QE-R太阳能电池量子效率/光谱响应/IPCE测量仪

型号 : QE-R

QE-R是光焱科技独家研发的高性能太阳能电池量子效率/光谱响应测试系统,适用于量测各种材料的太阳能电池,适合高校、 研究所和企业的高端研发与生产品质管理使用。QE-R整合高端光学量测系统、稳定硬体性能以及独家配备双光路双锁相放大 器设计,大幅提升量测结果之准确性与重复性(最高可达99.8 %)。采用单色光单位面积光强,在测试中提供极佳的信噪比, 以及最快且最稳定的量测速度。此外,光焱科技能依据客户需求,客制化硬体扩展功能,以及完善整合系统,使设备发挥 一机多用的最大效能。

 主 要 功 能 

 EQE、IQE量子效率/光谱响应 /IPCE量测

● 各种光谱短路电流密度计算 Jsc

● 可实现向上打光设计

● 超大样品室,可放置35 cm x 35 cm大样品

● 可与手套箱、真空箱等设备整

● 宽光谱反射率测量范围:250 nm-2500 nm

● 宽光谱透射率测量范围:200 nm-1800 nm

● 大尺寸样品透射率测试

● 快速反射率测试功能

● 频率信号监控功能

● 多点测量、包含Mapping扫描

● 光致诱导电流测量 LBIC

● 摄像头形貌显示功能

● 禁带宽度计算

● 可同步测量直流和偏置光


  高  端  光  学  设  计 

◆ 单色光光强:530 nm 2mW/cm²

采用Xe光源,于530 nm处单色光Irradiance强度接近 2 mW/ cm²,接近AM1.5G光谱Irradiance,使得设备整体 有很高的信噪比,并能获得更准确的测试结果。

