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北京卓立漢光儀器有限公司

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從光譜響應(yīng)到Mapping分析:卓立漢光DSR系統(tǒng)如何賦能高效太陽能電池研發(fā)

閱讀:309      發(fā)布時間:2025-5-13
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近年來,隨著全球經(jīng)濟發(fā)展使能源需求劇增,傳統(tǒng)能源因其不*再生、污染等問題逐漸被新型能源所替代,太陽能作為一種清潔、可再生能源倍受研究人員的關(guān)注。鈣鈦礦太陽能電池、硅基太陽能電池等作為當下的研究熱點,其工藝已經(jīng)相當成熟且在商用市場上占據(jù)主導地位。在該領(lǐng)域中,目前的研究主要集中在提高光子-電子轉(zhuǎn)化效率(monochromatic Incident Photon-to-electron Conversion Efficiency,即IPCE)、降低成本和提升長期穩(wěn)定性上。例如,通過改進電池結(jié)構(gòu)、疊層材料、表面鈍化技術(shù)和摻雜工藝等,不斷挖掘太陽能電池的性能潛力。

在太陽能電池光電性能測試中,光譜響應(yīng)特性包含著太陽能電池光電轉(zhuǎn)換能力等許多重要信息。它不但能反映太陽能電池內(nèi)各層材料的質(zhì)量,也能反應(yīng)減反膜、輻照損傷和各個界面層的質(zhì)量。其主要參數(shù)包括:

光譜響應(yīng)(Spectral Responsivity,SR)

太陽能電池的光譜響應(yīng)表示對應(yīng)不同波長入射光能轉(zhuǎn)換成電能的能力,通常光譜響應(yīng)的定義為輸出電流與入射光功率之比,單位為安培每瓦特(A/W)。

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外量子效率(External Quantum Efficiency, EQE)

當不同波長的光子入射到太陽能電池的光敏區(qū)域時,光子會激發(fā)光敏材料產(chǎn)生電子和空穴,當有外電路時即形成電流。此時產(chǎn)生的電子個數(shù)與入射的光子個數(shù)之比,稱為太陽能電池的外量子效率。

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光子電子換轉(zhuǎn)效率(IPCE)

定義為單位時間內(nèi)外電路中產(chǎn)生的電子數(shù)與入射的單色光子數(shù)之比。IPCE 的概念更多用在光電化學類器件上,在定義上與EQE 是類似的。

內(nèi)量子效率(IQE)

內(nèi)量子效率(Internal Quantum Efficiency, IQE)用于衡量電池內(nèi)部吸收的光子轉(zhuǎn)化為可收集載流子的效率,不考慮入射光的反射損失。其計算需結(jié)合外量子效率(EQE)和表面反射率(R(λ)),具體方法如下:

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IQE 反映了電池內(nèi)部光吸收層的本征效率,可排除表面反射對量子效率的干擾,用于分析材料本身的光吸收和載流子收集能力。

北京卓立漢光儀器有限公司,成立于1999年,是專業(yè)從事光電分析測試儀器和精密光學機械運動控制的國內(nèi)*先企業(yè),可提供各種類型的光電測試解決方案,在太陽能電池、光電探測器領(lǐng)域可提供性能優(yōu)異的測試設(shè)備,如DSR600光電探測器光譜響應(yīng)度標定系統(tǒng)、DSR300微納器件光譜響應(yīng)度測試系統(tǒng)、DSR800瞬態(tài)光電性能測試系統(tǒng)、DSR900相機特性參數(shù)測試系統(tǒng)、SCS1000量子效率測試系統(tǒng)等等。從大面積電池到微納結(jié)構(gòu)電池,從短波紫外至遠紅外,從單點測試到面掃mapping可滿足客戶的各種實際測試需求。

25年4月,東北大學理學院交付了四套DSR測試系統(tǒng)(圖1-2)。


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(圖1-2:DSR 300/600系統(tǒng)實拍圖)

