钙钛矿电池稳定性评估谁说了算？实验室间比对表明：测量方法是关键

 

钙钛矿材料因在高效低成本下一代光伏电池中的潜力受关注，其太阳能电池效率已超22%，但因复杂动态行为，效率测量较其他技术更复杂，长期认为这会大幅降低测量可靠性，却未明确定量程度，且缺乏标准化测量方法，影响对新材料与制备工艺的正确评估，阻碍技术发展。美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用AAA级LED太阳光模拟器作为老化光源，可通过多种方式对电池进行控温并控制电池所处的环境氛围，进行长期的稳定性能测试。

为此，研究首次开展该技术大型实验室间对比（含2家光伏性能测量认证实验室与8家研究实验室），发现慢响应钙钛矿电池的实验室间测量变异性近为硅电池的10倍，测量方法是主要致因，并依电池稳定与降解行为提出选择合适测量方法的建议，以推动形成共识技术，提升效率测量可靠性。

光伏测量基础与钙钛矿的特殊性

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光伏电池测量的通用逻辑

为了公平对比不同电池性能，行业统一采用标准测试条件（STC）：电池温度 25℃、AM 1.5G 标准太阳光谱、总辐照度 1000 W/m²。

电流 - 电压（I-V）曲线是 STC 下评估性能的核心工具，它反映电池电流（及功率）随电极电压的变化，覆盖 “开路（OC，电流为 0）” 到 “短路（SC，电压为 0）” 的全范围。从 I-V 曲线可提取关键参数：

最大功率点（MPP）：输出功率最大时的电压（Vₘₚₚ）与电流密度（Jₘₚₚ）；

功率转换效率：MPP 处输出功率与输入光功率的比值，是电池性能的核心指标；

开路电压（Vₒc）、短路电流密度（Jₛc）、填充因子（FF）：辅助判断电池性能短板。

对硅等 “稳定电池” 而言，电流在亚毫秒内即可稳定，测量时只需快速扫描（毫秒至秒级）；但对钙钛矿等特殊技术，测量方法需适配其动态特性。

不同光伏技术的测量差异

染料敏化电池：响应慢（毫秒至秒级），需 5 秒以上扫描时间，确保电流稳定；

CIGS/CdTe/ 非晶硅：需 “预处理”（如光浸泡）—这类电池存在长期亚稳态，比如 CIGS 需光浸泡后立即测量，CdTe 则需 5 次光浸泡循环才能稳定；

钙钛矿电池：挑战更复杂—不仅响应慢，还可能在测量中发生不可逆降解。若为了让电流稳定而减慢扫描速率，可能导致电池性能衰减；若扫描过快，又会得到非稳态数据，陷入 “稳定” 与 “降解” 的两难。

钙钛矿常用的 4 类测量技术

研究中主要采用以下 4 种效率测量方法，核心差异在于 “是否给足电流稳定时间”：

传统 I-V 曲线：固定速率连续 / 分步扫描，操作简单但易因速率不当导致误差；

最大功率点跟踪（MPPT）：通过 “扰动 - 观察法” 实时调整负载，找到稳定的 MPP，适合快速定位最大功率；

固定电压下稳定电流（SCFV）：在特定电压（如 Vₘₚₚ）下持续监测电流至稳定，直接获得稳态效率；

动态 I-V：分步扫描但每步停留足够久，确保电流稳定—本质是 “多组 SCFV 测量”，能覆盖全电压范围，数据最可靠但耗时最长。

实验设计

 

