太陽能電池專業光譜成像及特性分析系統

太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池是(shi)一(yi)種(zhong)通過光(guang)電(dian)(dian)(dian)效應或(huo)光(guang)化(hua)學反應直接把光(guang)能轉化(hua)為(wei)電(dian)(dian)(dian)能裝置。由于太(tai)陽(yang)能是(shi)一(yi)種(zhong)清潔能源，因此光(guang)伏技術近年(nian)來備受(shou)關注(zhu)。光(guang)伏材(cai)料的(de)(de)轉換效率隨著技術的(de)(de)發展也(ye)有(you)了(le)顯著的(de)(de)提高(gao)。例如自(zi)從2009年(nian)日本(ben)科學家Miyasaka*報道鈣(gai)鈦礦太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池以來，在短(duan)短(duan)的(de)(de)幾年(nian)內，鈣(gai)鈦礦太(tai)陽(yang)能電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)光(guang)電(dian)(dian)(dian)轉換效率從3.8%上(shang)升到22.7%。盡管鈣(gai)鈦礦電(dian)(dian)(dian)池擁有(you)諸多優點，但(dan)是(shi)由于材(cai)料的(de)(de)不均一(yi)性(xing)(xing)(xing)和無法(fa)低成本(ben)大規模生產限制了(le)鈣(gai)鈦礦電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)發展。為(wei)了(le)解決這些問(wen)題，研究人員需要高(gao)性(xing)(xing)(xing)能和專業的(de)(de)測試工具研究材(cai)料性(xing)(xing)(xing)能的(de)(de)空間分(fen)布(bu)。

  為(wei)了解(jie)決這(zhe)些問題，加拿大Phonton 公(gong)司和(he)(he)法國(guo)光電能源研(yan)(yan)究和(he)(he)發展研(yan)(yan)究所為(wei)太陽能電池(chi)分析共同研(yan)(yan)發了高光譜成(cheng)(cheng)像設(she)備（IMA™）。基于*的(de)體(ti)(ti)布拉格光柵濾波片技術(shu)，采用革新的(de)二維成(cheng)(cheng)像技術(shu)，不同于常規的(de)熒光成(cheng)(cheng)像設(she)備，這(zhe)是一(yi)款一(yi)次性可全視(shi)野(ye)成(cheng)(cheng)像的(de)設(she)備，可快(kuai)速獲得鈣鈦礦(kuang)電池(chi)的(de)熒光成(cheng)(cheng)像和(he)(he)電致發光成(cheng)(cheng)像，用于研(yan)(yan)究產品的(de)缺陷、約束條件和(he)(he)光電特性的(de)。

與傳統的共聚焦顯微成(cheng)像設備(bei)相比，高光譜成(cheng)像設備(bei)擁有以下優勢：

1） 單次整視場成像。與常規的共聚焦顯微鏡需要逐點掃描或逐行推掃所不同，該高光譜成像系統允許在顯微鏡下獲取整個視場不同波長的像。使用百萬像素相機，通過濾波后圖像的采集可提供樣品表面數百萬個點上的光譜信息。這種成像方式將打打減小圖像采集時間，與傳統成像方式比較時間將減少2-3個數量級。例如，采集150´150μm²光譜(pu)信(xin)息(xi)，使用高光譜(pu)成(cheng)(cheng)像(xiang)設備只需要(yao)大(da)概8分鐘(zhong)，但是使用常規共(gong)聚(ju)焦設備需要(yao)幾百(bai)個小時(shi)才(cai)能完成(cheng)(cheng)。

2） 在PL成像實驗中該系統的激發光源在視野中的強度是均勻分布的。在傳統的共聚焦設備中，激發光源是聚焦在一個點上（~1μm²），這將(jiang)導致載(zai)(zai)流(liu)子向沒有激光(guang)(guang)照(zhao)(zhao)射的(de)區域(yu)遷移(yi)造成載(zai)(zai)流(liu)子復合，使的(de)PL信號明顯(xian)降低，需要將(jiang)激發光(guang)(guang)的(de)功率(lv)提(ti)高(gao)到 1000個太陽(yang)的(de)光(guang)(guang)照(zhao)(zhao)這與(yu)(yu)光(guang)(guang)伏材料的(de)工作環境嚴(yan)重不符，并對結果(guo)的(de)提(ti)取與(yu)(yu)解釋帶來諸多(duo)影響。由于高(gao)光(guang)(guang)譜成像設備的(de)光(guang)(guang)源是均勻的(de)照(zhao)(zhao)射到樣品上的(de)，因(yin)此避(bi)免了上述情況，并且(qie)光(guang)(guang)源功率(lv)可(ke)從1-500個太陽(yang)的(de)光(guang)(guang)照(zhao)(zhao)可(ke)調。