单色光光强与AM1.5G 同量级

75 W氙灯比他牌300 W光源有更好的功率。


光斑面积

避开栅线,测量更加准确


项目 规格
量子效率测量系统 a. 测量波长:300-1100nm(可扩展)
b. 各波长测量重复性:
  • 300-390 nm,平均重复性≧±99.4 %
  • 400-1000 nm,平均重复性≧±99.6 %
  • 其他波长平均重复性≧±99 %
c. 短路电流密度重复性≧±99.6 %
d. 重复性=(最大值-最小值)/(最大值+最小值)=100%
e. 测量时间:300-1100 nm,扫描间隔10 nm,测量不超过3分钟
f. 测量暗箱:60cm
光源系统 a. 75 W Xe灯光源
b. 波长范围:250-1800 nm (EQE和IQE)
c. 高效率、高反射率椭圆反射镜集光系统
d. 光源可提供300-2500 nm连续波长
e. 双光源系统切换设置
f. 切换间距:75 mm
g. 切换分辨率:±0.05 mm
h. 切换速度:10-200 mm/s
i. 波动:<0.1 %(锁定在530 nm下获得多点测量结果)
j. 长时间不稳定度:<0.2 %(3小时内)
(以晶硅探测器为每小时测量的标准样品,并获得完整测量范围的平均值)
(Average ( | EQE_3H – EQE_0H | / (3Hr) ) = stability (%/Hr)_average value)
k. 灯源定时器
单色仪 a. Czerny-Turner式单色仪
b. 焦长<120 mm
c. F/#:3.9
d. 杂散光< 10-5
e. 波长分辨率:≦1 %
f. 扫描间隔:0.1 nm-50 nm,一般10 nm
光源成像系统 a. 光斑面积:
  • 方形1 x 1 mm2,或长方形1 x 4 mm2
  • 1.5 x 4 mm2
  • 2 x 2 mm2
  • 皆可调整
b. 光源从上至下照射,方便样品放置并测量样品
c. 全波长反射镜反射率>75 %
d. 单色光光强:2 mW/cm2 @ 530 nm
e. 光学入射角:8°角
f. 有效样品操作距离>10 cm
光斩波器 a. 频率范围10~450 Hz
b. 可计算控制频率
c. 频率辨别率可达0.01 Hz,稳定度<±0.05 Hz
d. 频率改变所需稳定时间<3秒
自动滤波片转轮系统 a. 光学式滤镜转轮
b. 自动控制或手动控制
c. 具备LED显示器显示目前位置
d. 配备4片滤波片
锁相放大器模块 a. 双信道DSP锁相放大功能
b. 最大量测撷取速度<25 us(单点)
c. 双信道锁相同步量测速度<50 us
d. 双通道时间延迟<1 us
e. 时间常数可自行设置:0.001~100 sec
f. 衰减滤波器
g. RXYθ量测功能
h. USB界面接口
i. 最大增益:107
j. 最大灵敏度:1 nA
k. 最大输入电压:10 V
l. Bandpass filter带通滤波功能,自动滤除干扰信号
m. 信道自动切换功能
校正探测器 a. Si探测器:300-1100 nm
b. BNC接口
c. 面积10 x 10 mm2,不均匀度为千分之五
d. 附标定证书,溯源到美国NIST
e. 计算机控制切换探测器通道
光强监控反馈功能 a. 光强监控反馈标准组件
b. 监控反馈范围:与EQE波长相同
c. 反馈电路用锁相放大器
d. DSP锁相输入
e. 即时反馈能力
测量软件 a. 绝对光强校正
b. 光谱响应、外部量子效率EQE测量
c. 自动即时短路电流密度计算
d. 自动单波长短路电流计算
e. 内部量子效率计算
f. 禁带宽度分析
g. 数据收集与分析功能
h. 光谱失配因子计算(MMF)
i. 信号监控功能
j. Jsc整合
k. QE 曲线归一化
l. 数据保存格式txt.
显示示波器模块 a. 示波器显示窗口
b. 时域信号和频域信号测量分析显示能力
c. 最大时域范围10 S
d. 信号监控功能:可监测样品光电流讯号的产生和变化
e. 两组独立通道:EQE、IQE
f. 模拟输入分辨率:14 Bits (ADC 模拟数字转换器)
g. 取样率最大分辨率:48 KS/s
h. 最大显示电压范围±10 V,准确度7.73 mV
i. 最小读取电流1 nA
操作计算机 a.操作计算机,LCD屏幕
b.正版Windows 7 操作系统
c. RS232通信接口
屏蔽暗箱 a.一体式整合设备
b.防杂光屏蔽暗箱
c.标准60 cm暗箱操作空间


