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。由于太陽能是一種清潔能源，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。例如自從2009年日本科學(xué)家Miyasaka報(bào)道鈣鈦礦太陽能電池以來，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%。盡管鈣鈦礦電池?fù)碛兄T多優(yōu)點(diǎn)，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。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。

  為了解決這些問題，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)了成像設(shè)備（IMA™）。基于*的體濾波片技術(shù)，采用革新的二維成像技術(shù)，不同于常規(guī)的設(shè)備，這是一款一次性可全視野成像的設(shè)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(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。與常規(guī)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(tǒng)允許在顯微鏡下獲取整個(gè)視場不同波長的像。使用百萬像素相機(jī)，通過濾波后圖像的采集可提供樣品表面數(shù)百萬個(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(tǒng)成像方式比較時(shí)間將減少2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。例如，采集150′150μm²光譜信息，使用高光譜成像設(shè)備只需要大概8分鐘，但是使用常規(guī)共聚焦設(shè)備需要幾百個(gè)小時(shí)才能完成。

2） 在PL成像實(shí)驗(yàn)中該系統(tǒng)的激發(fā)光源在視野中的強(qiáng)度是均勻分布的。在傳統(tǒng)的共聚焦設(shè)備中，激發(fā)光源是聚焦在一個(gè)點(diǎn)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，使的PL信號(hào)明顯降低，需要將激發(fā)光的功率提高到 1000個(gè)太陽的光照這與光伏材料的工作環(huán)境嚴(yán)重不符，并對(duì)結(jié)果的提取與解釋帶來諸多影響。由于高光譜成像設(shè)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)太陽的光照可調(diào)。

3） 可獲得光譜強(qiáng)度的定量值。PL（luminescence）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， 這并不是一個(gè)定量的數(shù)值，這將大大限制了對(duì)光譜結(jié)果的深度挖掘。為了解決該問題，IRDEP和Photon 研發(fā)了定量校準(zhǔn)辦法，使該高光譜設(shè)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(shù)值。通過這種校準(zhǔn)，研究人員可進(jìn)一步探究普朗克定律，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。

高光譜成像設(shè)備在光伏領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)例

1）CIS太陽能電池

如圖2 顯示了CIS樣品的圖像，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，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。圖1，為圖2上所選區(qū)域的光譜信息。此外，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，激光強(qiáng)度為580個(gè)太陽輻射）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，并通過定量校正，結(jié)合廣義普朗克定律分別獲得了準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂Δμeff，并利用太陽能電池和LEDS之間的相互關(guān)系，通過EL圖譜可以推到出EQE，等信息。

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，利用該設(shè)備的定量校準(zhǔn)技術(shù)，可以獲得在固定能量的激發(fā)光下，樣品每個(gè)點(diǎn)發(fā)射光子的定量數(shù)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能電池的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂圖Δμeff。準(zhǔn)費(fèi)米能力具有重要意義，因?yàn)樗c電池的電壓和飽和電流相關(guān)。如圖1，為GaAs的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂Δμeff/q 的二維圖，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(jì)算出來。測量的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂為Δμeff= 1.1676±0.010eV，在電接觸附近（圖1中間的垂直藍(lán)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(xiàn)中的研究結(jié)果一致。

4）鈣鈦礦設(shè)備

近年來，以CH3NH3PbI3為代表的具有鈣鈦礦晶型的有機(jī)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，它具有高消光系數(shù)(105 cm-1)、長載流子壽命(~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)。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%，超過了多晶硅太陽能電池，具有較好的應(yīng)用前景。同時(shí)，該材料在光電探測、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，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(jī)制還不是很清楚，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，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)太陽輻射）。通過定量校準(zhǔn)，從EL和PL光譜直接獲得了準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分裂和電子傳輸效率，如下圖所示。

5）鈣鈦礦晶體

隨著有機(jī)鈣鈦礦太陽能電池快速發(fā)展，過去幾年尋求靈活，廉價(jià)且易于加工的光伏材料取得了新的進(jìn)展它們具有高載流子遷移率，可見和可調(diào)諧帶隙的強(qiáng)吸收性使其成為生產(chǎn)低成本太陽能電池板的理想選擇。然而，有一個(gè)缺點(diǎn)：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(jī)制至關(guān)重要。Photon公司的高光譜成像平臺(tái)提供了有力的工具。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、相分離、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)：