3） 可獲得光(guang)譜(pu)強(qiang)度(du)的(de)(de)定(ding)量(liang)(liang)(liang)(liang)值。PL（photoluminescence）和EL（Electroluminescence）包含了材(cai)料或器(qi)件的(de)(de)諸多信息，但是傳統熒光(guang)技術表征提供的(de)(de)數據單(dan)位都是arbitrary units， 這(zhe)(zhe)并不是一(yi)個定(ding)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)數值，這(zhe)(zhe)將大大限制了對光(guang)譜(pu)結果(guo)的(de)(de)深度(du)挖掘。為(wei)了解決該問題，IRDEP和Photon 研發(fa)(fa)了定(ding)量(liang)(liang)(liang)(liang)校準(zhun)辦法(fa)，使該高(gao)光(guang)譜(pu)設備可以確定(ding)在固定(ding)能量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)激發(fa)(fa)光(guang)下(xia)(xia)，樣品每個點發(fa)(fa)射(she)光(guang)子的(de)(de)定(ding)量(liang)(liang)(liang)(liang)數值。通過這(zhe)(zhe)種校準(zhun)，研究(jiu)人員可進一(yi)步(bu)探究(jiu)普朗(lang)克定(ding)律，和太陽能電(dian)(dian)池的(de)(de)外部(bu)量(liang)(liang)(liang)(liang)子效率（EQE）和在給(gei)定(ding)電(dian)(dian)壓下(xia)(xia)電(dian)(dian)致(zhi)發(fa)(fa)光(guang)的(de)(de)相互關系。以及Voc和飽和電(dian)(dian)流等。

如圖2 顯(xian)示了(le)CIS樣品(pin)的(de)光(guang)(guang)(guang)致發(fa)光(guang)(guang)(guang)圖像(xiang)，其中使用(yong)的(de)激發(fa)光(guang)(guang)(guang)波長為(wei)532nm。整視野成(cheng)像(xiang)可(ke)以(yi)快速探測樣品(pin)空(kong)間上(shang)不均勻性，通過(guo)該技術研究人員可(ke)以(yi)監(jian)控不同屬性在空(kong)間上(shang)的(de)分布。圖1，為(wei)圖2上(shang)所選區(qu)域(yu)的(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)信(xin)息。此外，通過(guo)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)的(de)定(ding)量校正(zheng)還可(ke)以(yi)得到設備(bei)的(de)光(guang)(guang)(guang)電特性（例如：EQE， Voc等）

我們主要利用高光(guang)(guang)譜(pu)設備探究了(le)(le)CIGS太(tai)陽能電池(chi)的光(guang)(guang)致發光(guang)(guang)光(guang)(guang)譜(pu)成像(xiang)（532nm，激光(guang)(guang)強(qiang)度(du)為580個太(tai)陽輻射）和(he)電致發光(guang)(guang)光(guang)(guang)譜(pu)成像(xiang)（使用源表，Vapp = 0.95 V.）。圖1，顯示(shi)了(le)(le)CIGS的PL和(he)EL光(guang)(guang)譜(pu)，并(bing)通過(guo)定量校正，結合廣義(yi)普朗克定律(lv)分(fen)別獲得了(le)(le)準費米能級分(fen)裂(lie)Δμeff，并(bing)利用太(tai)陽能電池(chi)和(he)LEDS之間的相互關系(xi)，通過(guo)EL圖譜(pu)可以推到出EQE，等信息。