其中DSR300為專用于低維材料光電測試系統(tǒng),該系統(tǒng)集成高精度光譜掃描,光電流掃描以及光響應(yīng)速率測試??蛇x配不同倍率的消色差物鏡、反射式紫外物鏡,焦點光斑可達60μm(圖3),可實現(xiàn)百微米器件的絕對光譜響應(yīng)度測試。搭配了超高穩(wěn)定性氙燈光源,光譜范圍:250-1800nm,不穩(wěn)定性<1%,支持長時間的連續(xù)測試。此外也可擴展連續(xù)白光激光器,皮秒脈沖激光器,鹵素光源和黑體光源等等。該系統(tǒng)中集成了Keithley 24系列原表,測試量程從100μA到1A,分辨率高達10pA。光譜儀方面搭配了卓立漢光自制的omni-λ300三光柵光譜儀,實現(xiàn)紫外至紅外的切換,分辨率0.1nm,波長準確度±0.2nm,波長重復性±0.1nm,配備了6檔自動濾光片輪,可有效消除二級譜(圖4)。

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(圖3:DSR 300 內(nèi)部實拍圖)

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(圖4:DSR 300 選配光譜儀、光源、數(shù)據(jù)采集器)

圖5為該DSR300系統(tǒng)測試標準Si電池的響應(yīng)曲線:

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(圖5:Si電流輸出)

利用標準Si校準入射光功率后測得氧化鎵復合材料的光譜響應(yīng)度、IPCE/EQE、短路電流密度如下(圖6):

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(圖6:氧化鎵復合材料的IPCE)

下圖為東北大學安裝的另外兩套DSR600測試系統(tǒng)(圖7),它采用了集成化設(shè)計,將內(nèi)外量子效率、光譜響應(yīng)、透反射率、光束誘導電流和Mapping測試等功能集成到一套系統(tǒng)中,適用于各種大尺寸的光電探測器和太陽能電池如:單晶/多晶Si、銦鎵磷、砷化鎵、鍺、量子點電池等。搭配了疊層太陽能電池專用測試暗箱,極大的太高了光電轉(zhuǎn)換效率,還可添加針對不同位置的不同波長偏置光以驅(qū)動太陽能電池正常工作。

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(圖7:DSR 600測試系統(tǒng))

其中一套系統(tǒng)搭配了溴鎢燈光源,波長范圍900-2700 nm,為了采集紅外區(qū)域的微弱信號,還配備了卓立漢光自制的 DCS500PA鎖相放大器(圖8),滿偏靈敏度1nV-1V,時間常數(shù)10μS -1 KS,搭配電流放大器可采集到更加微弱的信號。

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(圖8 :DSR 600 選配光譜儀、光源、數(shù)據(jù)采集器)

利用銦鎵砷標準探測器采集到的溴鎢燈光源如下(圖9):

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(圖9 :InGaAs電流輸出)

利用標準InGaAs探測器校準入射光功率后測得 te-IR 的光譜響應(yīng)度、IPCE/EQE、短路電流密度如下(圖10):

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(圖10: te-IR的IPCE)

針對光譜范圍響應(yīng)比較寬的樣品,還可拓展氙燈鹵素燈雙光源,光譜范圍250-2600nm,(圖11)為氙燈+Si探測器在1100nm處切換至溴鎢燈+InGaAs探測器的響應(yīng)曲線:

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(圖11:雙光源電流輸出)

對于100mm*100mm以上較大面積的成品太陽能電池片,可以加裝Mapping組件以測試量子效率、響應(yīng)度等Maping數(shù)據(jù),從Mapping數(shù)據(jù)中得到關(guān)于電池片的少子擴散情況、電池片缺陷分布信息等。

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(圖12:MoS2的Mapping數(shù)據(jù))

以下例舉近三年利用卓立漢光DSR系統(tǒng)測試發(fā)表的文章,供您參考:

■Xiaojia  Xu,Shaoqiu  Ke,Tian  Ji.Stable Self-Powered Broadband PtSe2/Si Pin Infrared Photodetector Based on a High-Quality Ultrapure Intrinsic Si Film Exfoliated by Si/SOI Wafer Bonding[J].[2025-04-18].

■ Jie Hua , Zhuolin Zhan, Wenbo Song , Kuiyuan Gao , Jin Wang *,Efficient management of excitons in near-infrared organic light-emitting diodes employing interlayer sensitization strategy. Journal of Luminescence.Volume 282, July 2025, 121238

■ Huidong Zhang, Shuo Zhang, Xiaoyu Ji, Jingwen He, Huanxin Guo, Songran Wang, Prof. Wenjun Wu, Prof. Wei-Hong Zhu, Prof. Yongzhen Wu.Formamidinium Lead Iodide-Based Inverted Perovskite Solar Cells with Efficiency over 25?% Enabled by An Amphiphilic Molecular Hole-Transporter.09 April 2024.202401260.

