钙钛矿叠层电池（钙钛矿加晶硅）是当前光伏研究最热门的方向，认证效率已突破33百分比。但叠层电池的IV测试比单结电池复杂得多，太阳光模拟器的光谱必须同时匹配顶电池（钙钛矿，300到800纳米）和底电池（晶硅，600到1200纳米）的量子效率。我们上海科迎法电气在为钙钛矿研究机构配置太阳光模拟器时，需要专门调试光谱。本文讲清楚叠层电池测试对太阳光模拟器的特殊要求。
太阳光模拟器在钙钛矿叠层电池测试中光谱匹配
一、钙钛矿叠层电池的结构和光谱分流原理
钙钛矿叠层电池由顶电池和底电池串联组成。顶电池是钙钛矿太阳能电池，带隙约1.68电子伏特（吸收300到740纳米光子）。底电池是晶硅太阳能电池，带隙约1.12电子伏特（吸收600到1200纳米光子）。两个子电池通过中间连接层串联，电流连续流过两个子电池。
光谱分流原理。太阳光照射到叠层电池表面，短波长光子（300到740纳米）被顶电池钙钛矿吸收，长波长光子（740到1200纳米）透过钙钛矿层被底电池晶硅吸收。两个子电池各自产生电流，由于串联连接，叠层电池的总电流等于两个子电池中较小的那个电流。
电流匹配问题。叠层电池的效率最大化要求顶电池和底电池的电流相等（电流匹配）。如果光谱中短波长光子过多，顶电池电流大于底电池，叠层电池电流由底电池限制，顶电池多余电流浪费。如果长波长光子过多，底电池电流大于顶电池，叠层电池电流由顶电池限制。只有光谱匹配时两个子电池电流相等，叠层电池效率最大。
二、叠层电池测试对太阳光模拟器的特殊要求
要求一 光谱匹配AM1.5G标准。IEC 60904-9标准将AM1.5G光谱分为6个波段：400到500纳米、500到600纳米、600到700纳米、700到800纳米、800到900纳米、900到1100纳米。每个波段的辐照度占比必须落在标准允许范围内才算A级匹配。叠层电池测试比单结电池对光谱匹配更敏感，因为顶电池和底电池的光谱响应区间重叠（600到740纳米），这个重叠区间的光谱偏差会影响两个子电池的电流平衡。
要求二 紫外到近红外全光谱覆盖。钙钛矿顶电池响应300到740纳米，晶硅底电池响应600到1200纳米。太阳光模拟器光谱必须覆盖300到1200纳米全范围。部分太阳光模拟器（特别是LED型）在300到400纳米紫外波段和1000到1200纳米近红外波段功率不足，会导致顶电池或底电池电流偏低。
要求三 光谱可调。叠层电池测试需要调节不同波段的光强比例，找到顶电池和底电池电流匹配的光谱条件。LED太阳光模拟器可以独立调节每个波段（9到12个通道），精确控制光谱形状。氙灯太阳光模拟器光谱固定（氙灯固有光谱），只能通过滤光片微调，不能精确调节每个波段。
要求四 辐照度精确可控。叠层电池测试时辐照度必须精确1000瓦每平方米正负2百分比。辐照度偏差影响两个子电池的电流绝对值，但只要光谱匹配，两个子电池的电流比例不变，不影响效率测量。但如果辐照度波动（时间不稳定度差），两个子电池的瞬态电流不同步，IV曲线变形。
三、氙灯和LED太阳光模拟器在叠层电池测试中的对比
对比一 光谱匹配精度。氙灯光谱是连续光谱，通过滤光片修正后可以达到A级光谱匹配。但氙灯光谱在某些波段（如700到800纳米）有特征峰，和AM1.5G标准有偏差。LED太阳光模拟器每个波段独立控制，光谱匹配精度更高，可以做到A+级。
对比二 光谱可调性。氙灯光谱固定，不能调节每个波段的功率比例。如果叠层电池顶电池电流偏大，需要减小300到740纳米波段光强，氙灯做不到。LED可以独立减小300到740纳米通道的功率，使顶电池电流降到和底电池匹配。
对比三 紫外波段覆盖。氙灯在300到400纳米紫外波段有较强输出。LED在300到400纳米紫外波段功率弱（UV LED效率低且成本高）。如果叠层电池顶电池需要紫外波段光子（钙钛矿在紫外波段有量子效率），LED太阳光模拟器可能紫外功率不足。
