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瞬態(tài)光電壓光電流解決方案-鈣鈦礦太陽能電池測試

概述

光電器件的光生電荷產(chǎn)生與抽取是一個(gè)超快過程，因此光電器件的時(shí)間分辨表征能夠直接獲取器件中光生電荷的時(shí)間響應(yīng)特性，為分析光生電荷微觀過程、光電轉(zhuǎn)化效率的提高提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。本文介紹了卓立漢光基于穩(wěn)態(tài)光電測試開發(fā)的瞬態(tài)光電測試系統(tǒng)，為鈣鈦礦太陽能電池的測試提供多方位測量方法，滿足不同光電器件的瞬態(tài)測試需求。

引言

光電器件的表征技術(shù)包括材料的表征，器件性能的表征以及基于載流子激發(fā)，復(fù)合，傳輸?shù)奈⒂^過程和機(jī)制表征。其中微觀表征可以深入分析器件的性能和響應(yīng)效率的影響因素，為器件的性能提升提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，因此光電器件的時(shí)間分辨表征是一種有力的測量手段。目前基于器件水平的微觀時(shí)間尺度的測試主要包括頻域（包括頻率調(diào)制光電壓信號(hào)）和時(shí)域測量（基于脈沖光的瞬態(tài)光譜、瞬態(tài)光電壓測試）等?；诩{秒脈沖激光的時(shí)域測量，實(shí)現(xiàn)器件水平的納秒時(shí)間分辨的瞬態(tài)光電響應(yīng)動(dòng)力學(xué)，能夠獲取器件中載流子復(fù)合和傳輸性質(zhì)。其測試方法明了，數(shù)據(jù)分析直接，是一種廣泛應(yīng)用的瞬態(tài)測試方法。

儀器介紹

本項(xiàng)目基于長期積累的光電器件穩(wěn)態(tài)測量技術(shù)，引入瞬態(tài)測量模塊，針對(duì)不同器件的測量要求提供多種樣品夾具和樣品臺(tái)，通過優(yōu)化光路和數(shù)據(jù)批量處理，實(shí)現(xiàn)了一體化的穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)光電測試，滿足不同類型光電器件的瞬態(tài)光電測試需求。硬件布局上，該系統(tǒng)分為樣品臺(tái)模塊，光源供電模塊，信號(hào)放大模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。樣品臺(tái)模塊針對(duì)不同的樣品由三維調(diào)節(jié)樣品臺(tái)以及電極夾具和探針臺(tái)組成；光源模塊包括一束高功率LED白光光源作為瞬態(tài)測量的偏置光源，另一束納秒脈沖光源作為納秒瞬態(tài)響應(yīng)的脈沖激發(fā)光源；對(duì)于微弱的信號(hào)利用寬帶前置放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增益，數(shù)據(jù)采集模塊利用寬帶示波器采集瞬態(tài)信號(hào)。該測量系統(tǒng)布局合理，能夠同時(shí)滿足不同光電器件的測試需求。

圖1 TPV/TPC瞬態(tài)測試原型樣機(jī)

圖2 TPV/TPC瞬態(tài)測試樣機(jī)的硬件布局

(1)瞬態(tài)光電壓(Transient Photovoltage, TPV)測試

器件處理開路狀態(tài)，一定的輻照強(qiáng)度的白光LED光源作為偏置光，另一束脈沖激光器激發(fā)產(chǎn)生一個(gè)擾動(dòng)光電壓，利用示波器采集瞬態(tài)光電壓衰減曲線。器件中的瞬態(tài)光電壓衰減可以用以下公式描述

表示脈沖光產(chǎn)生的載流子濃度變化，d代表器件的厚度，C代表器件的幾何電容，表示瞬態(tài)光電壓衰減的壽命，可以看到瞬態(tài)光電壓衰減表示器件開路狀態(tài)下，一定偏置光強(qiáng)度下的載流子濃度的衰減，代表器件中載流子的復(fù)合過程。通過改變偏置光的強(qiáng)度，獲取不同載流子濃度下的瞬態(tài)光電壓衰減曲線，獲取不同載流子濃度下的載流子復(fù)合情況。

（2）瞬態(tài)光電流(Transient Photocurrent, TPC)測試

與瞬態(tài)光電壓衰減測量方法相似，器件與小阻值的采樣電阻并聯(lián)，示波器采集采樣電阻兩端的電壓信號(hào)，通過歐姆定律轉(zhuǎn)化為光伏器件的瞬態(tài)電流信號(hào)，得到瞬態(tài)光電流衰減曲線。瞬態(tài)光電流測試能夠測試器件在一定強(qiáng)度的偏置光下，脈沖光擾動(dòng)造成的瞬態(tài)光電流響應(yīng)以及衰減過程，包括光電流上升和下降過程，下降沿揭示器件中光生電荷的抽取過程。通過對(duì)光電流衰減曲線積分得到器件中電荷抽取量。電荷復(fù)合速率越大，電荷抽取量越小，越不利于光電轉(zhuǎn)化效率的提高。

電荷抽取效率與電荷抽取時(shí)間以及載流子復(fù)合壽命緊密相關(guān)。通過改變偏置光的強(qiáng)度，得到不同載流子濃度下的瞬態(tài)光電壓和瞬態(tài)光電流衰減，分析載流子復(fù)合和電荷抽取性質(zhì)，能夠?yàn)樘柲茈姵夭牧虾徒Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。

