Cary 5000分光光度計測定太陽能電池的光學性能

前言單詞 photovoltaic（光電的）是由希臘單詞 photo（光）和物理學家 Volta（伏特：電池的發明者）[1]兩個單詞組合產生的，用來表述太陽能電池將光直接轉化為能量，轉化的理論依據是 Bequerel[2] 在 1839 年發現的光電效應：光照射在固體表面，導致其產生自由電子。太陽能電池由多種半導體材料組成，95% 以上的太陽能電池主要成分是硅，在其中需要有選擇性的摻雜一些其他元素。摻雜的目的是為了在半導體材料內部產生富余的正電荷 (p) 或負電荷 (n) 載體，當兩種不同類型的半導體層結合在一起，就會在接合處形成 p-n 結，形成的電場可使在陽光作用下產生的電荷載體向兩邊分離，通過使用金屬電極，可收集電荷，如果此時給它接上一個外電路，就會形成直流電。硅基太陽能電池尺寸一般在 10 × 10 cm 左右，表面覆蓋透明的防反射 (AR) 涂層用來保護電池的同時防止電池表面反射的光能損失。圖 1 是一個典型的太陽能電池結構示意圖。

對于任何一個太陽能電池來說，其獲得的電流大小都隨光通量增加而增加，雖然影響電池轉化效率的因素有很多，但電池表面的反射性能是一個非常重要的參數。為了測量這種反射性能，就需要使用到高性能的 UV-Vis-NIR 分光光度計，而且需要配備積分球。積分球用來收集從固體表面（例如太陽能電池）反射出來的光（包括漫反射或者全反射），應用相應的樣品固定附件，積分球也可以用來測定太陽能電池的漫透射性能。本應用簡報將就太陽能電池制造中的幾個階段，用 AgilentCary 5000 UV-Vis-NIR 分光光度計配備外置漫反射附件 2500和小光斑套件附件測定其反射性能展開介紹。

實驗部分儀器[3]– Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR 分光光度計– 安捷倫外置 DRA-2500 積分球– 小光斑套件附件條件將外置 DRA-2500 積分球裝入分光光度計并校準[4]。紫外-可見近紅外譜圖通常在 250–2500 nm 區域內采集，并使用適當的基線校正（零/基線校正）。建議的儀器參數如下：紫外可見區：2 nm SBW，0.1 秒 SAT，1 nm 采樣間隔；近紅外區：能量 3，0.2 秒 SAT，3 nm 采樣間隔；雙光束模式，全狹縫高度。使用Cary 5000 UV-Vis-NIR 分光光度計和外置 DRA-2500 積分球收集反射光譜，當需要的光束圖像較小時，換上小光斑套件。

結果與討論圖 2 是光電池成品和半成品的漫反射光譜圖。沒有防反射涂層、表面粗糙的晶片 (TS3)、有防反射涂層的晶片 (TS2) 和有金屬接觸格柵的晶片成品（圖 3）(TS4) 的光譜圖有明顯差異。為了檢查樣品表面是否均一，在每個樣品不同的點測試2 次，采集光譜圖。

此外，成品電池的平均反射光譜（TS4，采樣區域包括電池表面和金屬接觸格柵）與只有電池表面的反射光譜（TS4 Diffssk，不包含反射性金屬接觸格柵的反射）之間存在顯著差異，這就突顯了將光束尺寸縮小到足夠小（直徑約 1 mm）的圖 1. 典型的太陽能電池結構示意圖底部金屬板金屬接觸格柵防反射涂層p-n 結n 型半導體層p 型半導體層 優勢：可以收集到金屬接觸格柵之間區域的光譜。結果證實，與電池本身的活性表面相比，金屬接觸格柵的反射率相對較高，這一點符合預期。

結論UV-Vis-NIR 分光光度法可以非常方便地測試太陽能電池的反射和透射性能，應用高性能的分光光度計（例如 Agilent Cary5000 UV-Vis-NIR 分光光度計）配備積分球附件可以快速得到高分辨率、低噪聲的高質量光譜圖，為了對太陽能電池上的微小面積進行采樣測試，需要采用小光斑附件縮小樣品表面的光束尺寸，安捷倫提供外置 DRA-2500 積分球及配套的小光斑套件附件，可以幫助您實現此類測試。