鈣鈦礦材料因在高效低成本下一代光伏電池中的潛力受關(guān)注，其太陽能電池效率已超22%，但因復(fù)雜動態(tài)行為，效率測量較其他技術(shù)更復(fù)雜，長期認(rèn)為這會大幅降低測量可靠性，卻未明確定量程度，且缺乏標(biāo)準(zhǔn)化測量方法，影響對新材料與制備工藝的正確評估，阻礙技術(shù)發(fā)展。美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用AAA級LED太陽光模擬器作為老化光源，可通過多種方式對電池進(jìn)行控溫并控制電池所處的環(huán)境氛圍，進(jìn)行長期的穩(wěn)定性能測試。

為此，研究首次開展該技術(shù)大型實(shí)驗(yàn)室間對比（含2家光伏性能測量認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室與8家研究實(shí)驗(yàn)室），發(fā)現(xiàn)慢響應(yīng)鈣鈦礦電池的實(shí)驗(yàn)室間測量變異性近為硅電池的10倍，測量方法是主要致因，并依電池穩(wěn)定與降解行為提出選擇合適測量方法的建議，以推動形成共識技術(shù)，提升效率測量可靠性。

光伏測量基礎(chǔ)與鈣鈦礦的特殊性

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光伏電池測量的通用邏輯

為了公平對比不同電池性能，行業(yè)統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）：電池溫度 25℃、AM 1.5G 標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜、總輻照度 1000 W/m2。

電流 - 電壓（I-V）曲線是 STC 下評估性能的核心工具，它反映電池電流（及功率）隨電極電壓的變化，覆蓋 “開路（OC，電流為 0）” 到 “短路（SC，電壓為 0）” 的全范圍。從 I-V 曲線可提取關(guān)鍵參數(shù)：

最大功率點(diǎn)（MPP）：輸出功率最大時(shí)的電壓（V???）與電流密度（J???）；

功率轉(zhuǎn)換效率：MPP 處輸出功率與輸入光功率的比值，是電池性能的核心指標(biāo)；

開路電壓（V?c）、短路電流密度（J?c）、填充因子（FF）：輔助判斷電池性能短板。

對硅等“穩(wěn)定電池”而言，電流在亞毫秒內(nèi)即可穩(wěn)定，測量時(shí)只需快速掃描（毫秒至秒級）；但對鈣鈦礦等特殊技術(shù)，測量方法需適配其動態(tài)特性。

不同光伏技術(shù)的測量差異

染料敏化電池：響應(yīng)慢（毫秒至秒級），需 5 秒以上掃描時(shí)間，確保電流穩(wěn)定；

CIGS/CdTe/ 非晶硅：需 “預(yù)處理”（如光浸泡）—這類電池存在長期亞穩(wěn)態(tài)，比如 CIGS 需光浸泡后立即測量，CdTe 則需 5 次光浸泡循環(huán)才能穩(wěn)定；

鈣鈦礦電池：挑戰(zhàn)更復(fù)雜—不僅響應(yīng)慢，還可能在測量中發(fā)生不可逆降解。若為了讓電流穩(wěn)定而減慢掃描速率，可能導(dǎo)致電池性能衰減；若掃描過快，又會得到非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，陷入 “穩(wěn)定” 與 “降解” 的兩難。

鈣鈦礦常用的 4 類測量技術(shù)

研究中主要采用以下 4 種效率測量方法，核心差異在于“是否給足電流穩(wěn)定時(shí)間”：

傳統(tǒng) I-V 曲線：固定速率連續(xù) / 分步掃描，操作簡單但易因速率不當(dāng)導(dǎo)致誤差；

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）：通過 “擾動 - 觀察法” 實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)載，找到穩(wěn)定的 MPP，適合快速定位最大功率；

