太陽能電池專用光譜成像及特性分析系統(tǒng)

太陽能電池專業(yè)光譜成像及特性分析系統(tǒng)

太陽能電池是一種通過光電效應(yīng)或光化學(xué)反應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化為電能裝置褒傅。由于太陽能是一種清潔能源弃锐，因此光伏技術(shù)近年來備受關(guān)注。光伏材料的轉(zhuǎn)換效率隨著技術(shù)的發(fā)展也有了顯著的提高殿托。例如自從2009年日本科學(xué)家Miyasaka首次報道鈣鈦礦太陽能電池以來霹菊，在短短的幾年內(nèi)，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率從3.8%上升到22.7%支竹。盡管鈣鈦礦電池擁有諸多優(yōu)點旋廷，但是由于材料的不均一性和無法低成本大規(guī)模生產(chǎn)限制了鈣鈦礦電池的發(fā)展鸠按。為了解決這些問題，研究人員需要高性能和專業(yè)的測試工具研究材料性能的空間分布饶碘。

  為了解決這些問題目尖，加拿大Photon 公司和法國光電能源研究和發(fā)展研究所為太陽能電池分析共同研發(fā)了高光譜成像設(shè)備（IMA?）≡耍基于獨特的體布拉格光柵濾波片技術(shù)瑟曲，采用革新的二維成像技術(shù)，不同于常規(guī)的熒光成像設(shè)備豪治，這是一款一次性可全視野成像的設(shè)備洞拨，可快速獲得鈣鈦礦電池的熒光成像和電致發(fā)光成像，用于研究產(chǎn)品的缺陷负拟、約束條件和光電特性的扣甲。

與傳統(tǒng)的共聚焦顯微成像設(shè)備相比，高光譜成像設(shè)備擁有以下優(yōu)勢：

1） 單次整視場成像齿椅。與常規(guī)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(tǒng)允許在顯微鏡下獲取整個視場不同波長的像启泣。使用百萬像素相機涣脚，通過濾波后圖像的采集可提供樣品表面數(shù)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寥茫，與傳統(tǒng)成像方式比較時間將減少2-3個數(shù)量級遣蚀。例如，采集150′150μm²光譜信息纱耻，使用高光譜成像設(shè)備只需要大概8分鐘芭梯，但是使用常規(guī)共聚焦設(shè)備需要幾百個小時才能完成。

2） 在PL成像實驗中該系統(tǒng)的激發(fā)光源在視野中的強度是均勻分布的弄喘。在傳統(tǒng)的共聚焦設(shè)備中玖喘，激發(fā)光源是聚焦在一個點上（~1μm²），這將導(dǎo)致載流子向沒有激光照射的區(qū)域遷移造成載流子復(fù)合蘑志，使的PL信號明顯降低累奈，需要將激發(fā)光的功率提高到 1000個太陽的光照這與光伏材料的工作環(huán)境嚴重不符，并對結(jié)果的提取與解釋帶來諸多影響急但。由于高光譜成像設(shè)備的光源是均勻的照射到樣品上的澎媒，因此避免了上述情況，并且光源功率可從1-500個太陽的光照可調(diào)波桩。

3） 可獲得光譜強度的定量值戒努。PL（photoluminescence）和EL（electroluminescence）包含了材料或器件的諸多信息，但是傳統(tǒng)熒光技術(shù)表征提供的數(shù)據(jù)單位都是arbitrary units镐躲， 這并不是一個定量的數(shù)值储玫，這將大大限制了對光譜結(jié)果的深度挖掘侍筛。為了解決該問題，IRDEP和Photon 研發(fā)了定量校準辦法缘缚，使該高光譜設(shè)備可以確定在固定能量的激發(fā)光下勾笆，樣品每個點發(fā)射光子的定量數(shù)值。通過這種校準桥滨，研究人員可進一步探究普朗克定律窝爪，和太陽能電池的外部量子效率（EQE）和在給定電壓下電致發(fā)光的相互關(guān)系。以及Voc和飽和電流等齐媒。

高光譜成像設(shè)備在光伏領(lǐng)域應(yīng)用實例

1）CIS太陽能電池

如圖2 顯示了CIS樣品的光致發(fā)光圖像蒲每，其中使用的激發(fā)光波長為532nm。整視野成像可以快速探測樣品空間上不均勻性喻括，通過該技術(shù)研究人員可以監(jiān)控不同屬性在空間上的分布邀杏。圖1，為圖2上所選區(qū)域的光譜信息唬血。此外望蜡，通過光譜的定量校正還可以得到設(shè)備的光電特性（例如：EQE， Voc等）

