評(píng)論背景

發(fā)光太陽(yáng)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(yáng)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(shì)，如易于大規(guī)模生產(chǎn)且造價(jià)低廉，太陽(yáng)光波長(zhǎng)的可選擇性吸收，高透光率與美觀性等。基于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(méi)有在LSC性能報(bào)道的標(biāo)準(zhǔn)上達(dá)成共識(shí)，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(lái)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(duì)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(cuò)誤和測(cè)試環(huán)節(jié)的疏漏，許多性能參數(shù)的報(bào)道亦存在嚴(yán)重的錯(cuò)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(guó)際頂級(jí)期刊Joule上發(fā)表題為：《Consensus Statement: Standardized Reporting of Power-Producing Luminescent Solar Concentrator Performance》的評(píng)論文章。該文指出了LSC-PV文獻(xiàn)中的常見(jiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)而為L(zhǎng)SC-PV性能的測(cè)試、表征和報(bào)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(bào)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(yáng)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?cè)诖藦?qiáng)調(diào)一些在LSC-PV文獻(xiàn)中常見(jiàn)的表征錯(cuò)誤：

1) 很多報(bào)道采用了不同的器件受光有效面積（ AActive）來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化率。LSC-PV的邊緣附加有太陽(yáng)能電池條，入射太陽(yáng)能是由波導(dǎo)板的前表面（ ALSC）所收集，而并非邊緣的太陽(yáng)能電池條（ AEdge）。而如果誤用 AEdge來(lái)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(huì)超過(guò)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(bào)道反面照射的測(cè)試結(jié)果，而在正文的標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試中，黑色亞光背景板需要放置在測(cè)試的LSC-PV器件的背面,以盡量避免二次反射對(duì)其光伏性能的貢獻(xiàn)。

2) 很多文獻(xiàn)經(jīng)常只匯報(bào)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(bào)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(gè)普遍存在于文獻(xiàn)中的錯(cuò)誤是用 ηext = ILSC/(IPV?G) 來(lái)計(jì)算 ηext，這里 ILSC是當(dāng)LSC-PV所有邊緣都附加太陽(yáng)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(guò)。假設(shè)邊緣太陽(yáng)能電池的外量子效率光譜（ EQEPV）僅對(duì)太陽(yáng)光光譜中的某一波長(zhǎng)范圍有響應(yīng)，這個(gè)計(jì)算方法會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的高估（因?yàn)?ILSC/(IPV?G) 的分母會(huì)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(yáng)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(duì)所有光伏器件性能報(bào)道的嚴(yán)格要求，而很多文獻(xiàn)卻忽略了對(duì)LSC-PV系統(tǒng)外量子效率光譜（ EQELSC(λ)）的報(bào)道。用驗(yàn)證 J-V曲線測(cè)試的準(zhǔn)確性，對(duì)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(huì)放大 J-V測(cè)試的誤差。所有光伏器件在 J-V測(cè)試時(shí)入射光強(qiáng)應(yīng)均調(diào)整為1 sun，從而保證不同報(bào)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(cè)器件/標(biāo)準(zhǔn)參考器件，不同的太陽(yáng)能模擬器及不同的輸出光譜）。

4) 對(duì)于“匯聚”的概念存在理解的誤區(qū)，在沒(méi)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(shí)，一個(gè)入射光子最多只能在波導(dǎo)板邊緣太陽(yáng)能電池產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì)，所以 EQELSC 和 ηext 在任何波長(zhǎng)下都應(yīng)該 ≤ 100%。但用來(lái)判斷是否存在匯聚功能的聚光因子（ C）卻沒(méi)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(cuò)誤的主要原因，這些錯(cuò)誤不僅使來(lái)自不同報(bào)道的性能參數(shù)難以比較，也對(duì)客觀評(píng)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(gè)LSC-PV報(bào)道、表征和測(cè)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(jiàn)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(bào)道提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以求盡可能降低表征誤差，提高報(bào)道數(shù)據(jù)的可靠性，從而促成本領(lǐng)域在未來(lái)健康和可持續(xù)地發(fā)展。