固定電壓下穩(wěn)定電流（SCFV）：在特定電壓（如 V???）下持續(xù)監(jiān)測電流至穩(wěn)定，直接獲得穩(wěn)態(tài)效率；

動態(tài) I-V：分步掃描但每步停留足夠久，確保電流穩(wěn)定—本質(zhì)是 “多組 SCFV 測量”，能覆蓋全電壓范圍，數(shù)據(jù)最可靠但耗時(shí)最長。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了量化測量差異，研究設(shè)計(jì)了 “星型對比” 方案，核心細(xì)節(jié)如下：

實(shí)驗(yàn)電池制備：

對比選用2個(gè)鈣鈦礦電池（A、B）和1個(gè)硅控電池（C），均封裝以減少降解風(fēng)險(xiǎn)：

硅控電池（C）：4 cm2 商用 KG1 濾波單晶硅電池，穩(wěn)定性高、無復(fù)雜瞬態(tài)，作為 “測量變異性基準(zhǔn)”；

鈣鈦礦電池A：慢響應(yīng)，結(jié)構(gòu)為介孔 TiO?|ZrO?|MAPbI?（甲胺鉛碘），45 分鐘仍難穩(wěn)定；

鈣鈦礦電池B：快響應(yīng)，結(jié)構(gòu)為致密 TiO?| 介孔 TiO?|MAPbI?| 碳，20 分鐘可穩(wěn)定。

選擇 A、B 的核心目的是：驗(yàn)證測量技術(shù)對 “不同動態(tài)響應(yīng)電池” 的適用性；兩者均用 MAPbI?材料，便于聚焦 “動態(tài)行為” 而非 “材料差異” 的影響。

測量要求：

所有實(shí)驗(yàn)室需采用 “最佳實(shí)踐” 測量，至少提供正向（SC→OC）、反向（OC→SC）掃描的 I-V 參數(shù)；僅 CSIRO 與 NREL 會測量實(shí)際電池面積（其他用標(biāo)稱值）、外量子效率（EQE）并校正光譜失配，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

鈣鈦礦測量變異性遠(yuǎn)超硅

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硅控電池（C）：驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可靠性

硅控電池（C）實(shí)驗(yàn)室間對比結(jié)果

各實(shí)驗(yàn)室遵循測量規(guī)范情況表

硅電池的測量結(jié)果非常穩(wěn)定：

CSIRO 定期測量數(shù)據(jù)在 95% 置信區(qū)間內(nèi)一致，符合硅電池高穩(wěn)定性；

CSIRO 與 NREL 的認(rèn)證數(shù)據(jù)吻合良好（僅 V?c 差異 0.7%，校正溫度后降至 0.5%）；

非認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的差異主要源于 2 個(gè)關(guān)鍵操作：

4線連接：最關(guān)鍵影響—2 線連接無法消除電路串聯(lián)電阻，導(dǎo)致 FF 與效率低估（如實(shí)驗(yàn)室 E 用 2 線，效率顯著偏低）；

溫度控制：未控溫時(shí)，電池因光照發(fā)熱（>25℃），硅電池負(fù)溫度系數(shù)導(dǎo)致效率低估。

排除異常數(shù)據(jù)后，非認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的效率變異性（2σ）約 7.4%，與過往硅電池研究結(jié)果一致，說明實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠。

鈣鈦礦電池的瞬態(tài)與掃描速率影響

（a）電池瞬態(tài)行為圖（b）電池A的 I-V 掃描曲線

CSIRO 先對 A、B 進(jìn)行 “預(yù)實(shí)驗(yàn)”，測試掃描速率（100、4.5、2.3、1.3 mV/s）的影響：

電池B（快響應(yīng)）：100 mV/s 時(shí)正向 / 反向數(shù)據(jù)差異大，慢掃描（≤4.5 mV/s）后吻合良好；

電池A（慢響應(yīng)）：即使最慢速率（1.3 mV/s），正向 / 反向仍有明顯差異，反向掃描的 MPP 附近還出現(xiàn) “電流過沖”，說明電流仍未穩(wěn)定。