为了量化测量差异，研究设计了 “星型对比” 方案，核心细节如下：

实验电池制备：

对比选用2个钙钛矿电池（A、B）和1个硅控电池（C），均封装以减少降解风险：

硅控电池（C）：4 cm² 商用 KG1 滤波单晶硅电池，稳定性高、无复杂瞬态，作为 “测量变异性基准”；

钙钛矿电池A：慢响应，结构为介孔 TiO₂|ZrO₂|MAPbI₃（甲胺铅碘），45 分钟仍难稳定；

钙钛矿电池B：快响应，结构为致密 TiO₂| 介孔 TiO₂|MAPbI₃| 碳，20 分钟可稳定。

选择 A、B 的核心目的是：验证测量技术对 “不同动态响应电池” 的适用性；两者均用 MAPbI₃材料，便于聚焦 “动态行为” 而非 “材料差异” 的影响。

测量要求：

所有实验室需采用 “最佳实践” 测量，至少提供正向（SC→OC）、反向（OC→SC）扫描的 I-V 参数；仅 CSIRO 与 NREL 会测量实际电池面积（其他用标称值）、外量子效率（EQE）并校正光谱失配，确保数据准确性。

钙钛矿测量变异性远超硅

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硅控电池（C）：验证实验可靠性

硅控电池（C）实验室间对比结果

各实验室遵循测量规范情况表

硅电池的测量结果非常稳定：

CSIRO 定期测量数据在 95% 置信区间内一致，符合硅电池高稳定性；

CSIRO 与 NREL 的认证数据吻合良好（仅 Vₒc 差异 0.7%，校正温度后降至 0.5%）；

非认证实验室的差异主要源于 2 个关键操作：

4线连接：最关键影响—2 线连接无法消除电路串联电阻，导致 FF 与效率低估（如实验室 E 用 2 线，效率显著偏低）；

温度控制：未控温时，电池因光照发热（>25℃），硅电池负温度系数导致效率低估。

排除异常数据后，非认证实验室的效率变异性（2σ）约 7.4%，与过往硅电池研究结果一致，说明实验设计可靠。

钙钛矿电池的瞬态与扫描速率影响

（a）电池瞬态行为图（b）电池A的 I-V 扫描曲线

CSIRO 先对 A、B 进行 “预实验”，测试扫描速率（100、4.5、2.3、1.3 mV/s）的影响：

电池 B（快响应）：100 mV/s 时正向 / 反向数据差异大，慢扫描（≤4.5 mV/s）后吻合良好；

电池 A（慢响应）：即使最慢速率（1.3 mV/s），正向 / 反向仍有明显差异，反向扫描的 MPP 附近还出现 “电流过冲”，说明电流仍未稳定。

电池B（左）电池A（右）最适扫描速率确定图

最终选择 2.3 mV/s 作为 CSIRO 的对比测量速率—兼顾数据可靠性与耗时。

实验室间变异性：慢响应钙钛矿差异近10倍

（a）电池B对比结果图（b）电池A对比结果图（c）1σ 测量变异性图

这是研究最核心的发现：

电池B（快响应）：非认证实验室的效率变异性约 4.5%-4.9%，仅比硅电池高 1%（部分源于电池老化）；

电池A（慢响应）：非认证实验室的效率变异性高达 34.8%-37.0%，是硅电池的近10倍—慢响应钙钛矿的测量可靠性显著更低；

关键结论：钙钛矿测量差异的主因是 “测量方法”，而非硅电池那样的 “4 线连接 / 温度控制”。比如用 2 线连接对硅的影响大，但对钙钛矿而言，扫描速率、预处理方式的影响更致命。

电池稳定性：运输与老化的影响

电池 B：性能随时间波动（升降交替），国际运输（CSIRO-NREL）后因环境暴露、温压变化发生明显降解；

电池 A：I-V 曲线形状变化（反向扫描 MPP 附近 “鼓包” 随老化更明显），正向 Jₛc 持续降低，说明存在不可逆降解。

哪种测量技术最可靠？

 

为了找出最优方法，CSIRO 在对比结束后，固定设备、温度等变量，重现了各实验室的测量技术，结果如下：

4类技术的可靠性排序

（a）4种技术测量的电池A I-V曲线（b）电池A动态I-V曲线及稳定时间图（c）电池A重复扫描结果图

动态 I-V：最可靠 — 每步停留至电流变化率 < 0.2%/min，3 小时完成 1 次正向 + 反向扫描，数据吻合度高（MPP 附近差异 < 1%），能真实反映稳态性能；

