[发明专利]一种用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪

说明书

本发明公开了一种多结太阳能电池的微区光电测试仪，包括可调谐激光模块、激光处理模块、光学斩波器、偏置白光模块、滤波片组、双光路光学显微镜、扫描模块、显微电学夹具、电源及电学测试单元和标准电池。可调谐激光和激光处理模块为多结电池微区测试提供信号光，信号光通过光束斩波模块进行调制，偏置白光模块和滤波片组提供偏置光，通过双光路光学显微镜将信号激光和偏置光聚焦到太阳能电池上，通过相机同步实时成像监测测试过程，显微电学夹具与电源及电学测试单元相连提供偏置电压和电信号的测试。该仪器特色是无需其他屏蔽系统、可实时同步监测、高精度、快速且无损实现亚微米空间分辨率、多光谱响应的多结太阳能电池微区光电转换特性测试。

技术领域

本发明涉及一种用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪,属于太阳能电池微区测试技术领域。

背景技术

随着全球各国对碳中和的全面推进，清洁、可再生能源备受世界各国的重视与支持，其中太阳能电池技术的发展近年来尤为迅猛，传统电池的效率不断优化，新兴材料电池不断提出，电池器件的研究尺度也越来越小。由于单结电池的效率极限仅为33％，大部分的入射光能无法有效利用，会转换为热能等其他形式的能量，因而多结电池的发展成为高效率太阳能电池研究的必由之路，目前已经有多结砷化镓电池、钙钛矿多结电池、有机多结电池、钙钛矿-硅多结电池等一系列多结电池被提出，且发展迅猛，截止2020年4月，多结太阳能电池的实验效率最高已经达到了47.1％(143倍聚光条件)，展现出了多结太阳能电池强大的发展潜力。目前多结太阳能电池的光电性能表征大多停留在宏观尺度，例如宏观的多结电池伏安特性测试，量子效率测试等等，这些宏观尺度的测试结果反应了一个较大区域(通常大于毫米尺度)的光电性能的平均情况，限制了多结太阳能电池的研究范围。

近二十年来，纳米光子学得到了迅猛发展。研究表明，微纳尺度上陷光结构可能会进一步提升多结电池效率；而通常薄膜电池中的存在的缺陷和晶粒通常也在微纳尺度，建立这些微纳尺度的缺陷和晶粒结构对器件电学特性的影响对未来进一步设计更好的材料、工艺体系至关重要。此外，微纳结构的光响应通常的波长依赖的，因此多光谱响应的测试手段才能真正解析多结电池的光电特性。

多结电池的显微表征技术主要是扫描电子显微技术及阴极射线荧光成像，这些测试手段提供了微观尺度上的形貌信息、材料缺陷信息、发光信息，然而，电子束会对器件表面造成损伤，而且由于电子束穿透深度受限，仅能分析器件的表面性能。

因此，多结太阳能电池(为两个或多个子电池串联而成，为“多结”，是由多个PN结串联而成的一种太阳能电池)的微区无损光电测试技术仍有待发展。激光束诱导光电流是一种用于单结太阳能电池的无损方法，在这一技术中，通常利用激光作为信号激励，并通过对激光进行扫描的方式，逐点记录器件的光电流响应，最终形成扫描区域光电流像。如果将激光引入显微系统，可大幅度提升激光束诱导光电流成像或扫描光电流谱的空间分辨率，而目前的微区激光诱导光电流成像技术仅能用于单结电池，而现有多结电池具有其特殊性——其各结子电池为串联，器件总电流由电流最低的子电池决定，因此仅有单束激光无法满足电池的电流匹配条件，无法实现精确测试多结电池的微区测试。为了实现多结电池的微区光电信号精确提取，需解决如下几方面的技术问题：

(1)在显微系统中，需提出微区的测试新方案，进而实现各结子电池的光电流信号的准确测试。在测试待测子电池的光电流时，其他子电池的局域区域需达到电流饱和条件，且整个器件需达到合适的偏置条件。

(2)在显微测试中，如何实现激光与样品的实时位置的同步监测？若采用白光照明，由于白光照明会带来额外的偏置电流，即便后续采用电流放大器加锁相的方案，偏置电流同样导致这些仪器量程必须选择大量程，会牺牲测试精度甚至无法测试。

(3)微纳结构的光响应通常的波长依赖的，因此多结电池的多光谱响应微区测试手段同样有待发展。

发明内容