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CIGS、CZTS、PSCs 半导体薄膜电池的显微光致发光实时候分辩光致发光丈量

CIGS是Copper indium gallium selenide的缩写,中文简称铜铟镓硒,CIGS是由IV族化合物衍生而来。CIS是一种间接带隙的半导体资料,其能隙为1.04 eV(77 K),当掺入恰当的Ga以替代局部In成为CuInSe2和CuGaSe2的固溶晶体为CuIn1-xGaxSe2,薄膜的禁带宽度可在1.04-1.7eV规模内调剂。
别的其光接收系数高达105cm-1,是已知的半导体资料中光接收系数高的,对太阳能电池基区光子的接收、多数载流子的搜集(即对光电流的搜集)长短常有益的前提。这便是CdS/CuInSe2太阳能电池(39 mA/cm2)具备如许高的短路电流密度的缘由。电池接收层的厚度能够下降到2~3μm,大大下降原资料的耗损。今朝由NREL记实的高转换效力为20%摆布。

 

CIGS基太阳能电池的典范架构

(摘取自:Wikipedia,检索词:Copper indium gallium selenide solar cells)
 

CZTS是Copper zinc tin sulfide的缩写,组分为:Cu2ZnSnS4,中文简称铜锌锡硫电池,铜锌锡硫化合物为一种间接带隙半导体,可用于薄膜太阳能电池的接收层。禁带宽度为1.4-1.5eV。基于此类资料还衍生出CZTSe 和CZTSSe,与CIGS有近似的光学和电学机能。今朝其转换效力仍远低于CIGS和CdTe,尝试室今朝记实的效力是11.0%基于CZTS和12.6%基于CZTSSe。

CZTSSe基太阳能电池的典范架构
(摘取自:"CZTSSe | PVEducation," [Online]. Available:http://www.pveducation.org/es/fotovoltaica/czts.)

PSCs是Perovskite Solar Cells的简称,中文简称钙钛矿型太阳能电池,钙钛矿是对活性层资料的布局统称,典范的资料是卤化铅甲胺(CH3NH3PbX3 perovskites,此中X代表卤族元素,X=I,Br,Cl)。其成长极其敏捷,光电转换效力在短短的10年间从3.8%到25%,更有各个范畴的专家推出钙钛矿/硅基叠层太阳能电池,钙钛矿/铜基薄膜叠层电池和全无机钙钛矿型太阳能电池等多元化的基于“钙钛矿”观点的太阳能电池,无望成为下一代太阳能电池的主力产物。
 


 

钙钛矿型太阳能电池的布局图

(摘取自:Mark Wolverton; Scilight  2018, 080003 (2018)DOI: 10.1063/1.5026230


半导体薄膜电池的光致发光(以下简称PL)实时候分辩光致发光(以下简称TRPL)表征意思

1)铜基半导体薄膜太阳能电池在PL表征意思—表征资料带隙1-1.5(2)eV

   资料经由进程搀杂以后,会显现差别的PL图谱(差别的带隙),对研讨资料的物理机理(间接带隙、间接带隙、缺点)具备根基及主要的表征意思。


Cu2ZnSn(SexS1-x)4薄膜的PL图谱[1]


TRPL(时候分辩光致发光)表征意思—丈量多数载流子寿命,推算载流子分散长度。


用TRPL的体例测试CZTSSe的少子寿命[2]

 
TDPL(温度依靠光致发光)表征意思—变温PL看资料的缺点

 
CZTS多晶的温度依靠PL图谱[3]


2)钙钛矿太阳能电池在显微PL表征意思—表征资料的呼应及器件荧光猝灭特征

   测钙钛矿太阳能电池器件的荧光强度,此时另有到场任务的电子传输层和空穴传输层,良多课题组城市研讨替代电子/空穴传输层的资料,来进步对电子/空穴的抽取,此时就发生荧光猝灭,荧光强度衰减,荧光寿命减短,IPCE进步;因为显微PL具备充足高的活络度,能够较着辨别荧光猝灭后的强度变更;


PVK与差别传输层构成的异质结的PL图谱[4]
 

   对半导体薄膜太阳能电池,荧光寿命的表征有助于研讨载流子分散长度/间隔,而在钙钛矿型太阳能电池里,钙钛矿半导体层作为器件构成的主要“基石”,针对资料自身停止TRPL乃至是显微TRPL的表征,有益于评价其资料品德及缺点。


CH3NH3PbI3(Cl) 薄膜的荧光成像及取点PL&TRPL丈量[5]

载流子重组进程,即自在电子-空穴发光是钙钛矿太阳能电池里最常被研讨的,也是最间接关乎其机能的进程[6]。立体异质结钙钛矿太阳电池除钙钛矿层具备壮大的光电机能,还须要电子传输层和空穴传输层为电子和空穴供给了自力的输运通道。构成的布局又分为n-i-p型和p-i-n型两种,此中钙钛矿层别离与电子传输层和空穴传输层构成两个界面, 在这两个界面上完成电子和空穴的疾速分手。经由进程PL绝对强度(或是量子产率)和TRPL的衰减时候变更,能够左证经由进程替代电子传输层、空穴传输层资料,电子空穴被疾速抽取,IPCE得以改进的成果。
测钙钛矿太阳能电池器件的寿命,此寿命在几十几百纳秒,以皮秒脉冲激光器搭配时候相干单光子计数器(TCSPC)能够完善笼盖亚纳秒到10μs时候标准的荧光寿命丈量。


