太陽能電池專用光譜成像及特性分析系統

太陽能電池專業光譜成像及特性分析系統

太陽能電池是一種通過光電效應或光化學反應直接把光能轉化為電能裝置。由于太陽能是一種清潔能源，因此光伏技術近年來備受關注。光伏材料的轉換效率隨著技術的發展也有了顯著的提高。例如自從2009年日本科學家Miyasaka報道鈣鈦礦太陽能電池以來，在短短的幾年內，鈣鈦礦太陽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點，但是由于材料的不均一性和無法低成本大規模生產限制了鈣鈦礦電池的發展。為了解決這些問題，研究人員需要高性能和專業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展研究所為太陽能電池分析共同研發了成像設備（IMA™）。基于的體濾波片技術，采用革新的二維成像技術，不同于常規的設備，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光成像，用于研究產品的缺陷、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小時才能完成。

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），這將導致載流子向沒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，需要將激發光的功率提高到 1000個太陽的光照這與光伏材料的工作環境嚴重不符，并對結果的提取與解釋帶來諸多影響。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個太陽的光照可調。

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，但是傳統熒光技術表征提供的數據單位都是arbitrary units， 這并不是一個定量的數值，這將大大限制了對光譜結果的深度挖掘。為了解決該問題，IRDEP和Photon 研發了定量校準辦法，使該高光譜設備可以確定在固定能量的激發光下，樣品每個點發射光子的定量數值。通過這種校準，研究人員可進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光的相互關系。以及Voc和飽和電流等。

高光譜成像設備在光伏領域應用實例

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，通過光譜的定量校正還可以得到設備的光電特性（例如：EQE， Voc等）

2）CIGS微電池

我們主要利用高光譜設備探究了CIGS太陽能電池的光致發光光譜成像（532nm，激光強度為580個太陽輻射）和電致發光光譜成像（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，并利用太陽能電池和LEDS之間的相互關系，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備采集了GaAs太陽能電池的光致發光光譜成像，利用該設備的定量校準技術，可以獲得在固定能量的激發光下，樣品每個點發射光子的定量數值，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。如圖1，為GaAs的準費米能級分裂Δμeff/q 的二維圖，這是利用GaAs太陽能電池的定量光致發光圖譜根據廣義普朗克定律計算出來。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。結果與之前的GaAs文獻中的研究結果一致。

4）鈣鈦礦設備

近年來，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)、長載流子壽命(~μs)、低缺陷態濃度、低激子束縛能以及可低成本溶劑制備等諸多優點。基于該類材料的薄膜太陽能電池(鈣鈦礦太陽能電池) 的光電轉換效率已經超過22%，超過了多晶硅太陽能電池，具有較好的應用前景。同時，該材料在光電探測、發光、高能射線探測及非線性光學等方面均展現出良好的性能，成為光電物理、材料(器件)物理和化學等交叉領域的研究熱點。但是關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太陽能電池的主要性能，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，PL使用的是532nm的激光（約30個太陽輻射）。通過定量校準，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。

5）鈣鈦礦晶體

隨著有機鈣鈦礦太陽能電池快速發展，過去幾年尋求靈活，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，可見和可調諧帶隙的強吸收性使其成為生產低成本太陽能電池板的理想選擇。然而，有一個缺點：它們的穩定性是不穩定的，那么更好地了解光物理學和退化機制至關重要。Photon公司的高光譜成像平臺提供了有力的工具。通過光學測量的辦法該設備可以快速表征2D和3D鈣鈦礦或全部光伏設備的結構。此外該設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

產品參數：