一種多結太陽電池中各吸收層材料螢光壽命無損測量方法與流程
2023-05-17 22:28:22
本發明涉及一種多結太陽電池吸收層材料螢光壽命測試方法，具體涉及一種多結太陽電池中各吸收層材料螢光壽命無損測量方法，屬於半導體材料測試領域。
背景技術：
多結太陽電池通過多層禁帶寬度不同的半導體吸收材料，實現了寬光譜範圍內太陽光子能量的高效收集與利用，從而獲得了高的光電轉換效率。新一代的高效多結太陽電池，大量使用含鋁的寬禁帶半導體吸收材料與複雜多元窄禁帶半導體吸收材料。這些材料受製備方法與工藝參數的影響，其電學特性與材料質量，特別是材料體內各種深能級缺陷與複合中心，有著緊密的關聯。多結太陽電池材料中的能級缺陷與複合中心使得太陽電池內載流子的分離與輸運產生較大困難，使太陽電池的性能出現大幅下降。因此，高質量的半導體材料是高效太陽電池的關鍵。
螢光壽命是指當某種物質被一束雷射激發後，該物質的分子吸收能量後從基態躍遷到某一激發態上，再以輻射躍遷的形式發出螢光回到基態，當激發停止後，分子的螢光強度降到激發時初始強度的1/e所需的時間，也表示粒子在激發態存在的平均時間。材料螢光壽命是表徵半導體材料質量的一個有效手段。螢光壽命反應出材料體內載流子在材料體內輸運過程中受到本徵缺陷能級、雜質能級、晶格散射等作用等綜合效果。一般地，較長的螢光壽命意味著較好的材料質量。在高效太陽電池研製與生產過程中，螢光壽命已成為反映太陽電池吸收層材料質量的重要參數。
常規的螢光壽命測試方法，是對不同厚度具備雙異質結結構的材料進行壽命測試，根據R.K.Ahrenkeil等在論文「Measurement of minority-carrier lifetime by time-resolved photoluminescence，Solid-State Electronics, Vol. 35, No.3, pp. 239-250,1992」中給出的方法，推算材料螢光壽命。這種方法雖可較準確地獲取螢光壽命，但需製備大量具備雙異質結結構的材料，增加了測試成本。此外，多結太陽電池在器件製備過程中會經曆元素擴散、高溫退火、合金等過程，對材料質量也會產生影響，這種方法無法原位地反映出經歷一
系列太陽電池器件工藝後吸收材料的螢光壽命，對太陽電池吸收層材料質量的優化與改進工作指導意義有限。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種多結太陽電池中各吸收層材料螢光壽命無損測量方法，該方法能夠實現無損地在多結太陽電池器件中完成各吸收層材料質量的衡量，獲得經歷複雜器件工藝後太陽電池吸收層材料的螢光壽命，對太陽電池吸收層材料質量的優化與改進工作具有重要的指導意義。
為了達到上述目的，本發明提供了一種多結太陽電池中各吸收層材料螢光壽命無損測量方法，該方法具體包含：
步驟1：使單色光源經狹縫照射多結太陽電池某子電池吸收層材料進行激發，對吸收層材料發射的光子進行檢測，獲得發射光子數與計數時間的關係數據；
步驟2：根據所得的發射光子數與計數時間的關係數據，結合檢測系統自身響應特性數據，通過將這些數據解卷積後進行單指數或多指數擬合，獲得步驟1中發射光子壽命數據；
步驟3：調整單色光源的功率密度後重複步驟1與步驟2，並多次重複上述過程，獲得在該單色光源不同功率密度下發射光子壽命數據；
步驟4：對步驟3獲得的不同功率密度下發射光子壽命數據繪圖，根據圖中發射光子壽命在不同功率密度下的變化趨勢，獲得與發射光子最大壽命相對應的光源功率密度；