选件型号 选件项目 规格
QE-R-RCG3018 EQE近红外波长扩展1800 nm a. EQE近红外波长测量
b. 标准Ge探测器900-1800 nm
c. 波长范围300-1800 nm
d. Ge锗探测器专用锁相输入通道
e. 附标定报告
f. 近红外波长EQE软件测量功能
QE-R-IS3011 内部量子效率测量模块 a. 搭配两吋积分球,硫化钡涂料
b. 1.4 cm积分求开口
c. 8度角入射
d. IQE和EQE同点测量
e. 反射率及内部量子效率量测计算程序
f. 测量范围:300-1100 nm
g. Si硅探测器
h. 标准反射白板,附计量报告
i. 平均重复性≧ ±99%
j. 光斑照射面积与EQE量测相同
k. Si硅探测器光谱响应可达1150 nm
(校正溯源报告为300-1100 nm,高于1100 nm范围,则需要升级更宽范围的光谱至1800 nm)
QE-R-IS3018 长波长内部量子效率量测模块 a. 搭配两吋积分球,硫化钡涂料
b. 1.4 cm积分求开口
c. 8度角入射
d. IQE和EQE同点测量
e. 反射率及内部量子效率量测计算程序
f. 测量范围:300-1800 nm
g. Si硅探测器
h. 标准反射白板,附计量报告
i. 平均重复性≧ ±99%
j. 光斑照射面积与EQE量测相同
QE-R-T 透射率测量功能 a. 提供客制化透射率测量支架
b. 积分球模式
c. 测量波长与IQE相同
d. 光斑大小与EQE相同
QE-R-DC 直流测量模块 a. 直流测量模式
b. 手动切换杆,1秒内切换AC模式至DC模式
c. 直流测量软件
d. 量测延迟设定功能
e. 支持单点多次讯号撷取和平均功能
f. 数据即时显示功能
g. 1k Hz 低通道直流滤波器
h. 增益配置大于106
i. 撷取精度>14 bit
j. 单点撷取速度> 50 us
k. 最大撷取点>10,000
l. 直流模式全波长测量重复性≧ ±99%
QE-R-DL 双光源系统 a. 75 W Xe & 150 W QTH 双光源
b. 电流不稳定度:Xe <0.5%,QTH<0.1%
c. 测量波长范围:300-1800 nm (EQE, IQE)
d. 高效率、高反射率椭圆反射镜集光系统
e. 光源可提供300~2500 nm连续光谱
f. 双光源快速切换装置
g. 切换行程:75 mm
h. 切换精度:±0.05 mm
i. 切换速度:10~200 mm/s
j. 灯源定时器
QE-R-B0505 超小光斑模块 a. 光斑面积为方形:0.5 mm x 0.5 mm
b. 光学成像镜组
c. 信号滤波放大电路
d. 二次放大能力
QE-R-VB05 电压偏压功能 a. 0~±5 V
b. 分辨率1.22 mV
c. 软件设置功能
QE-R-VB10 电压偏压功能 a. 0~±10 V
b. 分辨率1.22 mV
c. 软件设置功能
QE-R-LB 白光偏置光功能 a. 150 W卤素灯偏置光源
b. 0-2 Sun 光强连续可调
c. 1 m光纤款
d. 光强透镜组和支架
e. X轴移动滑台,固定磁座
f. 安全保护装置:过载断路保护
g. 散热系统:风冷
QE-R-DJ 双结电池测试功能 a. 150 W 卤素灯偏置光源
b. 0-5 Sun 光强连续可调
c. 1 m光纤款
d. 光强透镜组和支架
e. X轴移动滑台,固定磁座
f. 安全保护装置:过载断路保护
g. 散热系统:风冷
h. 两组滤波片550 nm,700 nm
i. 多结测量软件
QE-ST-SI 镀金平板测量样品台 a. 6寸标准晶硅测量样品台
b. 真空吸附功能
c. 7 L/min 吸附能力真空泵
d. 两组Z轴探针座
e. 探针两根,针尖:0.5 mm
f. 标准电池水平固定平台
g. 4个高度水平调整Z轴座,调整范围30 mm
h. BNC接口
QE-ST-OP 精密微调薄膜样品台 a. 标准薄膜样品台
b. 一组标准芯片夹夹具
c. 三轴移动微调座,行程:±3 mm,精度0.01 mm,水平最大载重10 KG
d. 最小精度10 um
e. 标准探测器固定卡槽
f. 六段式切换开关
g. 最多支持6个子电池,间距2.54 mm
QE-ST-DS 多用途薄膜测量样品台 a. 多用途薄膜测量样品台
b. 两组标准芯片夹夹具
c. 可测单边样品与双边样品
d. 标准探测器固定卡槽
e. 六段式切换开关
f. 4轴水平调整座,高度可调
g. 最多支持6个子电池,间距2.54 mm
QE-BT-BOX 背探针测量样品盒 a. 背探针式样品盒
b. 0.475 mm圆头弹簧探针
c. 弹簧探针伸缩范围:2 mm
d. 强力磁铁紧密合盖
e. 订制化用户样品电极位置
f. 最大支持样品尺寸:20 mm(L) x 20 mm(W) x 2 mm(H)
g. 最大支持6个子电池
QE-ST-FL 翻转载台 a. 放置组件的载台平板可做180°翻转
b. 含2组Z轴探针座(含探针)
c. 样品槽适用不大于2.5 x 2.5 cm样品
QE-R-FB 光纤导出套件 a. 测量范围300-1100 nm
b. 光纤导光切换模块组件
c. 防泄漏光纤管4.5米
d. 光纤聚光套镜组
e. 光纤照射光斑大小达直径1 mm
f. 光纤安装支架
QE-R-GI 手套箱整合EQE模块 a. 测量范围300-1100 nm
b. 光纤导光切换模块组件,手套箱内外均可独立量测使用
c. 手套箱专用防泄漏光纤管4.5米
d. 手套箱专用KF40法兰密封组件
e. 光纤聚光透镜组
f. 光纤照射光斑大小达直径1 mm
g. 光源由上向下导光照射
h. 手套箱专用样品台,附有BNC传输端、专用芯片夹,专用光纤安装支架
i. 样品独立切换样品盒,可独立切换信道功能
j. 测量专用不透光黑布
k. 载台X、Y轴精密调整滑台
l. XY轴移动行程±12.5 mm,精度0.01 mm
m. BNC信号连接线
QE-R-mapping 自动扫描测试功能 a. XY轴自动样品台
b. X、Y双轴有效移动行程为±100 mm
c. 单向重复定位精度为±0.02 mm
d. 移动最小分辨率为2.5 μm
e. 移动方式:自动控制
f. 两端附有光遮断安全装置
g. 一键执行自动量子效率光强校正
h. 自动LBIC扫描功能,2D和3D显示
i. LBIC测量时间为0.25 S/点
j. 测量不重复性≦±2 %
k. 多点量子效率EQE、IQE光谱量测功能
l. 多点量子效率光谱量测坐标软件设定功能
m. 载台预走功能(具备各点位置修正功能,可储存新的坐标)
QE-R-MJ LED自动多结电池测试功能 a. 4组高光强LED偏置光源
b. 全自动化控制软件
c. 4通道独立控制器
d. RS-232控制接口
e. 过电流和过电流保护功能
f. 定电流控制模式
g. 输出电流:800 mA/Channel
h. 三结电池连续测量,不需要手动切换
i. 150 W卤素灯偏置光源
j. 1 m光纤管
k. 光强透镜组和支架
l. 长波滤镜
QE-R-LUP 光路向上测试功能 a. 光路向上照射模式
b. 光路上下调整旋钮
c. 香蕉接头信号信道
d. 2组Z轴精密探针座

