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注，其太陽能電池效率已超22%，但因復雜動態行為，效率測量較其他技術更復雜，長期認為這會大幅降低測量可靠性，卻未明確定量程度，且缺乏標準化測量方法，影響對新材料與制備工藝的正確評估，阻礙技術發展。美能鈣鈦礦復合式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行控溫并控制電池所處的環境氛圍，進行長期的穩定性能測試。

為此，研究首次開展該技術大型實驗室間對比（含2家光伏性能測量認證實驗室與8家研究實驗室），發現慢響應鈣鈦礦電池的實驗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，提升效率測量可靠性。

光伏測量基礎與鈣鈦礦的特殊性

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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，行業統一采用標準測試條件（STC）：電池溫度 25℃、AM 1.5G 標準太陽光譜、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 曲線可提取關鍵參數：

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

功率轉換效率：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；

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“穩定電池”而言，電流在亞毫秒內即可穩定，測量時只需快速掃描（毫秒至秒級）；但對鈣鈦礦等特殊技術，測量方法需適配其動態特性。

不同光伏技術的測量差異

染料敏化電池：響應慢（毫秒至秒級），需 5 秒以上掃描時間，確保電流穩定；

CIGS/CdTe/ 非晶硅：需 “預處理”（如光浸泡）—這類電池存在長期亞穩態，比如 CIGS 需光浸泡后立即測量，CdTe 則需 5 次光浸泡循環才能穩定；

鈣鈦礦電池：挑戰更復雜—不僅響應慢，還可能在測量中發生不可逆降解。若為了讓電流穩定而減慢掃描速率，可能導致電池性能衰減；若掃描過快，又會得到非穩態數據，陷入 “穩定” 與 “降解” 的兩難。

鈣鈦礦常用的 4 類測量技術

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

傳統 I-V 曲線：固定速率連續 / 分步掃描，操作簡單但易因速率不當導致誤差；

最大功率點跟蹤（MPPT）：通過 “擾動 - 觀察法” 實時調整負載，找到穩定的 MPP，適合快速定位最大功率；

固定電壓下穩定電流（SCFV）：在特定電壓（如 V???）下持續監測電流至穩定，直接獲得穩態效率；

動態 I-V：分步掃描但每步停留足夠久，確保電流穩定—本質是 “多組 SCFV 測量”，能覆蓋全電壓范圍，數據最可靠但耗時最長。

實驗設計

為了量化測量差異，研究設計了 “星型對比” 方案，核心細節如下：

實驗電池制備：

對比選用2個鈣鈦礦電池（A、B）和1個硅控電池（C），均封裝以減少降解風險：

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

鈣鈦礦電池A：慢響應，結構為介孔 TiO?|ZrO?|MAPbI?（甲胺鉛碘），45 分鐘仍難穩定；

鈣鈦礦電池B：快響應，結構為致密 TiO?| 介孔 TiO?|MAPbI?| 碳，20 分鐘可穩定。

選擇 A、B 的核心目的是：驗證測量技術對 “不同動態響應電池” 的適用性；兩者均用 MAPbI?材料，便于聚焦 “動態行為” 而非 “材料差異” 的影響。

測量要求：

所有實驗室需采用 “最佳實踐” 測量，至少提供正向（SC→OC）、反向（OC→SC）掃描的 I-V 參數；僅 CSIRO 與 NREL 會測量實際電池面積（其他用標稱值）、外量子效率（EQE）并校正光譜失配，確保數據準確性。

鈣鈦礦測量變異性遠超硅

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硅控電池（C）：驗證實驗可靠性

硅控電池（C）實驗室間對比結果

各實驗室遵循測量規范情況表

硅電池的測量結果非常穩定：

CSIRO 定期測量數據在 95% 置信區間內一致，符合硅電池高穩定性；

CSIRO 與 NREL 的認證數據吻合良好（僅 V?c 差異 0.7%，校正溫度后降至 0.5%）；

非認證實驗室的差異主要源于 2 個關鍵操作：

4線連接：最關鍵影響—2 線連接無法消除電路串聯電阻，導致 FF 與效率低估（如實驗室 E 用 2 線，效率顯著偏低）；

溫度控制：未控溫時，電池因光照發熱（>25℃），硅電池負溫度系數導致效率低估。

排除異常數據后，非認證實驗室的效率變異性（2σ）約 7.4%，與過往硅電池研究結果一致，說明實驗設計可靠。

鈣鈦礦電池的瞬態與掃描速率影響

（a）電池瞬態行為圖（b）電池A的 I-V 掃描曲線

CSIRO 先對 A、B 進行 “預實驗”，測試掃描速率（100、4.5、2.3、1.3 mV/s）的影響：

電池B（快響應）：100 mV/s 時正向 / 反向數據差異大，慢掃描（≤4.5 mV/s）后吻合良好；

電池A（慢響應）：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 “電流過沖”，說明電流仍未穩定。

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—兼顧數據可靠性與耗時。

實驗室間變異性：慢響應鈣鈦礦差異近10倍

（a）電池B對比結果圖（b）電池A對比結果圖（c）1σ 測量變異性圖

這是研究最核心的發現：

電池B（快響應）：非認證實驗室的效率變異性約 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）：非認證實驗室的效率變異性高達 34.8%-37.0%，是硅電池的近10倍—慢響應鈣鈦礦的測量可靠性顯著更低；