技術(shù)優(yōu)勢：

（1）自動(dòng)化測試，包括光強(qiáng)程控，自動(dòng)扣背景以及數(shù)據(jù)采集程控

（2）高性能數(shù)采，包括高穩(wěn)定性納秒激光器實(shí)現(xiàn)納秒時(shí)間分辨，寬帶前置放大器

（3）高穩(wěn)定的光路和雜散光屏蔽，開放的光路，實(shí)現(xiàn)不同器件的精確測量

（4）批量數(shù)據(jù)處理分析軟件，批量獲取多組測量擬合結(jié)果

實(shí)驗(yàn)案例

鈣鈦礦太陽能電池作為第三代太陽能電池的代表，不但擁有較高的理論轉(zhuǎn)化效率且成本相對(duì)較低，是目前研究的熱點(diǎn)。以下針對(duì)3種不同參數(shù)鈣鈦礦太陽能電池進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)光電測試，比較它們的瞬態(tài)光電壓流(TPV)瞬態(tài)光電流(TPC)衰減動(dòng)力學(xué)，以及電荷復(fù)合和電荷抽取情況。

首先，使用數(shù)字源表（Keithley，model 2450）測試電池的I-V 特性，如圖1 所示。其中AM1.5（100 mW/cm2）的光源由太陽光模擬器（Zolix SS150A）提供，從表1 列出的I-V測試結(jié)果。填充因子 ，S1略高于S2，都遠(yuǎn)小于S3；光電轉(zhuǎn)化效率， 比較光電轉(zhuǎn)化效率，S1和S2相當(dāng)，約20%，都低于S3的22%。

圖 3鈣鈦礦電池I-V曲線結(jié)果

表1 I-V測試結(jié)果

為了驗(yàn)證鈣鈦礦電池中的電荷復(fù)合和抽取情況，對(duì)3種規(guī)格的鈣鈦礦電池進(jìn)行了TPV/TPC測試。圖4~6分別列出了三種鈣鈦礦電池S1~S3的TPV/TPC測試結(jié)果。擬合結(jié)果分別在表2~4中。圖4a是樣品S1不同偏置光電壓（340mV, 1070mV, 1200mV）下的TPV衰減，從表2a看到載流子復(fù)合隨著偏置光電壓的增大而變快，從2.1ms到572ns, 說明載流子濃度增加導(dǎo)致了載流子復(fù)合加劇; 圖4b是不同偏置光電壓下，歸一化的TPC衰減曲線，從表2b的擬合結(jié)果看到，隨著偏置光電壓增加，TPC壽命從273ns增加到455ns, 說明載流子濃度增加引起電荷抽取速率的減慢。樣品S2與S3也具有相似的規(guī)律。圖5a是樣品S2不同偏置光電壓（90mV, 1005mV, 1190mV）下的TPV衰減, 從表3a看到載流子復(fù)合隨著偏置光電壓的增大而變快，從0.9ms到522ns；從表3b的擬合結(jié)果看到，隨著偏置光電壓增加，TPC壽命逐漸增加，從296ns增加到338ns。圖6a是樣品S3不同偏置光電壓（360mV, 1010mV, 1210mV）下的TPV衰減，從表4a看到載流子復(fù)合時(shí)間從2.6ms到1120ns, 同樣隨著偏置光電壓的增大而變快；從表4b的擬合結(jié)果看到，TPC壽命逐漸增加，從227ns增加到319ns，同樣隨著偏置光電壓增加而增加。S1~S3比較發(fā)現(xiàn)，在相似偏置光電壓下，樣品S3 TPV相關(guān)的載流子壽命明顯高于樣品S1與S2，TPC相關(guān)的電荷抽取時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樣品S1與S2。載流子復(fù)合越慢，電荷抽取時(shí)間越快，越利于光電轉(zhuǎn)化效率的提高，這些結(jié)果與穩(wěn)態(tài)I-V測試的結(jié)果中的太陽光譜下的光電轉(zhuǎn)化效率結(jié)果具有一致性。

圖4 鈣鈦礦電池樣品S1的TPV(a)和歸一化的TPC(b)動(dòng)力學(xué)曲線

表2 鈣鈦礦電池樣品S1的TPV(a)和TPC(b)擬合結(jié)果

圖5 鈣鈦礦電池樣品S2的TPV(a)和歸一化的TPC(b)動(dòng)力學(xué)曲線

表3 鈣鈦礦電池樣品S2的TPV(a)和TPC(b)擬合結(jié)果

圖6 鈣鈦礦電池樣品S3的TPV(a)和歸一化的TPC(b)動(dòng)力學(xué)曲線

表4 鈣鈦礦電池樣品S3的TPV(a)和TPC(b)擬合結(jié)果

4. 結(jié)論

基于納秒 脈沖光源實(shí)現(xiàn)光電器件的瞬態(tài)光電測試，能夠?qū)崿F(xiàn)光電器件中載流子復(fù)合和電荷抽取測量，獲取載流子擴(kuò)散、復(fù)合以及缺陷捕獲等動(dòng)力學(xué)過程，為表征和分析器件性能提供有力工具。另外針對(duì)不同的樣品測試要求，該測試系統(tǒng)能夠分別實(shí)現(xiàn)顯微測試和二維掃描測試。結(jié)合本公司長期積累的穩(wěn)態(tài)光電器件測試經(jīng)驗(yàn)，包括I-V測試，QE測試，光譜響應(yīng)度測試，旨在實(shí)現(xiàn)太陽能電池一站式測試方案。

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產(chǎn)品參數(shù)