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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生與抽取是一個超快過程，因此光電器件的時間分辨表征能夠直接獲取器件中光生電荷的時間響應特性，為分析光生電荷微觀過程、光電轉化效率的提高提供實驗指導。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)，復合，傳輸的微觀過程和機制表征。其中微觀表征可以深入分析器件的性能和響應效率的影響因素，為器件的性能提升提供實驗指導，因此光電器件的時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間尺度的測試主要包括頻域（包括頻率調制光電壓信號）和時域測量（基于脈沖光的瞬態(tài)光譜、瞬態(tài)光電壓測試）等?；诩{秒脈沖激光的時域測量，實現器件水平的納秒時間分辨的瞬態(tài)光電響應動力學，能夠獲取器件中載流子復合和傳輸性質。其測試方法明了，數據分析直接，是一種廣泛應用的瞬態(tài)測試方法。

儀器介紹

本項目基于長期積累的光電器件穩(wěn)態(tài)測量技術，引入瞬態(tài)測量模塊，針對不同器件的測量要求提供多種樣品夾具和樣品臺，通過優(yōu)化光路和數據批量處理，實現了一體化的穩(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)分為樣品臺模塊，光源供電模塊，信號放大模塊和數據采集模塊。樣品臺模塊針對不同的樣品由三維調節(jié)樣品臺以及電極夾具和探針臺組成；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)響應的脈沖激發(fā)光源；對于微弱的信號利用寬帶前置放大器實現信號的增益，數據采集模塊利用寬帶示波器采集瞬態(tài)信號。該測量系統(tǒng)布局合理，能夠同時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

圖2 TPV/TPC瞬態(tài)測試樣機的硬件布局

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

器件處理開路狀態(tài)，一定的輻照強度的白光LED光源作為偏置光，另一束脈沖激光器激發(fā)產生一個擾動光電壓，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，一定偏置光強度下的載流子濃度的衰減，代表器件中載流子的復合過程。通過改變偏置光的強度，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，示波器采集采樣電阻兩端的電壓信號，通過歐姆定律轉化為光伏器件的瞬態(tài)電流信號，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度的偏置光下，脈沖光擾動造成的瞬態(tài)光電流響應以及衰減過程，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。通過對光電流衰減曲線積分得到器件中電荷抽取量。電荷復合速率越大，電荷抽取量越小，越不利于光電轉化效率的提高。

電荷抽取效率與電荷抽取時間以及載流子復合壽命緊密相關。通過改變偏置光的強度，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，分析載流子復合和電荷抽取性質，能夠為太陽能電池材料和結構的優(yōu)化設計提供實驗指導。

技術優(yōu)勢：

（1）自動化測試，包括光強程控，自動扣背景以及數據采集程控

（2）高性能數采，包括高穩(wěn)定性納秒激光器實現納秒時間分辨，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，實現不同器件的精確測量

（4）批量數據處理分析軟件，批量獲取多組測量擬合結果

實驗案例

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化效率且成本相對較低，是目前研究的熱點。以下針對3種不同參數鈣鈦礦太陽能電池進行穩(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)衰減動力學，以及電荷復合和電荷抽取情況。

首先，使用數字源表（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測試結果。填充因子 ，S1略高于S2，都遠小于S3；光電轉化效率， 比較光電轉化效率，S1和S2相當，約20%，都低于S3的22%。

圖 3鈣鈦礦電池I-V曲線結果

表1 I-V測試結果

為了驗證鈣鈦礦電池中的電荷復合和抽取情況，對3種規(guī)格的鈣鈦礦電池進行了TPV/TPC測試。圖4~6分別列出了三種鈣鈦礦電池S1~S3的TPV/TPC測試結果。擬合結果分別在表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致了載流子復合加劇; 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看到載流子復合時間從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，在相似偏置光電壓下，樣品S3 TPV相關的載流子壽命明顯高于樣品S1與S2，TPC相關的電荷抽取時間也遠遠小于樣品S1與S2。載流子復合越慢，電荷抽取時間越快，越利于光電轉化效率的提高，這些結果與穩(wěn)態(tài)I-V測試的結果中的太陽光譜下的光電轉化效率結果具有一致性。

圖4 鈣鈦礦電池樣品S1的TPV(a)和歸一化的TPC(b)動力學曲線

表2 鈣鈦礦電池樣品S1的TPV(a)和TPC(b)擬合結果

圖5 鈣鈦礦電池樣品S2的TPV(a)和歸一化的TPC(b)動力學曲線

表3 鈣鈦礦電池樣品S2的TPV(a)和TPC(b)擬合結果

圖6 鈣鈦礦電池樣品S3的TPV(a)和歸一化的TPC(b)動力學曲線

表4 鈣鈦礦電池樣品S3的TPV(a)和TPC(b)擬合結果

4. 結論

基于納秒 脈沖光源實現光電器件的瞬態(tài)光電測試，能夠實現光電器件中載流子復合和電荷抽取測量，獲取載流子擴散、復合以及缺陷捕獲等動力學過程，為表征和分析器件性能提供有力工具。另外針對不同的樣品測試要求，該測試系統(tǒng)能夠分別實現顯微測試和二維掃描測試。結合本公司長期積累的穩(wěn)態(tài)光電器件測試經驗，包括I-V測試，QE測試，光譜響應度測試，旨在實現太陽能電池一站式測試方案。

參考文獻

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