■Ouyang H , Wang X , Li Y ,et al.High-performance solar-blind photodetector based on Si-doped α-Ga2O3 thin films grown by mist chemical vapor deposition[J].Journal of Alloys and Compounds, 2024, 1003(000):7.DOI:10.1016/j.jallcom.2024.175593.

■Ji, X., Zhang, S., Yu, F. et al. Efficient wide-bandgap perovskite solar cells with open-circuit voltage deficit below 0.4 V via hole-selective interface engineering. Sci. China Chem. 67, 2102–2110 (2024).

■Xiaoyu Ji1, Shuo Zhang1, Furong Yu1, Huidong Zhang1, Liqing Zhan1, Yue Hu2, WeiHong Zhu1, & Yongzhen Wu1*.Supplementary Information for Efficient wide-bandgap perovskite solar cells with opencircuit voltage deficit below 0.4 V via hole-selective interface engineering.

■Liu D , Zhang D , Wang Y ,et al.Fabricating S-scheme Sb2S3@CdSexS1–x quasi-one-dimensional heterojunction photoanodes by in-situ growth strategy towards photoelectrochemical water splitting[J].Journal of Materials Science & Technology, 2024, 201:250-260.DOI:10.1016/j.jmst.2024.02.049.

■ You J , Wang L , Zhang Y ,et al.Simulating tactile and visual multisensory behaviour in humans based on an MoS_(2) field effect transistor[J]. 2023, 16(5):7405-7412.

■ Ziyang He, Huan Liu, Fei Xie, Mingyu Bai, Shuai Wen, Jijie Zhao, Weiguo Liu, Lead Selenium Colloidal Quantum Dots for 400-2600 nm Broadband Photodetectors. Journal of Nanomaterials, vol. 2023, Article ID 2940382, 8 pages, 2023.

■ Yanshuang Ba, Weidong Zhu, Sunjie Huangfu, He Xi, Tianjiao Han, Tianran Wang, Dazheng Chen, Jincheng Zhang, Chunfu Zhang, Yue Hao. J. Mater. Chem. C, 2022;10, 17628-17637.

■ Yanshuang Ba, Xiaoping Xie, Weidong Zhu, Junxiao Ma, Gang Liu, Peng Dong, Dazheng Chen, Jincheng Zhang, Chunfu Zhang, Yue Hao. J. Mater. Chem. C, 2022,10, 3538-3546.

■ Qixiao Wu, Zheng Xu, S. Wageh, Ahmed Al-Ghamdi, Suling Zhao. The dynamic variation of upconversion luminescence dependent on shell Yb3+ contents in NaYF4: Yb3+,Tm3+@NaYF4: Yb3+,Er3+ nanoparticles. Journal of Alloys and Compounds, Volume 891, 2022, 162067.

■ Xiaoyu Zhu, Chuanlong Xu, Md. Moinul Hossain, Jian Li, Biao Zhang, Boo Cheong Khoo; Approach to select optimal crosscorrelation parameters for light field particle image velocimetry. Physics of Fluids 1 July 2022; 34 (7): 073601.

■ Zhang, Yu, Zilun Qin, Weiqing Nie, Ya-qi Li, Xiaomin Huo, Dandan Song, Bo Qiao, Zheng Xu, Swelm Wageh, Ahmed Al-Ghamdi and Suling Zhao. High‐Performance MAPbI3/PM6:Y6 Perovskite/Organic Hybrid Photodetectors with a Broadband Response. Advanced Optical Materials 10 (2022).

■ Guangcan Luo, Dan Yang, Xuxiang Guo, Yinye Yang, Shengyun Luo, Jing Zhang, Mei Long, Li Xiang, Qinghong Li, Tengfei Wang, Wei Li. Quasi-ohmic contact formation assisted by the back contact with Cu2Te nanoparticles@reduced graphene oxide composites for highly efficient CdTe solar cells. Journal of Alloys and Compounds, Volume 921, 2022, 166100.

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