LBIC扫描测试电池


◆ 方便的光路导出:
用户可迅切换光路(QER暗箱内或外部整合使用)设备可以在外部暗箱使用,亦可以在暗箱内使用, 一机两用,切换方便。

 
双光路、双锁相放大器:

提升稳定性与测量重复性。



◆ 独家信号监控功能:

判断光斑是否正确照射在样品上当光斑照射位置不正确时,例如部分光斑照射在细栅或主栅时,信号监控窗口的波形会减弱,最终得到的量子效率会变低。


◆ 光谱响应/量子效率/IPCE在矽晶太阳能电池制程改善上之应用:



(图A矽晶太阳能电池量子效率光谱与各波长反应之示意图。插图为矽晶太阳能电池的元件结构。

光谱响应/量子效率/IPCE光谱不同波段反应太阳能电池各层的特性。以矽晶太阳能电池为例,其普遍的制程是在p型晶片上扩散掺杂制作n层,形成pn接面,表面再作粗化制作抗反射层,降低介面反射,以提高入射的光子效率,其结构如当太阳光照射到太阳能电池时,光通过的顺序为抗反射层、n层、pn接面、p层、背电极。在入射的界面,产生界面的反射,不同波长反射的程度不一,通常UV段与红外波段的反射所造成的损耗较高,而在可见光波段损耗最低。抗反射层因能隙较大,仅会吸收短波长的光,因此短波长段300 nm ~ 350 nm通常反应抗反射层的特性。波长大于350 nm的光陆续穿过n层、pn接面与p层,因各层厚度的不同,所吸收的波段范围依序为350 nm ~ 500 nm波段(n层),500 nm ~ 800 nm波段(pn接面),800 nm ~1100 nm (p层)。