OC 浸泡 + 快扫描：次优 — 开路光照 10 分钟后快速扫描，无滞后但会高估效率（因未达到真正稳态）；

慢扫描（CSIRO 对比用）：有滞后但可重复 — 2.3 mV/s 速率下正向 / 反向数据差异大，但单次扫描结果稳定；

重复扫描：最不可靠 — 多次扫描至效率稳定，但稳定后正向 / 反向效率仍不同，且低于稳态值（电压循环阻碍了稳态建立）。

为什么测量方法是钙钛矿的关键？

电池A测量技术效率误差排序图

对硅电池而言，4线连接、温度控制是影响数据的主因；但对钙钛矿，不同测量方法的效率差异可超 100%—比如 OC 浸泡法可能高估效率，重复扫描法则低估，动态 I-V 才是 “黄金标准”。

这背后的本质是钙钛矿的 “动态行为特殊性”：其电流稳定不仅受温度、电阻影响，还与离子迁移、界面陷阱等内部过程相关，必须通过 “给足稳定时间” 的方法（如动态 I-V）才能消除这些干扰。

如何选择合适的测量技术？

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基于实验结果，研究提出了 “根据电池稳定时间（tₛ）与降解时间（td）选技术” 的框架，简单来说：

（a）近 Vₘₚₚ固定电压下电流瞬态示意图（b）电池测量技术推荐框架图

先明确两个关键参数

tₛ（稳定时间）：电池从暗态切换到 STC 后，电流达到稳态值 99%（假设 X=1%）所需时间；

td（降解时间）：STC 下，电池稳态电流降解 1% 所需时间。

3类场景的技术选择

小 tₛ（电流快稳定，如电池 B）：优先快 I-V 扫描—兼顾效率与准确性，td越小扫描需越快；

中 tₛ（电流中等稳定）：用 SCFV/MPPT 或动态 I-V—td 大时测完整动态 I-V 曲线，td小时仅测 MPP（减少降解风险）；

大 tₛ（电流慢稳定，如电池 A）：优先 SCFV—测 MPP 附近少数点，避免长时间测量导致降解；若td也小，几乎无法准确测量，需先优化电池稳定性。

本研究通过 2 家光伏性能测量认证实验室（CSIRO、NREL）与 8 家光伏研究实验室的首次钙钛矿太阳能电池实验室间对比，定量证实钙钛矿的复杂动态行为会降低其效率测量可信度；结果显示，快响应钙钛矿电池的实验室间测量变异性为硅控电池的 1.3 倍，慢响应钙钛矿电池的该变异性则接近硅控电池的 10 倍，且此变异性主要由测量方法导致，而非温度控制或设备校准；研究明确动态 I-V 是最可靠的 I-V 测量技术，其次是近最大功率点电压光浸泡与重复 I-V 方法，并提出基于电池稳定时间（tₛ）与降解时间（td）选择适宜测量技术的框架；遵循研究提出的建议，可显著提升钙钛矿太阳能电池效率测量的可靠性，助力准确识别优质材料与制备工艺，进而加速该技术的发展进程。

钙钛矿复合式MPPT测试仪

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美能钙钛矿复合式MPPT测试仪采用A+AA+级LED太阳光模拟器作为老化光源，以其先进的技术和多功能设计，为钙钛矿太阳能电池的研究提供了强有力的支持。

• 3A+光源，光源寿命10000h+，真实还原各场景实际光照条件

可选配恒温恒湿箱，满足IS0S标准

 

 

多型号电子负载可选，多通道独立运行

 

 

不同波段光谱输出可调：7.350-400nm/400-750nm/750-1150nm均独立可控

 

 

美能钙钛矿复合式MPPT测试仪主要应用于成品钙钛矿单结，叠层成品电池稳定性测试。由于钙钛矿电池的输出特性易受光照、温度等环境因素影响，其最大功率点会频繁波动。MPPT控制器通过实时追踪并锁定最大功率点，能确保系统始终以最优功率输出。这不仅能最大化发电量，还能提升整个光伏系统的工作稳定性和经济性。

原文参考：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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