对比四 近红外波段覆盖。氙灯在1000到1200纳米近红外波段有输出。LED在1000到1200纳米波段功率弱（近红外LED效率低）。如果叠层电池底电池需要近红外光子，LED可能近红外功率不足。
对比五 光谱稳定性。氙灯老化后光谱漂移（紫外波段功率下降比可见光快），需要定期检查光谱匹配度。LED老化后各波段衰减速率不同（紫外LED衰减快），也需要定期检查。但LED可以单独补偿衰减的波段，氙灯不能。
结论 氙灯太阳光模拟器可以用于叠层电池常规IV测试（A级光谱匹配足够），但如果需要精确调节光谱找电流匹配点，LED太阳光模拟器更灵活。理想方案是同时配备氙灯（日常测试）和LED（光谱调节研究）两台太阳光模拟器。
四、光谱调节方法（LED太阳光模拟器）
方法一 理论计算法。根据顶电池和底电池的量子效率曲线，计算AM1.5G标准光谱下两个子电池的短路电流。如果顶电池理论电流Isc_top大于底电池理论电流Isc_bot，减小顶电池响应波段（300到740纳米）的LED功率。反之增大。反复迭代直到Isc_top约等于Isc_bot（偏差小于1百分比）。
方法二 实测调节法。先用AM1.5G标准光谱测量叠层电池的IV曲线，记录短路电流Isc_total（等于两个子电池中较小的电流）。然后单独测量顶电池电流（在底电池前加挡光板遮挡长波长光子，只让短波长光子到达顶电池）。再单独测量底电池电流（在顶电池前加长波通滤光片，只让长波长光子到达底电池）。比较两个子电池电流，调节LED光谱使两电流匹配。
方法三 参考电池法。用一支钙钛矿参考电池和一支晶硅参考电池分别放在光斑中测量。钙钛矿参考电池反映300到740纳米波段光强，晶硅参考电池反映600到1200纳米波段光强。调节LED光谱使两个参考电池的读数比例等于AM1.5G标准下的理论比例。
方法四 扫描法。保持总辐照度1000瓦每平方米不变，逐步改变顶电池响应波段功率（从80百分比到120百分比），每次测量叠层电池IV曲线。当叠层电池效率最大时，顶电池和底电池电流匹配，记录此时的光谱设置作为标准测试条件。
五、叠层电池测试常见问题
问题一 叠层电池IV曲线有两个台阶是什么原因。原因是顶电池和底电池的电流不匹配。电流大的子电池在某个电压范围内产生多余电流，使IV曲线出现台阶。解决方法是调节太阳光模拟器光谱使两个子电池电流匹配，台阶消失。
问题二 叠层电池的效率怎么算。效率Eta等于最大功率Pmax除以入射光功率Pin。Pin等于1000瓦每平方米乘以电池总面积。叠层电池总面积是顶电池面积（顶电池面积等于或略大于底电池面积）。注意叠层电池效率不需要乘以2（不是两个电池效率相加），叠层电池是一个器件效率就是总效率。
问题三 顶电池和底电池可以单独测试吗。可以但需要特殊方法。顶电池单独测试需要在底电池位置放反射板（反射顶电池透过的光回到顶电池）或黑体吸收板（吸收透过光不反射）。底电池单独测试需要在顶电池位置放透明导电玻璃（短路顶电池让光透过）。单独测试目的是确定两个子电池各自的性能，分析电流限制因素。
问题四 叠层电池测试需要什么参考电池。最好有两支参考电池：一支钙钛矿参考电池标定300到740纳米波段光强，一支晶硅参考电池标定600到1200纳米波段光强。如果只有一支晶硅参考电池，可以测试但不能精确判断两个子电池的电流匹配情况。
上海科迎法电气科技有限公司
上海科迎法电气的K003型钙钛矿太阳光模拟器专为叠层电池测试设计，LED多通道光源支持9到12个波段独立调节，光谱覆盖300到1200纳米全范围，标配晶硅参考电池（钙钛矿参考电池可选配）。光斑尺寸6.2米乘2.8米，可覆盖大面积叠层组件。如需钙钛矿叠层电池测试方案，建议提供电池结构和面积规格，我们协助设计光谱配置。
