學術乾貨 有機太陽能電池的測試與表徵方法

2021-01-15 材料人
太陽能電池也叫光伏電池，其發電過程主要有三部分：第一，半導體材料吸收光能產生出非平衡的電子-空穴對或偶極子；第二，非平衡電子和空穴從產生處向勢場運動，這種運動可以是擴散運動，也可以是漂移運動；第三，非平衡電子和空穴在勢場的作用下向相反的方向運動而分離。在製作出太陽能電池後要對其進行測試和表徵，以反映所得電池的性能，主要有以下幾種測量和表徵方式：



在有機太陽能電池的表徵與測試技術中，I-V測試是最基本、最重要、最直接的測試方式。I-V測試系統，能夠得到器件以下參數：能量轉化效率、填充因子、短路電流和開路電壓，而這四個參數正是衡量電池性能好壞的最直接的標準。


該測試系統主要包括以下幾個組成部分：太陽光模擬器，數字源表，樣品架，電腦和標準電池。太陽光模擬器，顧名思義是一種模擬太陽光的設備，通常可按四種方式分類：測試面積、IEC等級、光源脈衝時間和光源種類。數字源表可緊密結合精密電壓源和電流源同時進行測量。基本的操作流程為：打開太陽光模擬器（如疝燈），通過透鏡聚焦和濾光片過濾後產生了的模擬太陽光。開燈預熱分鐘以後，用標準太陽能電池標定太陽光強，一般為個標準太陽。然後將樣品置於光束中央處，並與數字源表相連。啟動電學測試，由電腦記錄響應信號。暗電流的測試步驟相同，只是測試過程中在暗態中進行。



圖一 測量示意圖


量子點敏化電池I-V曲線測試問題

I-V 曲線 和 C-V 曲線 之間有什麼區別？

太陽能電池IV曲線原始數據處理



外量子測量效率（IPEC）：當光子入射到太陽能電池表面時，能量高于禁帶寬度的光子會激發活性層中的材料產生載流子，形成電流所產生的電子與所有入射的光子數之比稱。


外量子測量反映的是有機太陽能電池對不同能量的光子的響應，是考察電池質量的最基本的參數之一。其公式表達式為：



式中：


IPCE:外量子效率；


Nphotos：注入光子數；


Nelectrons：產生電子數；


Pin：入射光功率；


基本的測量過程：待光源穩定以後，啟動單色器，將光源調製成連續變化的單色光。單色光首先照射到樣品架的標準電池上，獲得各個波段光的強度。然後將待測器件安裝到樣品架，測試待測電池的光電信號響應。通過鎖相放大器將信號放大，最終由電腦計算出待測電池的光譜響應。



圖二 測量示意圖


太陽能電池IPCE測試

怎麼分析太陽能電池I-V曲線和IPCE？

染料敏化太陽能電池性能的測試方法

關於太陽能電池的IPCE表徵的問題



紫外可見光譜測試主要是測量活性層對紫外波段和可見光波段的吸收。這種測試方法能夠得到材料的吸收範圍、吸收峰值、成分比例和聚合程度等信息。活性層對光的吸收效率越高，產生的激子數量就越多。但是光的吸收只是反應電池工作過程中光吸收產生激子這一階段，因此這種方法是研究光電器件的主要輔助手段。


紫外可見光譜測試系統主要包括以下幾個部分：光源、單色器、樣品室、檢測器和電腦。測試的基本過程：首先將乾淨玻璃放入樣品室中，波長連續的光照到玻璃上，透射光強I0可通過探測器可以測得。因玻璃基本上不吸收入射光，反射光與加入活性層照射之後的反射光近似相等，故I0可認為是入射到活性層的初始光強。光強標定工作完成以後，將附有活性層薄膜的玻璃放入樣品室中進行透射測試，得到透射光強It，活性層吸收光強IA即為It與I0的差值。因此有機太陽能電池的吸收效率可以表示為：



圖三 紫外-可見光譜測試原理圖



原子力顯微鏡（AFM）：目前最為常用的測試薄膜表面形貌的顯微鏡系統。主要組成包括：力檢測、位置檢測和反饋系統。


AFM工作過程：當探針針尖與樣品表面接觸時，由於針尖與樣品表面原子之間存在力的作用，懸臂會因為這個力的作用發生微弱的形變，在掃描的過程中做上下起伏的運動。反射到雷射檢測器的雷射也會因此產生不同的偏移量。這些信號最後反饋到處理系統中，經過系統處理，得到薄膜表面三維形貌。



圖四 AFM及其工作示意圖


AFM可分為接觸式和非接觸式。非接觸模式下，探針與樣品之間具有大約數十至數百埃的距離，利用針尖與表面原子間的範德華引力的變化而產生表面輪廓，避免了針尖與樣品表面接觸時對樣品表面的汙染和傷害，是目前較為常用，表徵效果較好的一種模式。接觸模式可以獲得表面起伏較大的樣品的表面形貌。



掃描電子顯微鏡（SEM）：可以從各種角度對樣品進行觀察，著重分析了有機太陽能電池有機薄膜的的截面形貌（在掃描前可根據需要進行預處理）。其結構包括：鏡筒、信號收集處理器、信號顯示記錄系統和真空系統。


SEM工作過程：將一束極細的經過電場加速的電子束掃描樣品，在樣品表面激發出多種電子信號（二次電子、背散射電子、X射線、吸收電子、俄歇電子等），激發出的次電子與樣品的表面結構有關，次電子由探測器收集，並被轉化為光信號，經過光電倍增管和放大器將信號放大後轉變成電信號，最後被送至顯像管的柵極上並顯示出薄膜的掃描圖像。



圖五 SEM及其測量原理圖


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