太陽模擬器輻照度不均勻度引入的不確定度u4用于校準(zhǔn)太陽電池電性能的太陽模擬器等級為AAA級,其不均勻度優(yōu)于±2%。校準(zhǔn)用太陽模擬器輻照不均勻度為0.6%,且由于標(biāo)準(zhǔn)太陽電池與被測太陽電池面積不一致,此項因素將引入測量偏差。假設(shè)遵從均勻分布,則由輻照度的不均勻度引入的不確定度≈0.35%。C.1.5測量重復(fù)性引入的不確定度u5由于目前鈣鈦礦太陽電池自身穩(wěn)定性不是很理想。一般測量3次,典型的數(shù)據(jù)為大值。C.1.6溫度偏差引入的不確定度u6新型鈣鈦礦太陽電池,面積小,無溫度傳感器,不利于溫度監(jiān)測。故選擇鈣鈦礦組件開展了溫度系數(shù)實驗,得出曲線如圖C.1所示。參照正文中被測太陽電池的溫度維持在(25±2)℃,溫度偏差為2℃,擬合后得到此分量為0.58%。圖C.1典型鈣鈦礦組件的短路電流溫度變化曲線C.1.7儀器儀表引入的不確定度u7根據(jù)電流-電壓測量儀器的量值溯源證書,其對電流測量引入的不確定度為0.3%0.15%。各不確定度分量不相關(guān),合成公式如下:u(Iu(I)=u+u+u+u+u+u+uJJF2129—202411表C.1短路電流測量不確定度分量匯總表ui不確定度來源數(shù)值(評定方法)u1標(biāo)準(zhǔn)太陽電池溯源0.45%(B類)u2光譜失配0.58%(B類)u3輻照度不穩(wěn)定度0.17%(B類)u4輻照度不均勻度0.35%(B類)u5測量重復(fù)性0.46%(A類)u6溫度偏差0.58%(B類)u7儀器儀表0.15%(B類)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度1.12%C.2開路電壓校準(zhǔn)不確定度的評定C.2開路電壓校準(zhǔn)不確定度的評定建立Voc測量模型,見公式(C.2):式中:Voc=[1+βx(T-25)]Vx(C.2)Voc—被測太陽電池開路電壓,V;T—被測太陽電池溫度,℃;βx—標(biāo)準(zhǔn)太陽電池電流溫度系數(shù),%/℃;Vx—被測太陽電池在測試條件下的開路電壓測量值,V。根據(jù)太陽電池開路電壓(Voc)的影響因素,其不確定度分量包括:測量重復(fù)性引入的不確定度;溫度控制偏