電池B（左）電池A（右）最適掃描速率確定圖

最終選擇 2.3 mV/s 作為 CSIRO 的對比測量速率—兼顧數(shù)據(jù)可靠性與耗時(shí)。

實(shí)驗(yàn)室間變異性：慢響應(yīng)鈣鈦礦差異近10倍

（a）電池B對比結(jié)果圖（b）電池A對比結(jié)果圖（c）1σ 測量變異性圖

這是研究最核心的發(fā)現(xiàn)：

電池B（快響應(yīng)）：非認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的效率變異性約 4.5%-4.9%，僅比硅電池高 1%（部分源于電池老化）；

電池A（慢響應(yīng)）：非認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室的效率變異性高達(dá) 34.8%-37.0%，是硅電池的近10倍—慢響應(yīng)鈣鈦礦的測量可靠性顯著更低；

關(guān)鍵結(jié)論：鈣鈦礦測量差異的主因是 “測量方法”，而非硅電池那樣的 “4 線連接 / 溫度控制”。比如用 2 線連接對硅的影響大，但對鈣鈦礦而言，掃描速率、預(yù)處理方式的影響更致命。

電池穩(wěn)定性：運(yùn)輸與老化的影響

電池B：性能隨時(shí)間波動（升降交替），國際運(yùn)輸（CSIRO-NREL）后因環(huán)境暴露、溫壓變化發(fā)生明顯降解；

電池A：I-V 曲線形狀變化（反向掃描 MPP 附近 “鼓包” 隨老化更明顯），正向 J?c 持續(xù)降低，說明存在不可逆降解。

哪種測量技術(shù)最可靠？

為了找出最優(yōu)方法，CSIRO 在對比結(jié)束后，固定設(shè)備、溫度等變量，重現(xiàn)了各實(shí)驗(yàn)室的測量技術(shù)，結(jié)果如下：

4類技術(shù)的可靠性排序

（a）4種技術(shù)測量的電池A I-V曲線（b）電池A動態(tài)I-V曲線及穩(wěn)定時(shí)間圖（c）電池A重復(fù)掃描結(jié)果圖

動態(tài) I-V：最可靠— 每步停留至電流變化率 < 0.2%/min，3 小時(shí)完成 1 次正向 + 反向掃描，數(shù)據(jù)吻合度高（MPP 附近差異 < 1%），能真實(shí)反映穩(wěn)態(tài)性能；

OC 浸泡 + 快掃描：次優(yōu)— 開路光照 10 分鐘后快速掃描，無滯后但會高估效率（因未達(dá)到真正穩(wěn)態(tài)）；

慢掃描（CSIRO 對比用）：有滯后但可重復(fù)— 2.3 mV/s 速率下正向 / 反向數(shù)據(jù)差異大，但單次掃描結(jié)果穩(wěn)定；

重復(fù)掃描：最不可靠— 多次掃描至效率穩(wěn)定，但穩(wěn)定后正向 / 反向效率仍不同，且低于穩(wěn)態(tài)值（電壓循環(huán)阻礙了穩(wěn)態(tài)建立）。

為什么測量方法是鈣鈦礦的關(guān)鍵？

電池A測量技術(shù)效率誤差排序圖

對硅電池而言，4線連接、溫度控制是影響數(shù)據(jù)的主因；但對鈣鈦礦，不同測量方法的效率差異可超 100%—比如 OC 浸泡法可能高估效率，重復(fù)掃描法則低估，動態(tài) I-V 才是 “黃金標(biāo)準(zhǔn)”。

這背后的本質(zhì)是鈣鈦礦的 “動態(tài)行為特殊性”：其電流穩(wěn)定不僅受溫度、電阻影響，還與離子遷移、界面陷阱等內(nèi)部過程相關(guān)，必須通過 “給足穩(wěn)定時(shí)間” 的方法（如動態(tài) I-V）才能消除這些干擾。