350 nm ~ 500 nm波段,光谱响应曲线是随着波长的增加而提升,因长波长光子穿透深度较深,接近pn接面,因此转换效率提升。一般效率最高的部分都是落在PN接面的波段,因pn接面内部电场可有效率的拆解吸收光子后的电子电洞对,因此,效率最高500 ~ 800 nm波段,反应的是pn接面层的特性。800~1100 nm波段穿透到最下层的p层,光谱随波长增加而快速递减的原因有两个部分: 第一个是800-1000 nm 波段波长越长,产生的电子电洞对就越远离pn接面,需借由扩散机制到达pn接面;距离pn接面越远,在扩散到pn接面前就被复合的机率较高,所以800 ~ 1000 nm 光谱随波长递减。第二,大于1000 nm波段快速下降则是因为入射光能量逐渐小于矽的能隙,入射光无法激发电子-电洞对之产生,所以曲线快速下降。可由(图A)单晶矽太阳能电池外部量子效率观察出各层反应特性。

以(图B)为例,由光谱响应换算成量子效率可以得到下(图C)。

A电池在300 nm ~ 500 nm效率效率较B电池低,欲再提升A电池的效率,应该要着重在抗反射层(300 nm~ 350 nm)与n(350 nm ~ 500 nm)的制程上,作为改进之方向。

B不同制程条件下太阳能电池光谱响应与AM1.5G的示意

丙

C两个不同制程电池的量子效率光谱


 谱响应/量子效率/IPCE在铜铟镓硒(Copper Indium Gallium Senillide;CIGS)太阳能电池之应用:

铜铟镓硒 CIGS(Copper Indium Gallium Selenium)属于四元化合物半导体,归类为单接面太阳能电池,

(图A为其常见的元件结构。



(图ACIGS铜铟镓硒太阳能电池元件结构

铜铟镓硒随着铟镓含量的不同影响其能隙的大小,使其其光吸收范围可从1.02 ev1.68 ev。而光谱响应/量子效率/IPCE可以针对不同的太阳能电池来测试其能隙大小。如图B所示,当铜铟镓硒的镓的含量增加,而由光谱响应/量子效率/IPCE光谱量测的结果发现,其能隙随之增加,因此可做为制程中镓成分的检测工具。


▲(图B相同元件结构下,改变不同的镓成分的量子效率光谱,显示随着镓的成分提高,铜铟镓硒的能隙亦随之增加,从1 eV提升到1.67 eV

现阶段技术发展重点以降低成本和提高光电转换效率为研究方向,而提升转换率除铜铟镓硒薄膜成份的黄金比率与最佳化厚度外,必须有系统地探究铜铟镓硒薄膜太阳能电池其他层的特性,对其制程效率与整体元件结构设计之影响,进而有效提升铜铟镓硒薄膜太阳能电池光电转换率。因铜铟镓硒太阳能电池的成分、结构复杂,使相关的研究不易进行,而光谱响应/量子效率/IPCE光谱测试可以解析其复杂的组成,作为提供制程改进最有力的依据。如(图C)绘出对应不同波段光谱响应/量子效率/IPCE光谱所反应之元件结构各部特性。如在波长300 nm ~ 400 nm可观察出Window(ZnO)的量子效率,波长400 nm ~ 540 nm可观察出Buffer(CdS)的量子效率,波长540 nm ~ 1200 nm可观察出Absorber(CIGS)的量子效率。


(图C铜铟镓硒太阳能电池量子效率光谱与不同波长段反应电池各层特性示意图。

例如,CdS Buffer层的厚度、制程条件均对最终电池的效率有显著的影响,调整不同的CdS条件,虽可以借由电流电压曲线量测得到整体电池效率是否提升,但所获得的资讯十分有限,若实验中有其他的因素变化如CISCIGS吸收层发生意料之外的问题,就会影响电流电压曲线分析的结果,无法作可靠的分析依据。而光谱响应/量子效率/IPCE光谱,可以同时观测到电池各层的独立特性,可做为结果判断的明确依据。