用PL和TRPL反应CH
3NH3PbI3与差别资料传输层的彼此感化[7]


3)PL mapping丈量功效:设置装备摆设电动位移台及阵列探测器如CCD,看资料发展缺点,便于研讨制备工艺的改良;


图c,f别离为面板b,e的PL
 Mapping[8]


图a,c,e为光学图象,图b,d,f为别离对应的PL Mapping[9]

利用于薄膜电池PL及TRPL测试的显微PL体系

设置装备摆设表

设置装备摆设&功效 保举设置装备摆设及参数

显微PL光谱仪

显微PL光谱仪主机包罗:

1)显微光路模块,带内置(空间)光路、外置(空间)光路、光纤耦合输出,标配10X、50X、100X显微物镜,三维可调载物台;
2)样品监督CCD,≤1μm的成像空间分辩率;
3)320mm焦距科研级影象校订光谱仪;
4)紫外-可见TE制冷型PMT,光谱规模200-870nm;

稳态PL激起源

单模持续激光器:405nm、450nm、532nm、633nm;

瞬态PL激起源

脉冲激光器:405nm、450nm、532nm、633nm;

变温PL用高温恒温器

4K显微高温恒温器,4-300K,闭轮回;

65K显微高温恒温器,温度规模:65-500K,开轮回,液氮制冷;

近红外扩大探测器

紫外可见近红外TE制冷型PMT,光谱规模:200-950nm;

近红外扩大探测器

近红外TE制冷型PMT,光谱规模:950-1700nm;(局部铜基薄膜电池须要)

PL/EL mapping设置装备摆设

基于高光谱相机的线推扫,速率快;
高光谱相机的保举设置装备摆设:

①可见-近红外高光谱相机,光谱规模:400nm-1000nm,像素:1392*1040,USB2.0,0度制冷CCD,2.8nm光谱分辩率;
②NIR高光谱相机,光谱规模:900-1700nm,像素:320*256,USB2.0接口,5nm光谱分辩率;

基于显微PL体系共同电动位移台停止逐点扫描,探测器可选:

①CCD阵列探测器:200-1100nm;
②InGaAs阵列探测器:800-1700nm;

局部客户案例
 

客户装置装备

钙钛矿电池PL测试数据


钙钛矿电池TRPL测试数据

主机OmniFluo990为焦点光谱收罗,405nm ps脉冲激光器耦合显微光谱模块完成微区的PL和TRPL,77K显微高温样品台(温控规模:77.2-300K,液氮为冷媒)供给变温丈量情况。

卤化物钙钛矿资料的显微稳态PL丈量

激起源:405nm ps激光二极管,发生主峰在760nm摆布的发射峰。此中在77K温度下主峰是763nm,86000旌旗灯号强度,在150K温度下主峰是761nm,15000旌旗灯号强度。温度从77K到150K,峰位蓝移了2nm,并且旌旗灯号下降了。

卤化物钙钛矿资料的显微TRPL丈量

激起源:405nm ps激光二极管,在77K和150K温度前提下监测760nm发射的寿命衰减曲线。经由进程右图的对照也能够清楚的发明,150K的衰减较着快于77K的衰减。

铜锌锡硒电池的显微PL测试

参考文献

[1] M. Grossberg, J. Krustok, J. Raudoja, K. Timmo, M. Altosaar, T. Raadik.Photoluminescence and Raman study of Cu2ZnSn(SexS1−x)4 monograins for photovoltaic applications.Thin Solid Films,2011,519(21):7403-7406.

[2] Todorov, Teodor K,Tang, Jiang,Bag, Santanu,Gunawan, Oki,Gokmen, Tayfun,Zhu, Yu,Mitzi, David B. Beyond 11% Efficiency: Characteristics of State-of-the-Art Cu2ZnSn(S,Se)4 Solar Cells[J].Advanced Energy Materials,2013,3(1):34-38.

[3] M. Grossberg, T. Raadik, J. Raudoja, J. Krustok,Photoluminescence study of defect clusters in Cu2ZnSnS4 polycrystals[J].Current Applied Physics,2014,14(3):447-450.

[4] Liyan Yang, Yu Yan, Feilong Cai, Jinghai Li, Tao Wang.Poly(9-vinylcarbazole) as a holetransport material for efficient and stable inverted planar heterojunction perovskite solar cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells.2017,163:210-217.

[5] Dane W , disquieted, Sarah M , et al. Solar cells. Impact of microstructure on local carrier lifetime in perovskite solar cells.[J]. Science (New York, N.Y.), 2015.

[6] 王福芝,谭占鳌,戴松元,李永舫.立体异质结无机-无机杂化钙钛矿太阳电池研讨停顿,物理学报,2015, (3).

[7] You, J., Meng, L., Song, TB. et al. Improved air stability of perovskite solar cells via solution-processed metal oxide transport layers. Nature Nanotech,2016: 75–81.

[8] Liyan Yang, Yu Yan, Feilong Cai, Jinghai Li, Tao Wang.Poly(9-vinylcarbazole) as a hole transport material for efficient and stable inverted planar heterojunction perovskite solar cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells.2017,163:210-217.

[9] Xuan Liu, Xinxin Xia, Qiuquan Cai, Feilong Cai, Liyan Yang, Yu Yan, Tao Wang.Efficient planar heterojunction perovskite solar cells with weak hysteresis fabricated via bar coating[J].Solar Energy Materials & Solar Cells,159 (2017) :412–417.

 

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