2）CIGS微電池

我們主要利用高光譜設(shè)備探究了CIGS太陽能電池的光致發(fā)光光譜成像（532nm拷恨，激光強度為580個太陽輻射）和電致發(fā)光光譜成像（使用源表脖律，Vapp = 0.95 V.）。圖1腕侄，顯示了CIGS的PL和EL光譜小泉，并通過定量校正，結(jié)合廣義普朗克定律分別獲得了準費米能級分裂Δμeff冕杠，并利用太陽能電池和LEDS之間的相互關(guān)系微姊，通過EL圖譜可以推到出EQE，等信息分预。

3）GaAs太陽能電池

我們利用高光譜成像設(shè)備采集了GaAs太陽能電池的光致發(fā)光光譜成像兢交，利用該設(shè)備獨有的定量校準技術(shù)，可以獲得在固定能量的激發(fā)光下笼痹，樣品每個點發(fā)射光子的定量數(shù)值魁淳，這一功能可以是科研人員可以從PL圖像中直接獲得太陽能電池的準費米能級分裂圖Δμeff。準費米能力具有重要意義与倡，因為它與電池的電壓和飽和電流相關(guān)界逛。如圖1，為GaAs的準費米能級分裂Δμeff/q 的二維圖纺座，這是利用GaAs太陽能電池的定量光致發(fā)光圖譜根據(jù)廣義普朗克定律計算出來息拜。測量的準費米能級分裂為Δμeff= 1.1676±0.010eV，在電接觸附近（圖1中間的垂直藍線）和電池的外部邊界附近有稍微下降。結(jié)果與之前的GaAs文獻中的研究結(jié)果一致少欺。

4）鈣鈦礦設(shè)備

近年來喳瓣，以CH3NH3PbI3為代表的具有鈣鈦礦晶型的有機金屬鹵化物在光電領(lǐng)域的應(yīng)用吸引了廣泛的研究興趣。作為一種新興的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料赞别，它具有高消光系數(shù)(105 cm-1)畏陕、長載流子壽命(~μs)、低缺陷態(tài)濃度仿滔、低激子束縛能以及可低成本溶劑制備等諸多優(yōu)點惠毁。基于該類材料的薄膜太陽能電池(鈣鈦礦太陽能電池) 的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)超過22%崎页，超過了多晶硅太陽能電池鞠绰，具有較好的應(yīng)用前景。同時飒焦，該材料在光電探測蜈膨、發(fā)光、高能射線探測及非線性光學(xué)等方面均展現(xiàn)出良好的性能牺荠，成為光電物理翁巍、材料(器件)物理和化學(xué)等交叉領(lǐng)域的研究熱點。但是關(guān)于鈣鈦礦電池的諸多工作機制還不是很清楚休雌，因此利用高光譜成像設(shè)備研究了CH3NH3PbI3太陽能電池的主要性能曙咽，進行了空間和光譜分辨的EL和PL成像。EL采用源表施加的電壓范圍是1.05至1.2V挑辆，PL使用的是532nm的激光（約30個太陽輻射）。通過定量校準孝情，從EL和PL光譜直接獲得了準費米能級分裂和電子傳輸效率鱼蝉，如下圖所示。

5）鈣鈦礦晶體

隨著有機鈣鈦礦太陽能電池快速發(fā)展箫荡，過去幾年尋求靈活魁亦，廉價且易于加工的光伏材料取得了新的進展它們具有高載流子遷移率，可見和可調(diào)諧帶隙的強吸收性使其成為生產(chǎn)低成本太陽能電池板的理想選擇羔挡。然而洁奈，有一個缺點：它們的穩(wěn)定性是不穩(wěn)定的，那么更好地了解光物理學(xué)和退化機制至關(guān)重要绞灼。Photon公司的高光譜成像平臺提供了有力的工具利术。通過光學(xué)測量的辦法該設(shè)備可以快速表征2D和3D鈣鈦礦或全部光伏設(shè)備的結(jié)構(gòu)。此外該設(shè)備還可以檢測以下特性：表面缺陷低矮、相分離印叁、晶界等。如圖1，為鈣鈦礦晶體的熒光圖譜

圖2 為鈣鈦礦材料的透射率成像

產(chǎn)品參數(shù)：