太陽(yáng)能電池專(zhuān)業(yè)光譜成像及特性分析系統

太陽(yáng)能電池是一種通過(guò)光電效應或光化學(xué)反應直接把光能轉化為電能裝置。由于太陽(yáng)能是一種清潔能源，因此光伏技術(shù)近年來(lái)備受關(guān)注。光伏材料的轉換效率隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展也有了顯著(zhù)的提高。例如自從2009年日本科學(xué)家Miyasaka*報道鈣鈦礦太陽(yáng)能電池以來(lái)，在短短的幾年內，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光電轉換效率從3.8%上升到22.7%。盡管鈣鈦礦電池擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于材料的不均一性和無(wú)法低成本大規模生產(chǎn)限制了鈣鈦礦電池的發(fā)展。為了解決這些問(wèn)題，研究人員需要高性能和專(zhuān)業(yè)的測試工具研究材料性能的空間分布。

  為了解決這些問(wèn)題，加拿大Phonton 公司和法國光電能源研究和發(fā)展研究所為太陽(yáng)能電池分析共同研發(fā)了高光譜成像設備（IMA™）?；?的體布拉格光柵濾波片技術(shù)，采用革新的二維成像技術(shù)，不同于常規的熒光成像設備，這是一款一次性可全視野成像的設備，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、約束條件和光電特性的。

與傳統的共聚焦顯微成像設備相比，高光譜成像設備擁有以下優(yōu)勢：

1） 單次整視場(chǎng)成像。與常規的共聚焦顯微鏡需要逐點(diǎn)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(gè)視場(chǎng)不同波長(cháng)的像。使用百萬(wàn)像素相機，通過(guò)濾波后圖像的采集可提供樣品表面數百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)上的光譜信息。這種成像方式將打打減小圖像采集時(shí)間，與傳統成像方式比較時(shí)間將減少2-3個(gè)數量級。例如，采集150´150μm²光譜信息，使用高光譜成像設備只需要大概8分鐘，但是使用常規共聚焦設備需要幾百個(gè)小時(shí)才能完成。

2） 在PL成像實(shí)驗中該系統的激發(fā)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(fā)光源是聚焦在一個(gè)點(diǎn)上（~1μm²），這將導致載流子向沒(méi)有激光照射的區域遷移造成載流子復合，使的PL信號明顯降低，需要將激發(fā)光的功率提高到 1000個(gè)太陽(yáng)的光照這與光伏材料的工作環(huán)境嚴重不符，并對結果的提取與解釋帶來(lái)諸多影響。由于高光譜成像設備的光源是均勻的照射到樣品上的，因此避免了上述情況，并且光源功率可從1-500個(gè)太陽(yáng)的光照可調。

3） 可獲得光譜強度的定量值。PL（photoluminescence）和EL（Electroluminescence）包含了材料或器件的諸多信息，但是傳統熒光技術(shù)表征提供的數據單位都是arbitrary units， 這并不是一個(gè)定量的數值，這將大大限制了對光譜結果的深度挖掘。為了解決該問(wèn)題，IRDEP和Photon 研發(fā)了定量校準辦法，使該高光譜設備可以確定在固定能量的激發(fā)光下，樣品每個(gè)點(diǎn)發(fā)射光子的定量數值。通過(guò)這種校準，研究人員可進(jìn)一步探究普朗克定律，和太陽(yáng)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。

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

我們主要利用高光譜設備探究了CIGS太陽(yáng)能電池的光致發(fā)光光譜成像（532nm，激光強度為580個(gè)太陽(yáng)輻射）和電致發(fā)光光譜成像（使用源表，Vapp = 0.95 V.）。圖1，顯示了CIGS的PL和EL光譜，并通過(guò)定量校正，結合廣義普朗克定律分別獲得了準費米能級分裂Δμeff，并利用太陽(yáng)能電池和LEDS之間的相互關(guān)系，通過(guò)EL圖譜可以推到出EQE，等信息。

1. • 在固定能量的激發(fā)光下，樣品每個(gè)點(diǎn)發(fā)射光子的定量數值，這一功能可以是科研人員可以從PL圖像中直接獲得太陽(yáng)能電池的準費米能級分裂圖Δμeff。準費米能力具有重要意義，因為它與電池的電壓和飽和電流相關(guān)。如圖1，為GaAs的準費米能級分裂Δμeff/q 的二維圖，這是利用GaAs太陽(yáng)能電池的定量光致發(fā)光圖譜根據廣義普朗克定律計算出來(lái)。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(xiàn)）和電池的外部邊界附近有稍微下降。結果與之前的GaAs文獻中的研究結果*。

近年來(lái)，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)域的應用吸引了廣泛的研究興趣。作為一種新興的半導體光電轉換材料，它具有高消光系數(105 cm-1)、長(cháng)載流子壽命(~μs)、低缺陷態(tài)濃度、低激子束縛能以及可低成本溶劑制備等諸多優(yōu)點(diǎn)?；谠擃?lèi)材料的薄膜太陽(yáng)能電池(鈣鈦礦太陽(yáng)能電池) 的光電轉換效率已經(jīng)超過(guò)22%，超過(guò)了多晶硅太陽(yáng)能電池，具有較好的應用前景。同時(shí)，該材料在光電探測、發(fā)光、高能射線(xiàn)探測及非線(xiàn)性光學(xué)等方面均展現出良好的性能，成為光電物理、材料(器件)物理和化學(xué)等交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是關(guān)于鈣鈦礦電池的諸多工作機制還不是很清楚，因此利用高光譜成像設備研究了CH3NH3PbI3太陽(yáng)能電池的主要性能，進(jìn)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，PL使用的是532nm的激光（約30個(gè)太陽(yáng)輻射）。通過(guò)定量校準，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，如下圖所示。

圖2 為鈣鈦礦材料的透射率成像

產(chǎn)品參數：