(图D调整不同CdS层厚度可由光谱响应/量子效率/IPCE光谱看到400~500 nm波段对电池效率的影响。

(图D)的量子效率光谱是改变CdS的薄膜厚度,不改变CIS的制程条件,结果显示400-500 nm波段随着CdS的厚度变化(15 nm ~ 80 nm)而效率随之变化,在波长> 500 nm波段,显示了CIS的效率并没有显著差异,代表其制程条件稳定,最终可明确的评断出CdS最佳的膜厚条件为15 nm。若是相同的CIS制程条件,而> 500 nm波段光谱有所变化,则表示有其他的因素影响不同CdS薄膜厚度变化实验结果, 则可再分析相关的制作过程影响,达到单次制程实验得到最多有效资讯之成效。透过光谱响应/量子效率/IPCE的检测可观察出制程改变之细部影响,并建立资料库进而作为产线上良率变化时,寻找问题、改善条件之方便工具。

光谱响应/量子效率/IPCE光谱可以提供出电流电压曲线更多的制程改进资讯。(图E)为替换新型的Buffer层的材料ZnS(O,OH)取代CdS的电流电压曲线图。从电流电压曲线上ZnS(O,OH)/CIGS结构的转换效率η=18.6%,短路电流密度36.1 mA/cm^2虽高于传统的CdS/CIGS的35.7 mA/cm^2,但在开路电压确较CdS/CIGS下降了25 mV,使得整体的效率低于CdS/CIGS的η=19.2%。仅从电流电压曲线,并无法提供更明确的制程改进方向。但是从(图F)其光谱响应/量子效率/IPCE光谱的结果可以明确了解300 nm ~ 500 nm波段为ZnS(O,OH)层与CdS层的反应,ZnS(O,OH)层的转换效率高于传统的CdS层,在短路电流密度上增加了1.4 mA/cm2;然而从600 nm ~ 1000 nm波段可看出,ZnS(O,OH)层也造成了CIGS层电流密度贡献下降了1 mA/cm2,且在两种结构下的等效能隙变化了10 meV。由此结果,可以判断ZnS(O,OH)材料具备较CdS材料好的光电转换能力,但其对CIGS亦造成些许的影响,若能进步改进ZnS(O,OH)/CIGS介面问题,ZnS(O,OH)则具有应用之潜力。这个例子说明了光谱响应/量子效率/IPCE光谱可以较电流-电压曲线提供更多电池内部各层的资讯,有效的作为元件效率、制程条件改进之方向。

▲(图E)选用不同Buffer层材料所制作出的电池元件电流电压效率图,新材料ZnS(O,OH)在短路电流上提升约1 %的变化,开路电压下降了25 mV

(图F不同Buffer层材料的光谱响应/量子效率/IPCE光谱。显示ZnS(O,OH)层本身的转换效率优于CdS,惟对CIGS亦产生影响,若能克服ZnS(O,OH)/CIGS介面问题,ZnS(O,OH)则具备应用之潜力。


由上述说明可了解光谱响应/量子效率/IPCE光谱,可提供铜铟镓硒太阳能电池(CIGS)讯息如下:

● Window/ Buffer/ Absorber等各层的光电转换效率
● Absorber 铜铟镓硒中的镓浓度对材料能隙的鉴定
● 各层因制程条件转变所造成效率的变化程度



光谱响应/量子效率/IPCE堆叠型矽薄膜太阳能电池(Thin-film Si tandem solar cell)之应用:

矽晶材料价格昂贵,而矽薄膜材料用料少(矽晶片~ 200 um;矽薄膜 < 5 um,材料用料不到矽晶片的5 %)。

因此,自2006年起矽薄膜太阳能电池吸引了许多研究与厂家投入。在转换效率上,商用非晶矽薄膜模组的极限约为7 %,相较于堆叠型矽薄膜太阳能电池模组能够超过10 %,使得堆叠式矽薄膜太阳能电池已成市场主流。图十二是双层堆叠型太阳能电池的元件结构。


(图A堆叠型矽薄膜太阳能电池结构图 TCO玻璃基板上先制作非晶矽薄膜,接着制作高掺杂浓度的介面层(intermediate layer)后,制作微晶矽薄膜与电极。