步驟5：將單色光源功率密度固定為獲得發射光子最大壽命時的功率密度，逐漸減小照射多結太陽電池樣品的光斑面積，重複步驟1與步驟2獲得不同光斑直徑下的發射光子壽命數據；
步驟6：對步驟5獲得的發射光子壽命數據繪圖並外推，外推獲得的發射光子壽命即為該吸收層材料的螢光壽命；
步驟7：更換光源波長，使其形成對下一子電池吸收層材料的近邊激發，重複上述步驟，獲得下一子電池吸收層材料的螢光壽命，最終獲得多結太陽電池各吸收層材料螢光壽命。
所述的單色光源是脈衝式光源，光源脈衝頻率在0.1KHz-80MHz之間。
所述的單色光源包括單波長雷射器、配有單色儀的連續波長雷射器、染料雷射器、氙燈和滷素燈。
所述的單色光源的波長接近並小於或等於待測吸收層材料的發射波長。
步驟1中所述的激發是指近邊激發，所述的檢測是通過將發射光子純化後引入高靈敏檢測器進行檢測。
步驟1中所述的發射光子純化是指通過將發射光子經單色儀，並將單色儀內光柵設置在發射光子的波長處，進行純化。
步驟1中所述的發射光子數與計數時間的數據和關係採用時間關聯單光子計數技術獲得。
步驟2中所述的檢測系統自身響應特性數據通過將檢測系統的材料樣品替代多結太陽電池，單色光源照射，連接檢測器的單色儀內光柵設為與單色光源相同的波長，並採用時間關聯單光子計數技術獲得。
步驟5中所述的減小光斑面積是通過將狹縫的寬度減小實現。
步驟6中所述的數據繪圖並外推是以光斑直徑為橫坐標、發射光子壽命為縱坐標繪圖，對圖中近線性部分數據進行合理的外推，其趨勢線與縱坐標交於一點。該點對應的發射光子壽命等同於該吸收層材料的螢光壽命。
本發明提供的一種多結太陽電池中各吸收層材料螢光壽命無損測量方法，解決了現有技術無法原位地反映出經歷一系列太陽電池器件工藝後吸收層材料的螢光壽命的問題，具有以下優點：
該方法與已有技術相比，不需要製備大量具備雙異質結結構的材料，降低了成本；通過對獲得的發射光子壽命和檢測系統自身響應特性數據進行解卷積，消除了在測試過程中可能產生的光子「堆積」效應和檢測系統自身響應對發射光子壽命的影響，實現螢光壽命無損測試；通過固定與最大發射光子壽命對應的光源功率密度，並測試不同光斑直徑下的螢光壽命，通過外推法得到吸收層材料的螢光壽命，消除了外在因素光源和光斑面積對吸收層材料螢光壽命的影響；該方法能夠有效地指導高效太陽電池吸收層材料質量的改善與電池性能的提升。
附圖說明
圖1為本發明提供的一種多結太陽電池中各吸收層材料螢光壽命無損測量方法的工藝流程圖。
圖2為單色光源不同功率密度照射下提取的InGaP吸收層材料發射光子計數與計數時間關係圖。
圖3為單色光源不同功率密度照射下提取的InGaP吸收層材料發射光子壽命與功率密度關係圖。
圖4為固定功率密度不同光斑直徑的單色光源照射下提取的InGaP吸收層材料發射光子壽命與光斑直徑的關係圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發明的技術方案做進一步的說明。
如圖1所示，本發明用於提供一種多結太陽電池中各吸收層材料螢光壽命無損測量方法，通過材料受激發後發射的光子的壽命獲得材料的螢光壽命。以具有InGaP／GaInAs／Ge結構的三結太陽電池各吸收層材料的螢光壽命測量為例，該方法具體步驟如下：