關鍵結論：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、預處理方式的影響更致命。

電池穩定性：運輸與老化的影響

電池B：性能隨時間波動（升降交替），國際運輸（CSIRO-NREL）后因環境暴露、溫壓變化發生明顯降解；

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 持續降低，說明存在不可逆降解。

哪種測量技術最可靠？

為了找出最優方法，CSIRO 在對比結束后，固定設備、溫度等變量，重現了各實驗室的測量技術，結果如下：

4類技術的可靠性排序

（a）4種技術測量的電池A I-V曲線（b）電池A動態I-V曲線及穩定時間圖（c）電池A重復掃描結果圖

動態 I-V：最可靠— 每步停留至電流變化率 < 0.2%/min，3 小時完成 1 次正向 + 反向掃描，數據吻合度高（MPP 附近差異 < 1%），能真實反映穩態性能；

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

慢掃描（CSIRO 對比用）：有滯后但可重復— 2.3 mV/s 速率下正向 / 反向數據差異大，但單次掃描結果穩定；

重復掃描：最不可靠— 多次掃描至效率穩定，但穩定后正向 / 反向效率仍不同，且低于穩態值（電壓循環阻礙了穩態建立）。

為什么測量方法是鈣鈦礦的關鍵？

電池A測量技術效率誤差排序圖

對硅電池而言，4線連接、溫度控制是影響數據的主因；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，重復掃描法則低估，動態 I-V 才是 “黃金標準”。

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

如何選擇合適的測量技術？

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基于實驗結果，研究提出了 “根據電池穩定時間（t?）與降解時間（td）選技術” 的框架，簡單來說：

（a）近 V???固定電壓下電流瞬態示意圖（b）電池測量技術推薦框架圖

先明確兩個關鍵參數

t?（穩定時間）：電池從暗態切換到 STC 后，電流達到穩態值 99%（假設 X=1%）所需時間；

td（降解時間）：STC 下，電池穩態電流降解 1% 所需時間。

3類場景的技術選擇

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

中 t?（電流中等穩定）：用 SCFV/MPPT 或動態 I-V—td 大時測完整動態 I-V 曲線，td小時僅測 MPP（減少降解風險）；

大 t?（電流慢穩定，如電池A）：優先 SCFV—測 MPP 附近少數點，避免長時間測量導致降解；若td也小，幾乎無法準確測量，需先優化電池穩定性。

本研究通過 2 家光伏性能測量認證實驗室（CSIRO、NREL）與 8 家光伏研究實驗室的首次鈣鈦礦太陽能電池實驗室間對比，定量證實鈣鈦礦的復雜動態行為會降低其效率測量可信度；結果顯示，快響應鈣鈦礦電池的實驗室間測量變異性為硅控電池的 1.3 倍，慢響應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致，而非溫度控制或設備校準；研究明確動態 I-V 是最可靠的 I-V 測量技術，其次是近最大功率點電壓光浸泡與重復 I-V 方法，并提出基于電池穩定時間（t?）與降解時間（td）選擇適宜測量技術的框架；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，助力準確識別優質材料與制備工藝，進而加速該技術的發展進程。

鈣鈦礦復合式MPPT測試儀

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美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀采用A+AA+級LED太陽光模擬器作為老化光源，以其先進的技術和多功能設計，為鈣鈦礦太陽能電池的研究提供了強有力的支持。

• 3A+光源，光源壽命10000h+，真實還原各場景實際光照條件

可選配恒溫恒濕箱，滿足IS0S標準

多型號電子負載可選，多通道獨立運行

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

美能鈣鈦礦復合式MPPT測試儀主要應用于成品鈣鈦礦單結，疊層成品電池穩定性測試。由于鈣鈦礦電池的輸出特性易受光照、溫度等環境因素影響，其最大功率點會頻繁波動。MPPT控制器通過實時追蹤并鎖定最大功率點，能確保系統始終以最優功率輸出。這不僅能最大化發電量，還能提升整個光伏系統的工作穩定性和經濟性。

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?

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