高效率堆叠型矽薄膜元件结构设计最重要的议题是需要各层电池的短路电流密度接近,称为电流匹配(current match)。在检测各层电池的短路电流密度是十分困难的,无法使用一般的电流-电压曲线仪测得各层电池的电流。光谱响应/量子效率/IPCE光谱技术是目前唯一能独立量测出各层电池短路电流密度的技术。使用光谱响应/量子效率/IPCE光谱技术测出各层的短路电流密度,当两个子电池串联时,总输出电流是由较小电流的电池来决定,并可得知目前电池的电流由哪个子电池来控制,及要提高整体效率要针对哪一个子电池的制程进行改善。
(图B是利用光谱响应/量子效率/IPCE光谱技术量测非晶矽-微晶矽堆叠型矽薄膜太阳能电池各层的光谱响应/量子效率/IPCE光谱,此光谱对AM1.5G标准太阳光谱做计算可以得到各层的短路电流密度。上层电池(非晶矽层)与下层电池(微晶矽层)的短路电流密度分别为11.94 mA/cm^29.98 mA/cm^2,因此整体电池的输出电流密度是由下层的微晶矽电池来决定。若是利用太阳光模拟器与电流-电压曲线仪,仅能得到一个输出电流密度,无法知道各层电池的好坏,更无法订定明确的制程改善方向与目标。以(图B的结果为例,利用光谱响应/量子效率/IPCE光谱技术测出是由下层微晶矽电池限制了整体电池的输出电流,因此可以将制程改善的方向放在下层微晶矽电池的制程,借由提高微晶矽电池的转换效率,使得上、下层电流密度匹配,即可提高整体效率,无需再设计更多的实验条件来验证是何层电池限制了整体电池效率,可大幅提升制程开发、效率改进的时程与成本。


(图B非晶矽-微晶矽堆叠型矽薄膜太阳能电池上层电池与下层电池的光谱响应/量子效率/IPCE光谱。

任何在堆叠型太阳能电池制程上参数的改变,均可由光谱响应/量子效率/IPCE光谱得知改善结果。以非晶矽-微晶矽堆型型太阳能电池为例,假设上层电池的电流密度小于下层电池的电流密度,输出电流密度由上层电池来决定。若要调整上下层电池彼此的电流密度,以达到接近1:1最佳的电流密度匹配条件,可由电池的结构来着手。


(图C标准双层堆叠型电池结构及增加中间层ZnO做为光线捕捉的结构

例如,为增加上层电池的电流密度,可以在上下层电池间增加一层中间反射层如ZnO,将原本会穿透上层非晶矽电池的光部分反射回上层电池中,形成光线捕捉(Light trapping)的功用,提升上层电池的电流密度。(图C即为在标准双层非晶矽-微晶矽堆叠型太阳能电池中有无增加中间层ZnO做为光线捕捉的结构。(图D两种结构的光谱响应/量子效率/IPCE光谱测试的结果。由(图D可以观察到增加了ZnO层后,上层非晶矽电池在500 nm ~ 700 nm波段效率显著提升,如所预期的ZnO达到光线捕捉的功能,也使上层非晶矽电池的短路电流密度增加。由于500 nm ~ 700 nm波段的光被捕捉在上层电池,使得进到下层电池的500 nm ~ 700 nm波段的光线减少,因此下层微晶矽电池在此波段的电流密度降低,以致短路电流密度下降。因此,我们可以调整ZnO层的条件,并利用光谱响应/量子效率/IPCE光谱来作为结果的检测,将上下层电池在短路电流密度上调整的更佳匹配,以提升整体电池的输出效率。我们可以了解到光谱响应/量子效率/IPCE光谱可以容易的检测出堆叠型矽薄膜电池微结构上的变化,做为制程改进上的有力依据。

(图D增加ZnO中间层制程前后的光谱响应/量子效率光谱

在现今竞争激烈的太阳能产业中,不断地降低成本,提高光电转换效率,是太阳能厂商脱颖而出的必要条件!太阳能电池转换效率的提升,关键在于制程及材料的改善。测量太阳能电池的光谱响应/量子效率/IPCE,能了解太阳能电池在不同光波长下光电转换效率的情形,使用者可依据光谱响应的结果快速找到制程的问题点加以改善,更有助于效率的提升。


参考文献

www.enli.com.tw

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