步驟1：使用Fianium生產的皮秒級超連續白光雷射器，將雷射器頻率設為20MHz，並連接一組兩個級連的300mm規格的單色儀，實現光源的單色化。對於InGaP子電池吸收層材料，調整單色儀內光柵位置，使得獲得波長為631nm的單色光。該單色光通過一狹縫後照射至待測三結太陽電池表面，光斑直徑為140μm，對三結太陽電池中InGaP子電池吸收層材料進行近邊激發。InGaP子電池吸收層材料受激後發射波長為650nm的光子。將出射的光子引入至另一組兩個級聯的300mm規格的單色儀，並將單色儀內光柵設在650nm處，濾除出射光子中混雜的其它波長的光子。將純化後的發射光子引入R3809U-50超快檢測器，並採用時間關聯單光子計數技術，獲得發射光子數與計數時間的關係數據；
步驟2：使用平整的Teflon樣品替代三結太陽電池，並且連接檢測器的單色儀內光柵設為與單色光源相同的波長，採用時間關聯單光子計數技術，獲得檢測系統自身響應特性數據，並對步驟1所獲得的發射光子數與計數時間的關係數據進行解卷積，消除在測試過程中可能產生的光子「堆積」效應。對解卷積後的數據進行單指數或多指數擬合，獲得三結太陽電池InGaP子電池吸收層材料受激後發射光子壽命。
步驟3：調整單色光源的功率密度後重複步驟1與步驟2，並多次重複上述過程，如圖2所示，獲得在該激發光源的不同功率密度下發射光子壽命數據。
步驟4：對步驟3獲得的發射光子壽命數據繪圖，如圖3所示，根據發射光子壽命在該光源不同功率密度下的趨勢，獲得發射光子最大壽命。
步驟5：將單色光源功率密度固定為獲得發射光子最大壽命時的功率密度，減小狹縫寬度，使照射在三結太陽電池的光斑直徑從140μm逐漸減小至18μm，在此過程中重複步驟1與步驟2，獲得不同照射光斑直徑下InGaP子電池吸收層材料受激發射光子的壽命數據。
步驟6：如圖4所示，以光斑直徑為橫坐標、發射光子壽命為縱坐標繪圖，對圖中近線性部分數據進行合理的外推，其趨勢線與縱坐標交於一點。該點所對應的發射光子壽命即為待測InGaP子電池吸收層材料的螢光壽命。可以看出，吸收層材料的螢光壽命約為2ns。
步驟7：將與超連續白光雷射器連接的單色儀內光柵調整至850nm處，實現對三結太陽電池GaInAs子電池吸收層材料的近邊激發；使用R2658P檢測器，並將與檢測器連接的單色儀內光柵調整至885nm處，通過時間關聯單光子計數技術，以獲得發射光子數與計數時間的關係並提取壽命數據。與InGaP子電池吸收層螢光壽命測量過程類似，通過改變光源功率密度、改變照射光斑直徑等一系列測量與數據處理，可獲得三結太陽電池GaInAs子電池吸收層材料的螢光壽命。
步驟8：將與超連續白光雷射器連接的單色儀內光柵調整至1650nm處，實現對三結太陽電池Ge子電池吸收層材料的近邊激發；使用H10330B-75檢測器，並將與檢測器連接的單色儀內光柵調整至1850nm處，通過時間關聯單光子計數技術，以獲得發射光子數與計數時間的關係並提取壽命數據。與InGaP子電池吸收層螢光壽命測量過程類似，通過改變光源功率密度、改變照射光斑直徑等一系列測量與數據處理，可獲得三結太陽電池Ge子電池吸收層材料的螢光壽命，從而獲得具有InGaP／GaInAs／Ge結構的三結太陽電池各吸收層材料的螢光壽命。
綜上所述，本發明用於提供一種多結太陽電池中各吸收層材料螢光壽命無損測量方法，該方法解決了無法原位地反映太陽電池的螢光壽命的問題，通過檢測太陽電池材料的發射光子壽命獲得材料的螢光壽命，並實現無損測試，能夠指導太陽電池吸收層材料質量的優化以及電池性能的提高。
儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。