有机太阳能电池的测试与表征方法

太阳能电池也叫光伏电池,其发电过程主要有三部分:第一,半导体材料吸收光能产生出非平衡的电子-空穴对或偶极子;第二,非平衡电子和空穴从产生处向势场运动,这种运动可以是扩散运动,也可以是漂移运动;第三,非平衡电子和空穴在势场的作用下向相反的方向运动而分离。在制作出太阳能电池后要对其进行测试和表征,以反映所得电池的性能,主要有以下几种测量和表征方式:

1、I-V测试系统

在有机太阳能电池的表征与测试技术中,I-V测试是最基本、最重要、最直接的测试方式。I-V测试系统,能够得到器件以下参数:能量转化效率、填充因子、短路电流和开路电压,而这四个参数正是衡量电池性能好坏的最直接的标准。

该测试系统主要包括以下几个组成部分:太阳光模拟器,数字源表,样品架,电脑和标准电池。太阳光模拟器,顾名思义是一种模拟太阳光的设备,通常可按四种方式分类:测试面积、IEC等级、光源脉冲时间和光源种类。数字源表可紧密结合精密电压源和电流源同时进行测量。基本的操作流程为:打开太阳光模拟器(如疝灯),通过透镜聚焦和滤光片过滤后产生了的模拟太阳光。开灯预热分钟以后,用标准太阳能电池标定太阳光强,一般为个标准太阳。然后将样品置于光束中央处,并与数字源表相连。启动电学测试,由电脑记录响应信号。暗电流的测试步骤相同,只是测试过程中在暗态中进行。

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图一 测量示意图

2、外量子效率(IPCE)测试系统

外量子测量效率(IPEC):当光子入射到太阳能电池表面时,能量高于禁带宽度的光子会激发活性层中的材料产生载流子,形成电流所产生的电子与所有入射的光子数之比称。

外量子测量反映的是有机太阳能电池对不同能量的光子的响应,是考察电池质量的最基本的参数之一。其公式表达式为:

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式中:

IPCE:外量子效率;

Nphotos:注入光子数;

Nelectrons:产生电子数;

Pin:入射光功率;

基本的测量过程:待光源稳定以后,启动单色器,将光源调制成连续变化的单色光。单色光首先照射到样品架的标准电池上,获得各个波段光的强度。然后将待测器件安装到样品架,测试待测电池的光电信号响应。通过锁相放大器将信号放大,最终由电脑计算出待测电池的光谱响应。

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图二 测量示意图

3、紫外-可见光谱测试系统

紫外可见光谱测试主要是测量活性层对紫外波段和可见光波段的吸收。这种测试方法能够得到材料的吸收范围、吸收峰值、成分比例和聚合程度等信息。活性层对光的吸收效率越高,产生的激子数量就越多。但是光的吸收只是反应电池工作过程中光吸收产生激子这一阶段,因此这种方法是研究光电器件的主要辅助手段。

紫外可见光谱测试系统主要包括以下几个部分:光源、单色器、样品室、检测器和电脑。测试的基本过程:首先将干净玻璃放入样品室中,波长连续的光照到玻璃上,透射光强I0可通过探测器可以测得。因玻璃基本上不吸收入射光,反射光与加入活性层照射之后的反射光近似相等,故I0可认为是入射到活性层的初始光强。光强标定工作完成以后,将附有活性层薄膜的玻璃放入样品室中进行透射测试,得到透射光强It,活性层吸收光强IA即为It与I0的差值。因此有机太阳能电池的吸收效率可以表示为:

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图三 紫外-可见光谱测试原理图

4、原子力显微镜测试系统

原子力显微镜(AFM):目前最为常用的测试薄膜表面形貌的显微镜系统。主要组成包括:力检测、位置检测和反馈系统。

AFM工作过程:当探针针尖与样品表面接触时,由于针尖与样品表面原子之间存在力的作用,悬臂会因为这个力的作用发生微弱的形变,在扫描的过程中做上下起伏的运动。反射到激光检测器的激光也会因此产生不同的偏移量。这些信号最后反馈到处理系统中,经过系统处理,得到薄膜表面三维形貌。有机太阳能电池的测试与表征方法有机太阳能电池的测试与表征方法

图四 AFM及其工作示意图

AFM可分为接触式和非接触式。非接触模式下,探针与样品之间具有大约数十至数百埃的距离,利用针尖与表面原子间的范德华引力的变化而产生表面轮廓,避免了针尖与样品表面接触时对样品表面的污染和伤害,是目前较为常用,表征效果较好的一种模式。接触模式可以获得表面起伏较大的样品的表面形貌。

5、扫描电子显微镜测试系统

扫描电子显微镜(SEM):可以从各种角度对样品进行观察,着重分析了有机太阳能电池有机薄膜的的截面形貌(在扫描前可根据需要进行预处理)。其结构包括:镜筒、信号收集处理器、信号显示记录系统和真空系统。

SEM工作过程:将一束极细的经过电场加速的电子束扫描样品,在样品表面激发出多种电子信号(二次电子、背散射电子、X射线、吸收电子、俄歇电子等),激发出的次电子与样品的表面结构有关,次电子由探测器收集,并被转化为光信号,经过光电倍增管和放大器将信号放大后转变成电信号,最后被送至显像管的栅极上并显示出薄膜的扫描图像。

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图五 SEM及其测量原理图

来源:材料人

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