Установка для измерения спектральных характеристик (квантовой эффективности) тонкопленочных фотовольтаических ячеек

Для измерений на установке используются мини ячейки, изготавливаемые на стандартном оборудовании линии при использовании специальной программы скрайбирования и затем вырезаемые из подложки – см. предыдущий раздел.

Спектральная характеристика (СХ, [мА/мВт]) это отношение фототока к энергии падающего монохроматического света как функция длины волны. Квантовая эффективность (КЭ) это отношение количества образовавшихся и зарегистрированных пар носителей заряда к количеству протонов при заданной длине волны. Взаимосвязь между величинами определяется формулой:

Установка для измерения спектральных характеристик (квантовой эффективности) тонкопленочных фотовольтаических ячеек включает ксеноновый источник света, монохроматор, оптические фильтры, источник белого света, набор зеркал, фильтры рассеянного света. Оптическая система позволяет облучать образец одновременно монохроматическим измерительным лучом и так широкополосным лучом смещения. В качестве луча смещения используется белый свет или свет определенного цвета для изучения индивидуальных ячеек в тандемных структурах. Измерительный луч проходит через модулятор, частота которого согласована с частотой измерительного устройства. Таким образом эффект монохроматического света выделяется из общего вклада широкополосного луча и монохроматической добавки. Установка калибруется по эталонному фотодиоду, при этом измерение интенсивности света и определение отклика исследуемой ячейки производится одновременно.

Установка оборудована программным обеспечением для управления и обработки данных. В частности возможна оценка тока холостого хода на основе свертки спектральной характеристики и конкретного спектра излучения.

Измерения спектральных характеристик дают важную информацию о качестве фотовольтаических ячеек – эффективности рассеяния ППО, рекомбинационных и других потерях. Данные метода позволяют также определить области, где сосредоточены максимальные потери.

Измерения для единичных ячеек стандартно проводятся в условиях нулевой разности потенциалов. Дополнительные измерения при обратном смещении (обычно -2В), то есть при усилении внутреннего поля в p-i-n структуре, позволяют оценить рекомбинационные потери (см. рис. 16).

В случае тандемных структур метод позволяет определить спектральные характеристики индивидуальных ячеек (см. рис. 15) для обеспечения равенства тока в последовательно соединенных ячейках, то есть исключения ограничений по току. Для данного исследования тандемная ячейка облучается светом с подобранным спектральным составом, позволяющим создать в дополнительной (не измеряемой) ячейке насыщение по току. Таким образом, монохроматический свет воздействует только на измеряемую ячейку. При этом для создания нулевого потенциала на измеряемой ячейке к тандему прикладывается напряжение, обеспечивающее прямое смещение. Это необходимо для компенсации прямого смещения в дополнительной (не измеряемой) ячейке.

Рис. 15. Квантовая эффективность индивидуальных ячеек в тандемном модуле.

Рис. 16. Пример использования отрицательного и положительного смещения для выявления потерь.

Рис. 17. Установка для измерения спектральных характеристик (квантовой эффективности) тонкопленочных солнечных ячеек.

2.8. Спектрофотометр в видимой и ультрафиолетовой области с установленной интегрирующей сферой для измерения светорассеяния.

Рис. 18. Принципиальная оптическая схема измерений с использованием интегрирующей сферы.

Компанией Оерликон рекомендуется спектрофотометр в видимой и ультрафиолетовой области Perkin-Elmer 950 c интегрирующей сферой и программным обеспечением с серверным соединением. Спектрофотометр используется для:

-измерения интенсивности рассеянного света, благодаря текстуре поверхности прозрачного проводящего слоя оксида цинка (см. рисунок 19)

-измерения пропускания фронтального стекла (подложки) – исходного и с нанесенным слоем ППО.

Рис. 19. Пропускание и диффузное рассеяние за счет текстуры поверхности оксида цинка.

Оба данных параметра влияют на эффективность модуля через более полное использование излучения. В первом случае контролируются потери за счет поглощения света в стекле. Во втором случае оптимальное значение светорассеяния способствует многократному внутреннему отражению света внутри полупроводника, увеличивая эффективную длину оптического пути.

Измерения проводится с использованием образцов размером 50мм х 50мм, вырезанных из полноразмерного стекла на станции ручной резки стекла.

Рис. 20. Интегрирующая сфера. Вид сбоку и сзади.

Отверстия в 150 мм интегрирующей сфере имеют диаметр 25 мм. Это означает, что под прямым пропусканием понимается весь свет внутри конуса с углом 10^о. Если свет отклоняется на более чем 10 ^о, то он считается рассеянным (диффузным). Для того чтобы предотвратить обратное отражение от заднего отверстия, оно повернуто на угол 8^о относительно вертикальной оси (см. рис. 18 и 20).

С использование интегрирующей сферы выполняется три типа измерений:

· Суммарное пропускание (прямое и рассеянное)

· Диффузное рассеяние

· Суммарное отражение

Рис. 21. Измерение а) общего пропускания (суммы прямого и диффузного), б) только диффузного пропускания, в) суммы прямого и диффузного отражения.

Доля рассеянного света зависит от длины волны. Мерой диффузного рассеяния является параметр HAZE, который определяется согласно внутреннему стандарту Оерликон по следующей формуле: HAZE = Диффузное пропускание (600нм) / Полное пропускание (600нм).

Специальный метод измерения используется при необходимости измерения пропускания стекла с нанесенным слоем ППО. Для исключения светорассеяния вызванного текстурой поверхности используют метод согласования коэффициентов преломления. При этом на поверхность ППО наносится слой йодистого метилена (с коэффициентом преломления 1,7) и затем плоское стекло. При таком измерении рассеянное излучение исключается. В качестве второго накладного стекла используется тонкое (1мм) стекло типа AF45 Schott, вклад второго стекла в поглощение не превышает 1 %.

Рис. 22 Метод согласования коэффициентов преломления.