1. • 在固定能(neng)(neng)量的(de)(de)(de)激發(fa)光下，樣(yang)品每個點發(fa)射光子(zi)的(de)(de)(de)定量數值，這(zhe)一功能(neng)(neng)可以是科研人員(yuan)可以從PL圖像中直(zhi)接(jie)獲(huo)得太陽(yang)能(neng)(neng)電池(chi)的(de)(de)(de)準費米能(neng)(neng)級分(fen)裂圖Δμeff。準(zhun)費(fei)米能力具有(you)重(zhong)要意義(yi)，因為它與電(dian)池的(de)(de)(de)電(dian)壓和(he)飽和(he)電(dian)流相關。如圖(tu)1，為GaAs的(de)(de)(de)準(zhun)費(fei)米能級分裂(lie)Δμeff/q 的(de)(de)(de)二維圖(tu)，這是利用GaAs太陽能電(dian)池的(de)(de)(de)定量光致發(fa)光圖(tu)譜根據廣義(yi)普朗克定律計算出來。測量的(de)(de)(de)準(zhun)費(fei)米能級分裂(lie)為Δμeff= 1.1676±0.010eV，在電(dian)接觸附近（圖(tu)1中(zhong)間的(de)(de)(de)垂直藍線）和(he)電(dian)池的(de)(de)(de)外部邊界(jie)附近有(you)稍微下降。結果(guo)與之前的(de)(de)(de)GaAs文獻中(zhong)的(de)(de)(de)研究結果(guo)*。

近年來，以(yi)CH3NH3PbI3為代表(biao)的(de)(de)(de)具有(you)鈣(gai)(gai)鈦礦(kuang)晶型的(de)(de)(de)有(you)機金屬(shu)鹵化(hua)物(wu)在光(guang)電(dian)(dian)(dian)領(ling)域(yu)的(de)(de)(de)應用(yong)吸引了(le)(le)廣泛的(de)(de)(de)研(yan)究興趣。作(zuo)為一種新興的(de)(de)(de)半導體光(guang)電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)材(cai)料(liao)，它具有(you)高消(xiao)光(guang)系數(105 cm-1)、長(chang)載(zai)流子壽命(~μs)、低缺陷態濃度、低激(ji)子束(shu)縛能(neng)(neng)以(yi)及可低成本(ben)溶劑制備(bei)等(deng)諸多(duo)優點(dian)。基(ji)于該類(lei)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)薄(bo)膜太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池(鈣(gai)(gai)鈦礦(kuang)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池) 的(de)(de)(de)光(guang)電(dian)(dian)(dian)轉(zhuan)(zhuan)換(huan)效(xiao)率已(yi)經超過(guo)22%，超過(guo)了(le)(le)多(duo)晶硅(gui)太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池，具有(you)較好的(de)(de)(de)應用(yong)前景。同時，該材(cai)料(liao)在光(guang)電(dian)(dian)(dian)探測(ce)、發光(guang)、高能(neng)(neng)射線(xian)探測(ce)及非線(xian)性(xing)(xing)光(guang)學(xue)等(deng)方面(mian)均展現出良好的(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)，成為光(guang)電(dian)(dian)(dian)物(wu)理(li)、材(cai)料(liao)(器件)物(wu)理(li)和(he)化(hua)學(xue)等(deng)交叉領(ling)域(yu)的(de)(de)(de)研(yan)究熱點(dian)。但是(shi)關于鈣(gai)(gai)鈦礦(kuang)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)諸多(duo)工(gong)作(zuo)機制還(huan)不是(shi)很(hen)清(qing)楚，因(yin)此利用(yong)高光(guang)譜成像(xiang)設備(bei)研(yan)究了(le)(le)CH3NH3PbI3太(tai)陽能(neng)(neng)電(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)主要性(xing)(xing)能(neng)(neng)，進行了(le)(le)空間和(he)光(guang)譜分辨的(de)(de)(de)EL和(he)PL成像(xiang)。EL采用(yong)源表(biao)施(shi)加的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓范圍(wei)是(shi)1.05至1.2V，PL使用(yong)的(de)(de)(de)是(shi)532nm的(de)(de)(de)激(ji)光(guang)（約(yue)30個太(tai)陽輻射）。通過(guo)定量校(xiao)準，從EL和(he)PL光(guang)譜直接獲(huo)得了(le)(le)準費米能(neng)(neng)級(ji)分裂和(he)電(dian)(dian)(dian)子傳輸效(xiao)率，如下(xia)圖所示(shi)。

圖2 為鈣鈦礦材(cai)料的透(tou)射(she)率成像

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