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    鈣鈦礦太陽能電池的光致發光及時間分辨光致發光方案

    2021-03-19 16:26:24  來源:卓立漢光

    鈣鈦礦太陽能電池簡介

    鈣鈦礦太陽能電池是一種新結構的產品,是利用鈣鈦礦型的有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池,其發展極為迅速,光電轉換效率在短短的10年間從3.8%到25%,更有各個領域的專家推出鈣鈦礦/硅基疊層太陽能電池,鈣鈦礦/銅基薄膜疊層電池以及全無機鈣鈦礦型太陽能電池等多元化的基于“鈣鈦礦”概念的太陽能電池,有望成為下一代太陽能電池的主力產品。

     

    鈣鈦礦太陽能電池的PL及TRPL表征意義

    1)對于半導體薄膜太陽能電池,熒光壽命的表征有助于研究載流子擴散長度/距離,而在鈣鈦礦型太陽能電池里,鈣鈦礦半導體層作為器件組成的重要“基石”,針對材料本身進行TRPL甚至是顯微TRPL的表征,有利于評估其材料質量及缺陷。

     

    CH3NH3PbI3(Cl) 薄膜的熒光成像及取點PL&TRPL測量[1]

    2)載流子重組過程,即自由電子-空穴發光是鈣鈦礦太陽能電池里*常被研究的,也是*直接關乎其性能的過程[2]。平面異質結鈣鈦礦太陽電池除了鈣鈦礦層具有強大的光電性能,還需要電子傳輸層和空穴傳輸層為電子和空穴提供了獨立的輸運通道。組成的結構又分為n-i-p型和p-i-n型兩種,其中鈣鈦礦層分別與電子傳輸層和空穴傳輸層形成兩個界面, 在這兩個界面上實現電子和空穴的快速分離。通過PL相對強度(或是量子產率)以及TRPL的衰減時間變化,可以佐證通過替換電子傳輸層、空穴傳輸層材料,電子空穴被快速抽取,IPCE得以改良的結果。

     

    PL和TRPL反饋CH3NH3PbI3與不同材料傳輸層的相互作用[3]

    “量體裁衣”的PL&TRPL解決方案

    鈣鈦礦型太陽能電池在藍綠光波段都有較好的吸收,材料帶隙主要集中在1.6eV附近,搭配藍光激光器作為PL激發源即可輕松實現穩態PL采集。

    另外鈣鈦礦太陽能電池的熒光壽命衰減尺度主要覆蓋亞納秒到數微秒,以皮秒激光器作為激發源,結合TCSPC(時間相關單光子計數)的時域測量方法,可實現光譜范圍覆蓋470-870nm,時間尺度覆蓋100ps-10μs的TRPL測量。

    方案特色

    • 445nm連續激光器,450nm皮秒脈沖激光器作為激發源,保證激發效率的同時兼顧較寬波段的PL測量范圍;
    • 320mm焦距影像校正光譜儀配置低噪聲制冷型光電倍增管,毫無保留的科研級性能;
    • 高靈敏度TCSPC測量方法,納秒微秒壽命尺度的經典選擇;
    • 熒光壽命衰減曲線*高支持四階指數擬合;
    • 低溫光譜模塊、顯微光譜模塊可選;

    主機


    鈣鈦礦電池PL&TRPL測試系統

    常見問與答

    問:Hi卓立,我想請問我的體系有些帶隙寬一些,能否選擇波長短一些的激光器,價格會不會貴很多?

    答:老師您好,目前我們選擇的450nm左右這個激發波長是符合主流鈣鈦礦電池的PL和TRPL測量,如果您需要選擇更短波長的還有例如375nm和405nm可選,尺寸一致直接可以用,完全沒有問題,405nm與450nm價格相當,375nm會稍微貴一些喔。

    問:我看你們上面還推薦了顯微PL系統,跟你這次主推的系統有什么差別?我到底該如何選呢?

    答:老師您好,您看得很仔細!顯微PL通過物鏡聚焦,激發效率更高,收光角大,所以獲取信號的能力遠高于宏光路PL系統,還可以做微區PL,PL mapping,性能優,價格高!是眾多光電半導體材料如三五族半導體、二維材料等的PL測量。

    但是鈣鈦礦電池具有極優的光電效應,毫不夸張的說,熒光信號很強,舉個例子,現在鈣鈦礦電池效率做到20%左右也是中上水平了,我們此次主推宏光路PL系統是完全可以滿足測量的。事實上我們很難去量化PL信號,所以我們會以電池轉換效率做參考,另外也可以做些樣品驗證。總而言之,顯微PL肯定是更好!

     

    使用卓立漢光設備測試的數據 

    CsPbBr3的變溫PL及變溫TRPL測量

    V2O5 摻雜劑補充于空穴傳輸材料Spiro-Omitted,調節空穴傳輸層的能級并有效地提升空穴傳輸性能[4]

    參考文獻

    [1] 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.

    [2] 王福芝,譚占鰲,戴松元,李永舫.平面異質結有機-無機雜化鈣鈦礦太陽電池研究進展,物理學報,2015, (3).

    [3] 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.

    [4] High performance and stable perovskite solar cells using vanadic oxide as a dopant for spiro-OMeTAD[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7(21):13256-13264.

    [5] Xu Z , Wu J , Wu T , et al. Tuning the Fermi Level of TiO2 Electron Transport Layer through Europium Doping for Highly Efficient Perovskite Solar Cells[J]. Energy Technology, 2017.


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