透明太阳能电池，要这么测才对！

【文章背景】

透明光伏电池（TPV）作为全新的供能单元，相比传统光伏电池具有不影响建筑外观的优势（尤其是先期建成的建筑）。此外，对于实现建筑“零耗能”的目标，理想的TPV还具有安装方便及替代传统建材作为建筑外墙或透明玻璃的功能。

近6-7年，基于TPV的研究可谓异军突起且取得了卓效成果。然而，根据肖克利-奎伊瑟极限（S-Q limit）的推导结果可知：具有波长选择吸收的TPV在AVT（平均可见光透过率）为100%时其理论光电转化效率（PCE）为20.6%；对于非选择性吸收的TPV，当AVT超过90%时，其理论效率即为0。受限于认识、行业规范尚未制定或表征不当等原因，现今报道的许多工作与上述理论不符。

有鉴于此，Richard R. Lunt（通讯作者）在国际顶级期刊Joule上发表题为：How to Accurately Report Transparent Solar Cells的评论性文章。该文通过正误实例对比，旨在阐述TPV核心参数表征过程中应当注意的问题，并为TPV相关测试制定行业规范和标准。

要求如下：1. 性能测试过程中需要考虑透射光二次反射对电池J-V特性曲线和外量子效率（EQE）的影响；2. 测试电池的吸收光谱时不能忽略衬底对光的吸收作用；3. AVT测试时应当测试全电池的透过率而非仅考虑光活性层；4. 全电池的EQE(λ)+R(λ)+T(λ)≤1。

【研究内容】

TPV的研究根据其对光的选择性吸收主要分为“波长选择吸收”和“非选择性吸收”两类。对于非选择性吸收TPV有：1. 以钙钛矿作为光活性材料的TPV（PCE= 12%），2. 有机TPV（PCE~10%, AVT= 20-30%、光利用率（LUE=PCE·AVT）达2-3）；对于波长选择吸收TPV主要有：PCE=5%-10%、AVT=40%-55%、LUE=2.5-4的有机TPV。

上述结果通常是在标准光强（AM 1.5G）下测试电池的电流密度-电压（J-V）特性曲线，并通过如下公式计算得到。

其中J_SC是短路电流密度，V_OC是开路电压，FF是填充因子。

通常情况下，上述公式对于所有TPV及聚光系统均适用。因此TPV（无论是波长选择吸收还是非选择性吸收）在测试过程中均需要保证入射光光谱要与标准太阳光谱一致（其中光均匀性、光强的校准及光谱失配因子的标定详见原文引文9）。

如图1A所示，考虑到部分光会穿透TPV并在样品基座作用下发生二次反射，因此测试TPV的J-V和EQE曲线时应当排除透射光的影响。在该文中作者指出：应当使用黑色亚光衬底吸收透射光。为了量化样品基座（宽光谱反光板、白纸和黑色亚光板）对测试结果的影响，作者测试了有效光照面积为6.45 cm2具有近红外选择吸收的半透明光伏电池（NIR-TPV）在标准光强下的J-V曲线。其结果如图1B（及支持信息，表1）所示，相比于黑色亚光衬底，反光板和白纸上测得的J-V曲线的J_SC增幅达30%。导致的结果是：衬底（反光板、白纸）对TPV的PCE测试结果的影响可达47%。

除透射光外会导致结果错误外，有效光照面积的错误估计也会造成电池的PCE测试结果高于真实值，作者等人指出：电池的有效光照面积不能根据电极面积确定，应当使用具有特定面积的单孔掩模板（对于一个衬底上有多个“电池”的情况，允许使用多孔掩模板）确定有效光照面积。

对于核定电池的J-V曲线结果，行业上通常需要对比J-V曲线的J_SC和EQE的积分电流密度的差异。亦即：无论是TPV还是其他类型的光伏电池，必须要提供EQE的测试结果。此外对于测试结果而言，还需要保证同一个器件的J_SC和EQE所得的积分电流一致（如图1C所示），即满足下式：

图1 A. TPV的J-V和EQE测试过程中样品基座反光对测试的影响；B. NIR-TPV在不同基座（全光谱反光板、白纸和黑色亚光板）上测得的J-V曲线；C. 黑色亚光板测得的NIR-TPV的EQE和积分电流密度曲线；D. 测试透过率过程中样品基底对测试结果的影响。