如何選擇合適的測量技術(shù)？

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基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究提出了 “根據(jù)電池穩(wěn)定時(shí)間（t?）與降解時(shí)間（td）選技術(shù)” 的框架，簡單來說：

（a）近 V???固定電壓下電流瞬態(tài)示意圖（b）電池測量技術(shù)推薦框架圖

先明確兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)

t?（穩(wěn)定時(shí)間）：電池從暗態(tài)切換到 STC 后，電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值 99%（假設(shè) X=1%）所需時(shí)間；

td（降解時(shí)間）：STC 下，電池穩(wěn)態(tài)電流降解 1% 所需時(shí)間。

3類場景的技術(shù)選擇

小 t?（電流快穩(wěn)定，如電池B）：優(yōu)先快 I-V 掃描—兼顧效率與準(zhǔn)確性，td越小掃描需越快；

中 t?（電流中等穩(wěn)定）：用 SCFV/MPPT 或動態(tài) I-V—td 大時(shí)測完整動態(tài) I-V 曲線，td小時(shí)僅測 MPP（減少降解風(fēng)險(xiǎn)）；

大 t?（電流慢穩(wěn)定，如電池A）：優(yōu)先 SCFV—測 MPP 附近少數(shù)點(diǎn)，避免長時(shí)間測量導(dǎo)致降解；若td也小，幾乎無法準(zhǔn)確測量，需先優(yōu)化電池穩(wěn)定性。

本研究通過 2 家光伏性能測量認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室（CSIRO、NREL）與 8 家光伏研究實(shí)驗(yàn)室的首次鈣鈦礦太陽能電池實(shí)驗(yàn)室間對比，定量證實(shí)鈣鈦礦的復(fù)雜動態(tài)行為會降低其效率測量可信度；結(jié)果顯示，快響應(yīng)鈣鈦礦電池的實(shí)驗(yàn)室間測量變異性為硅控電池的 1.3 倍，慢響應(yīng)鈣鈦礦電池的該變異性則接近硅控電池的 10 倍，且此變異性主要由測量方法導(dǎo)致，而非溫度控制或設(shè)備校準(zhǔn)；研究明確動態(tài) I-V 是最可靠的 I-V 測量技術(shù)，其次是近最大功率點(diǎn)電壓光浸泡與重復(fù) I-V 方法，并提出基于電池穩(wěn)定時(shí)間（t?）與降解時(shí)間（td）選擇適宜測量技術(shù)的框架；遵循研究提出的建議，可顯著提升鈣鈦礦太陽能電池效率測量的可靠性，助力準(zhǔn)確識別優(yōu)質(zhì)材料與制備工藝，進(jìn)而加速該技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。

鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀

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美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進(jìn)的技術(shù)和多功能設(shè)計(jì)，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強(qiáng)有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實(shí)還原各場景實(shí)際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標(biāo)準(zhǔn)

多型號電子負(fù)載可選，多通道獨(dú)立運(yùn)行

不同波段光譜輸出可調(diào)：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均獨(dú)立可控

美能鈣鈦礦復(fù)合式MPPT測試儀主要應(yīng)用于成品鈣鈦礦單結(jié)，疊層成品電池穩(wěn)定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環(huán)境因素影響，其最大功率點(diǎn)會頻繁波動。MPPT控制器通過實(shí)時(shí)追蹤并鎖定最大功率點(diǎn)，能確保系統(tǒng)始終以最優(yōu)功率輸出。這不僅能最大化發(fā)電量，還能提升整個(gè)光伏系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

原文參考：How reliable are efficiency measurements of perovskite solar cells? The first inter-comparison,between two accredited and eight non-accredited laboratories?

*特別聲明：「美能光伏」公眾號所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞光伏行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，若有侵權(quán)，請及時(shí)聯(lián)系我司進(jìn)行刪除。