虹科案例|CIEMAT利用太赫茲技術以無損表征光伏器件的電學特性

目前，應用于材料的電學參數(shù)表征方法可以分為兩大類：一類為宏觀尺度技術，比如四點探針法或范德堡法，光學測量等，允許快速檢測，但只能提供直流電導率等單一參數(shù)信息。另一類為納米尺度的技術，如拉曼光譜、原子力顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等，能夠得到分辨率很高的圖像，然而通常需要復雜的樣品制備步驟，并且測量速度十分緩慢，無法實現(xiàn)高速測量。

在日新月異的材料研究領域中，需要同時滿足高速與高分辨率要求的情況是十分常見的，而當前表征技術的缺陷導致尖端的研究材料可能很難制造。因此，非接觸和無損檢測方法對于獲得更深入的知識與更快地推進尖端研究具有重要意義。

CIEMAT（能源研究中心，Medioambientales y Tecnológicas）是隸屬于西班牙科學與創(chuàng)新部的公共研究組織，主要專注于能源和環(huán)境科學領域以及與兩者相關的技術。CIEMAT 的使命是通過科學技術知識的產生和應用，為西班牙的可持續(xù)發(fā)展和公民的生活質量做出貢獻。

光伏作為新能源中最為重要的一類，相關材料及器件的研究是CIEMAT的重點投入項目。對于光伏器件制造，無損檢測（NDT）的方式是最優(yōu)選擇，一方面不會對器件造成損害。另一方面，還需要檢測每個器件并可以在盡可能早的階段檢測到任何缺陷。為了更全面、更快速地表征光伏應用設備的電學特性（如電導率、電阻、載流子遷移率），CIEMAT正在尋找一種高分辨率、非接觸式、非破壞性和快速測量的材料表征解決方案。

CIEMAT選擇了太赫茲技術用于光伏器件的電學表征。Onyx 系統(tǒng)是基于太赫茲時域光譜（TDS）的專利系統(tǒng)，利用的太赫茲（THz）波是低能量的非電離波，因此對人類無害。通過以非破壞性和非接觸方式表征從 0.5 mm2 到大面積 (m2) 樣品的特性，填補了宏觀和納米級工具之間的技術空白，從而促進了材料研究領域的工業(yè)化。這種技術是無損檢測的，不需要樣品制備，并且可以測量樣品質量的空間分布。幾百微米量級的空間分辨率與太赫茲信號的快速采集和處理使得 Onyx 能夠快速表征大面積的樣品區(qū)域。

太赫茲技術提供非破壞性、非接觸式、快速且可靠的質量控制過程，用于表征光伏應用設備的電學特性。作為一種不需要樣品制備的非接觸、非破壞性方法，利用太赫茲時域光譜 (THz-TDS) 可以對獨特的研究樣品進行多次分析，而不會造成樣品的損傷。此外，太赫茲技術的表征可以顯著改善光伏器件制造過程的質量控制，因為每個器件都可以在沒有損壞的情況下進行檢查，從而可以及早發(fā)現(xiàn)缺陷。

CIEMAT基于ONYX系統(tǒng)研究了光伏應用的器件參數(shù)表征，并撰寫了幾篇科研文章，重點關注光伏應用的導電電極和硅異質結太陽能電池技術的電極。

案例1

在“Advanced Graphene-Based Transparent Conductive Electrodes for Photovoltaic Applications”一文中（Fernández等人，Micromachines 2019，10，402），探討了以不同配置結合石墨烯單層的透明導電電極 (TCE) 的新結構，旨在提高硅異質結 (SHJ) 電池正面透明觸點的性能。

圖 1.正在研究的透明導電電極配置。TCO = 透明導電氧化物

案例2

使用 Onyx 系統(tǒng)對電極的電導和電阻（見圖2）進行表征，無需任何樣品制備。在硅（Si）襯底上沉積的最佳雜化氧化銦錫（ITO）基的TCE的平均電導值為13.12 mS，這個數(shù)據(jù)非常有意義，因為它高于ITO值（>10 mS）。

圖 2.沉積在硅（Si）襯底上的最佳雜化氧化銦錫（ITO）基TCE的電導和電阻圖。

案例3

在“Transparent electrodes based on graphene”一文中（Fernández 等人，Nanotechnol Adv Mater Sci，第 2(3) 卷：1-3，2019）利用 Onyx 系統(tǒng)探索了將石墨烯納入其設計的透明電極的新穎架構，以改進硅異質結電池技術。

案例4

在文章“Graphene-Based Electrodes for Silicon Heterojunction Solar Cell Technology ”（Torres等人，Materials 2021，14，4833）中，研究者分析了在硅異質結太陽能電池中將氧化銦錫 (ITO) 與1到3層石墨烯單層結合作為頂部電極的不同效果。

圖 3.所述硅異質結太陽能電池成品的方案。圖4顯示了由Onyx系統(tǒng)獲得的四種電池的電導圖，分別為銦錫氧化物（ITO）（a），ITO + 1層石墨烯（b），ITO + 2層石墨烯（c）和ITO + 3層石墨烯（d）。根據(jù)電導圖顯示，每增加一片石墨烯，電學性能都有明顯的改善。在制作完成的太陽能電池的電學特性表征中，這意味著串聯(lián)電阻的顯著降低和器件填充因子的增加

審核編輯黃宇