考虑到TPV特殊的应用场景（如：建筑玻璃、可移动表面），其外观是仅次于PCE的重要指标。对于TPV的外观则主要考察：可见光透过率（AVT）、显色系数（CRI）和CIELAB色坐标等三个指标（AVT和色坐标通常也是玻璃、温室及显示屏等产品的首要品质因素）。在计算上述三个指标过程中，首先需要获得TPV的透射光谱。作者指出：对于样品的透过率表征，需要提供透射光谱T(λ）和反射光谱R(λ)两组数据。由于历史遗留问题，透过率测试过程通常在液相下利用比色皿进行。如图1D所示，液相环境下通常是将样品的透过率减去比色皿（背底）的透过率计算得到。但对于TPV，则需要考虑固态界面对光的干涉和反射的复杂性，因此在测试过程不能使用衬底的透过率作为背底。即：TPV的透射谱测试过程中，基线校准时不能放置衬底，应使用空气的透过率作为背底信号。同样对于反射谱测试，应当使用全电池作为样品而非单一的光吸收层（反射谱对于CRI和色坐标的计算同样重要，详见支持信息Note S2）。作者强调：在测试TPV的透射光谱和反射光谱过程中，必须确保：1. 待测样品为全电池；2. 光斑完全照射在有效面积区域。为了避免光斑直接照射在信号采集器上导致的错误，作者建议测试透射光谱时可以将电池面积做大（允许测试J-V时使用小面积电池）。

如图2A和2C分别为不同组分的钙钛矿光活性材料（1*-4*）和近红外选择吸收材料(5*-6*)的透射光谱(1-4和5-8为相应全电池的透射光谱)。不难看出：光活性材料和全电池的吸收光谱存在极大差异，单纯表征光活性材料的透射光谱并不能真实体现电池的透光信息。此外，如图2B所示为上述相应数据计算得到的材料和全电池的AVT，差异再次论证上述结论。

考虑到LUE（LUE=AVT·PCE）是衡量TPV的光电转化性能和透光能力的综合指标，作者建议：应当使用提供LUE数值，并将其作为评估TPV性能的核心指标（对于单节电池，当AVT=100%时，LUE最大可为20.6%；对于多节电池其LUE最高为36.6%）。

图 2 A. 不同组分钙钛矿薄膜（1*-4*）及全电池（1-4）的透射光谱；B. 钙钛矿（1-4）和近红外选择吸收（5-8）全电池的平均可见光透过率；C. 近红外选择吸收薄膜（5*-8*）及全电池（5-8）的透射光谱。

在电池颜色方面，除了AVT外还有两个重要指标（CRI和CIELAB色坐标）需要考虑（关于CRI的计算过程详见支持信息Note S4）。对于CRI的测试应当使用AM 1.5G作为参比光谱。如图3A所示为上述全电池计算（1-8）计算得到CRI。可以看到CRI在波长超过430 m时有明显紫外吸收截至并逐渐升高，在波长小于675 nm时随其近红外吸收逐渐降低。如图3C为不同显色系数光源下实物照片，其中需要注意的是：CRI并非关于AVT的函数，而是与光谱形状相关的数值（例如：即便电池的AVT只有10%，若是其在可见光范围的透过率是一条水平线，样品的CRI依然可以达到100）。图3D所示为几种不同颜色的商用玻璃的透射光谱和反射光谱（在玻璃工业中，通常使用CRI描述玻璃在上釉前后日照下的颜色透过情况）。图3C右侧CIELAB色坐标中虚线框显示了商用玻璃产品可接受的着色区域。

图3 A. 全电池的CRI；B. 基于CIE1960色空间计算得到的电池与测试颜色样本的CRI，其中使用 AM 1.5G作为标准光源；C. 高CRI光源和低CRI光源照射对象的比较(左)，CIELAB色坐标(右)；D. 工业有色玻璃板的透射和反射光谱：黄铜色(1)、蓝色(2)、灰色(3)和绿色(4)；E. 光子平衡检查：紫外光选择性吸收(左)和NIT-TPV(右)，插图为相应样品的光学照片。

关于上述测试结果的正误判断，作者认为：应当给出TPV器件的吸收光谱A(λ)、反射光谱R(λ)和透射光谱T(λ)的具体数值来衡量测试的准确性。众所周知，对任意材料均有：

A(λ)+R(λ)+T(λ)=1

考虑到A(λ)测试比较困难且EQE(λ)≤A(λ)，因此上式可以用EQE(λ)+R(λ)+T(λ)≤1代替。如图3E所示分别为着色玻璃和NIT-TPV的EQE、反射和透射光谱。上述光谱数值的加和在全光谱范围内必须小于1。

Chenchen Yang, Dianyi Liu, Matthew Bates, Miles C. Barr, Richard R. Lunt, How to Accurately Report Transparent Solar Cells, Joule, 8, 1803-1809 (2019). DOI:10.1016/j.joule.2019.06.005