鈣鈦礦光伏器件中的測試應(yīng)用

鈣鈦礦

鈣鈦礦指的是一種具有獨特物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的新型無機(jī)非金屬材料，作為光伏材料的鈣鈦礦，實際上和鈣、鈦、礦三個字都沒太大關(guān)系，而是與鈣鈦礦（CaTiO3）晶體結(jié)構(gòu)類似的“ABX3”化合物。

其結(jié)構(gòu)中A位是有機(jī)陽離子，B位是金屬陽離子，X位是鹵族陰離子。鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)具有四面體的對稱性，A離子位于立方體的頂點，B離子位于立方體的中心，X離子位于立方體的面心。

被稱為繼第一代晶硅、第二代薄膜之后的第三代光伏電池技術(shù)路線。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物具有豐富的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如光電、磁電、熱電、壓電、鐵電、超導(dǎo)等。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物在能源、信息、通信、環(huán)境等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用和研究前景。

相較于當(dāng)下主流的晶硅電池，鈣鈦礦是一種具有革命性的新材料，具有：

高能量密度

鈣鈦礦電池的能量密度高達(dá)250Wh/kg，是目前市場上商用電池中最高的。因此，在同樣大小的電池體積下，可以存儲更多的電能。

高理論效率

單層理論效率達(dá)33%，雙層可達(dá)45%以上，具有比晶硅更高的提升空間

可期的低成本優(yōu)勢

鈣鈦礦電池原材料均為基礎(chǔ)化工材料，由人工合成，且不含有稀有元素，相比于晶硅電池的硅料來說廉價易得。除原材料不受限，制備工藝較短。

應(yīng)用前景廣闊

在電站端，鈣鈦礦電池憑借弱光性以及顏色可定制的特點，滿足了長時間發(fā)電、透光度以及美觀性等市場需求，在BIPV和幕墻、陽光房等領(lǐng)域也擁有廣闊的市場空間。

當(dāng)然沒有一種材料是完美的，鈣鈦礦也不例外。盡管存在頗多的優(yōu)勢，但作為一種尚未脫離實驗室階段的材料，例如：晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性差，大面積制備難度大等等，這些缺陷嚴(yán)重限制了其投入工業(yè)生產(chǎn)的能力。

為了研究鈣鈦礦的電化學(xué)性質(zhì)，提升鈣鈦礦的優(yōu)勢并且降低相應(yīng)的需要對其進(jìn)行電化學(xué)表征。電化學(xué)表征方法主要有以下幾種：

1循環(huán)伏安法

循環(huán)伏安法是一種用于測量電極反應(yīng)動力學(xué)的電化學(xué)技術(shù)，它可以獲取電極的電流 - 電壓曲線，并從中分析出電極的氧化還原峰、電容、極化性等參數(shù)。循環(huán)伏安法可以用于研究鈣鈦礦的電荷傳輸行為、電極薄膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性等。

2電化學(xué)阻抗譜法

電化學(xué)阻抗譜法是一種用于測量電極界面的復(fù)雜電阻的電化學(xué)技術(shù)，它可以獲取電極的阻抗 - 頻率曲線，并從中分析出電極的電荷轉(zhuǎn)移阻抗、雙電層電容、電解質(zhì)阻抗等參數(shù)。電化學(xué)阻抗譜法可以用于研究鈣鈦礦的電荷注入和抽取過程、電極 - 電解質(zhì)界面的電子和離子交換機(jī)制等。

3光電化學(xué)方法

光電化學(xué)方法是一種用于測量光敏電極的光電轉(zhuǎn)換效率的電化學(xué)技術(shù)，它可以獲取電極的光電流 - 電壓曲線、光電流 - 光強(qiáng)度曲線、光電流 - 波長曲線等，并從中分析出電極的開路電壓、短路電流、填充因子、能量轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)。光電化學(xué)方法可以用于研究鈣鈦礦的光吸收特性、光生載流子的壽命和遷移速度、光電極的優(yōu)化設(shè)計等。

Keithley

Keithley的2450系列源表是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的利用循環(huán)伏安法分析材料和器件的測試方案。4200A半導(dǎo)體參數(shù)分析儀更多用于鈣鈦礦電池深能級缺陷表征和測試。

Keithley源測量單元（SMU）是一種多功能儀器，可以提供電流或電壓源，并同時測量電流和電壓。它們在測試太陽能電池的J-V曲線方面具有多種優(yōu)勢，例如：

高精度和高分辨率

Keithley SMU可以測量fA至A范圍內(nèi)的電流和μV至kV范圍內(nèi)的電壓，具有高精度和穩(wěn)定性。

四象限操作

Keithley的源表可以在電流 - 電壓平面的所有四個象限中工作，這意味著它們可以充當(dāng)電流和電壓的源或灌電流。能夠模擬不同的負(fù)載條件，并測試太陽能電池在各種照明和溫度場景下的性能。

掃描和脈沖模式

Keithley的源表可以對電流或電壓執(zhí)行線性、對數(shù)或自定義掃描，并測量相應(yīng)的電壓或電流。它們還可以生成和測量電流或電壓的脈沖波形，具有可編程的寬度和占空比。這些模式可以表征太陽能電池參數(shù)，例如短路電流、開路電壓、填充因子、最大功率點、串聯(lián)和并聯(lián)電阻、電容和遲滯。

遙感

Keithley的源表可以使用四線連接來消除引線電阻的影響，并確保準(zhǔn)確測量太陽能電池端子上的電壓。

數(shù)據(jù)記錄和分析

Keithley的源表可以在圖形用戶界面上存儲和顯示測量數(shù)據(jù)，或?qū)⑵鋵?dǎo)出到計算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析。他們還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和統(tǒng)計，并生成報告和繪圖。

舉例

使用Keithley 2450記錄空間電荷限制電流（SCLC）

在低電壓時IV呈現(xiàn)線性關(guān)系，2450最小測量nA量級電流，準(zhǔn)確穩(wěn)定的表征低壓線性關(guān)系；再高壓時IV呈現(xiàn)二次方關(guān)系。為了使得更高分辨率描述平方關(guān)系，電壓掃描可以設(shè)置為對數(shù)關(guān)系，可以更精確的刻畫電流快速變化率。

配合光源模擬器，使用Keithley 2602B對鈣鈦礦電池進(jìn)行測試J-V曲線

或者使用Keithley 2400系列原標(biāo)進(jìn)行J-V曲線測試

通過該曲線可以表征鈣鈦礦電池的開路電壓、短路電流、最大功率點MPP以及QE等重要參數(shù)。

驅(qū)動級電容分析（DLCP）是一種確定缺陷密度（NDL）作為光伏電池深度函數(shù)的技術(shù)。在DLCP測量期間，施加的變化的交流電壓信號，而直流電壓隨電容的變化而變化。這與傳統(tǒng)的C-V形成對比，其中交流電壓是固定的，直流電壓是掃描變化的。

在DLCP中，直流電壓自動調(diào)節(jié)以保持總施加電壓（交流+直流）恒定，而進(jìn)行交流電壓掃描。通過保持恒定的總偏置，材料內(nèi)部暴露的電荷密度(e)保持恒定，最高可達(dá)一個固定的位置 (xe)，定義為EF-Ev=Ee到界面的距離。這也與傳統(tǒng)的C-V分析相反，后者的分析假設(shè)唯一的電荷密度變化發(fā)生在耗盡區(qū)的末端。

因此，在DLCP中，可以通過調(diào)整直流電壓對樣品的偏置來改變位置 (xe)。這也允許確定缺陷密度作為距離的函數(shù)，或特殊的輪廓。測量的測試頻率和溫度也可以改變，以顯示與能量相關(guān)的輪廓。

4200A內(nèi)置的鈣鈦礦電池DLCP測試允許進(jìn)行C-V測量驅(qū)動電平電容剖析。交流幅度可在10~100mVrms（14.14mV~141.4mV-p）范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。頻率范圍也可以從1khz到10mhz進(jìn)行設(shè)置。

通常CV和DLCP兩種測試方法都會使用，表征的參數(shù)有一定的區(qū)別，具體如下：

■DLCP：如果您的研究目標(biāo)是深入了解材料內(nèi)部的陷阱態(tài)分布、深層缺陷或頻率依賴的電荷動態(tài)。

■CV：如果您的研究目標(biāo)是快速獲取材料的表面/界面電學(xué)特性、摻雜分布或耗盡層寬度。

Keithley產(chǎn)品在鈣鈦礦光伏電池領(lǐng)域的優(yōu)勢體現(xiàn)在其高精度、高效率、自動化、穩(wěn)定性測試能力和靈活的測試方案上。這些特點使得Keithley的儀器在科研、開發(fā)和質(zhì)量控制過程中，能夠提供精確的測量和有效的數(shù)據(jù)管理，從而推動鈣鈦礦光伏電池技術(shù)的進(jìn)步和商業(yè)化應(yīng)用。

高精度電流電壓測量

Keithley的Source Measure Units（SMUs）如2400系列和2600系列能夠進(jìn)行高精度的電流 - 電壓（I-V）測量。這對于準(zhǔn)確評估鈣鈦礦光伏電池的性能，如開路電壓（Voc）、短路電流 （Isc），PE等，至關(guān)重要。

低電流測量能力

這些儀器具備在極低電流（皮安級）下的測量能力，能夠精確檢測暗態(tài)電流和漏電流，幫助研究鈣鈦礦電池的暗電流特性和漏電流。

快速I-V掃描

支持自動化I-V掃描，能夠以高速度和高分辨率獲取電池的I-V曲線?？焖贉y試有助于減少環(huán)境因素的影響，提高實驗效率。

多通道測量

可以同時測量多個樣品，有效提高測試效率和產(chǎn)能。例如，Keithley 4200A-SCS支持多通道測量，有助于高通量篩選和測試。

可靠的壽命和穩(wěn)定性測試

支持長時間、穩(wěn)定的性能測試，幫助評估鈣鈦礦光伏電池的長期穩(wěn)定性和降解行為。這對于研究電池的耐久性和穩(wěn)定性非常重要。

兼容外部設(shè)備

Keithley產(chǎn)品可以與外部光源和溫度控制設(shè)備無縫集成，進(jìn)行光照下的電流 - 電壓特性分析，模擬實際工作條件下的電池性能。

瞬態(tài)光伏響應(yīng)

支持瞬態(tài)光伏響應(yīng)測試，有助于研究鈣鈦礦光伏電池的動態(tài)行為和響應(yīng)特性。

環(huán)境控制

結(jié)合Keithley系列產(chǎn)品與環(huán)境控制設(shè)備，可以在不同的溫度和濕度條件下進(jìn)行測試，模擬實際工作環(huán)境。