QE-R太陽能電池全方位量子效率量測儀

型號 : QE-R

QE-R是光焱科技獨家研發的高性能太陽能電池量子效率/光譜響應測試系統,適用於量測各種材料的太陽能電池,適合高校、 研究所和企業的高端研發與生產品質管理使用。QE-R整合高端光學量測系統、穩定硬體性能以及獨家配備雙光路雙鎖相放大 器設計,大幅提升量測結果之準確性與重複性(最高可達99.8 %)。採用單色光單位面積光強,在測試中提供極佳的信噪比, 以及最快且最穩定的量測速度。此外,光焱科技能依據客戶需求,客製化硬體擴展功能,以及完善整合系統,使設備發揮 一機多用的最大效能。

 主 要 功 能 

 EQE、IQE量子效率/光譜響應 /IPCE量測

● 各種光譜短路電流密度計算 Jsc

● 可實現向上打光設計

● 超大樣品室,可放置35 cm x 35 cm大樣品

● 可與手套箱、真空箱等設備整

● 寬光譜反射率測量範圍:250 nm-2500 nm

● 寬光譜透射率測量範圍:200 nm-1800 nm

● 大尺寸樣品透射率測試

● 快速反射率測試功能

● 頻率信號監控功能

● 多點測量、包含Mapping掃描

● 光致誘導電流測量 LBIC

● 攝像頭形貌顯示功能

● 禁帶寬度計算

● 可同步測量直流和偏置光


  高  端  光  學  設  計 

◆ 單色光光強:530 nm 2 mW/cm²

採用Xe光源,於530 nm處單色光Irradiance強度接近 2 mW/cm²,接近AM1.5G光譜Irradiance,使得設備整體 有很高的信噪比,並能獲得更準確的測試結果。

單色光光強與AM1.5G 同量級

75 W氙燈比他牌300 W光源有更好的功率。


光斑面積

避開柵線,測量更加準確


項目 規格
主機 a. 測量波長範圍:300-1100 nm(可擴展)
b. 各波長測量重複性:
  • 300-390 nm,平均不重複性≦ ±0.6%
  • 400-1000 nm,平均不重複性≦ ±0.4%
  • 其他波長平均不重複性≦ ±1%
c. 短路電流密度不重複性≦ ±0.4%
d. 重複性=(最大值-最小值)/(最大值+最小值)=100%
e. 測量時間:300-1100 nm,掃描間隔10 nm,測量不超過2分鐘
f. 測量暗箱60 cm測量屏蔽暗室
光源系統 a. 75W Xe燈光源
b. 高效率、高反射率橢圓反射鏡及光系統 
c. 光源可提供300~2000 nm連續波長
d. 具備燈源位置三軸微調功能 
e. 75W氙燈電源供應器
f. 燈源計時器
單色儀 a. Czerny-Turner是單色儀
b. 焦長<120 mm
c. F/#:3.9 
d. 波長最小步進≦1 nm
e. 掃描間隔0.1 nm-50 nm,一般10 nm
光學成像系統 a. 光斑面積為方型1 x 1 mm2或長方形1 x 4 mm2,可調
b. 全波長反射鏡反射率>75%
c. 單色光光強:530 nm2 Mw/cm2
d. 光學入射角度8度角
e. 垂直照射光線
f. 有效樣品操作距離大於10 cm
光斬波器 a. 頻率範圍4 ~ 500 Hz
b. 可計算機控制頻率
c. 頻率辨別率可達0.01 Hz,穩定度<±0.05 Hz
d. 頻率改變所需穩定時間<3
自動濾波片轉輪系統 a. 光學式濾鏡轉輪
b. 4片濾波片
c. 自動控制或手動控制,並具備LED顯示器顯示目前位置
鎖相放大器模組 a. 雙信道DSP鎖相放大功能
b. 最大量測擷取速度<25 us(單點)
c. 雙信道鎖相同步量測速度<50 us
d. 雙通道時間延遲<1 us
e. 時間常數可自行設置:0.001~100 sec
f. 衰減濾波器
g. RXYθ 量測功能
h. 介面接口:USB
i. 最大增益:107 
j. 最大靈敏度:1 nA 
k. 最大輸入電壓:10V
l. Bandpass帶寬濾波功能,自動濾除干擾信號
m. 信道自動切換功能 
校正探測器 a. Si for 300-1100 nm
b. BNC 接口
c. 面積10 x 10 mm2,不均勻度為千分之五
d. 附標定證書,溯源到美國NIST
e. 電腦控制切換探測器通道
光強監控反饋功能 a. 光強監控反饋標準件
b. 監控反饋範圍:與EQE波長相同
c. 反饋電路用鎖相放大器
d. DSP 鎖相輸入
e. 實時反饋能力 
測量軟體 a. 絕對光強校正
b. 光譜響應測量 
c. 外部量子效率測量(EQE)
d. 禁帶寬度測量(Bandgap)
e. 自動、實時短路電流密度Jsc計算
f. 單波長短路電流自動計算 
g. 獨立控制操作整體硬體系統及數據讀取 

h. 光譜失配因子計算(MMF) 

i. 信號監控功能
j. 任意AM光譜短路電流密度計算功能
k. 數據保存格式txt
顯示示波器模組 a. 示波器顯示窗口
b. 時域信號和頻域信號測量分析顯示能力 
c. 最大時域範圍10 S
d. 信號監控功能,可監測樣品光電流訊號的產生和變化
e. 軟體支持4對1計算器控制訊號切換器
f. 兩組獨立通道(EQE,QE
g. 模擬輸入分辨率14 Bits (ADC,模擬數字轉換器
h. 取樣率(Sampling Rate)最大分辨率48 KS/s
i. 最大顯示電壓範圍±10V,準確度 7.73 Mv
j. 最小讀取電流 1nA
操作電腦 a. 操作電腦,LCD屏幕
b. 正版Windows 7 操作系統
c. RS232 通信接口
屏蔽暗箱 a. 一體式整合設備
b. 防雜光屏蔽暗箱
c. 標準60 cm暗箱操作空間


選件型號 選件項目 規格
QE-R-RCG3018 EQE近紅外波長擴展 a. EQE測量波長擴展300-1800 nm
b.標準Ge鍺探測器與連接線
c.擴展波長範圍900-1800 nm
d.附標定報告
e.鍺探測器專用鎖相輸入通道
f.長波長EQE軟體測量功能
QE-R-IS3011 內部量子效率測量模組 a. 積分球反射率測量
b. 搭配兩吋積分球,硫化鋇塗料 
c. 1.4 cm積分求開口
d. 8度角入射
e. 300-1100 nm平均測量重複性≦ 1%
f. 反射濾光般尺寸:與EQE一致
g. IQEEQE同點測量
h.反射率及內部量子效率量測計算程序
i. 反射率測試波長300~1100 nm
j. 硅探測器 
k. 標準反射白板,附計量報告
QE-R-IS3018 長波長內部量子效率量測模組 a. 積分球反射率測量
b. 搭配兩吋積分球,硫化鋇塗料
c. 1.4 cm積分求開口
d. 8度角入射
e. 全波長測量重複性≦ ±1%
f. 反射濾光斑尺寸:與EQE一致
g. IQEEQE同點測量
h. 反射率及內部量子效率量測計算程序
i. 反射率測試波長 300 ~ 1800 nm
j. 硅/鍺雙探測器
k. 標準反射白板,附計量報告
QE-R-T 透射率測量功能 a. 透射率測量之價,高度可調
b. 積分球模式
c. 測量波長與IQE相同
d. 光斑大小與EQE相同
QE-R-DC 直流測量模組 a. 直流測量模式
b. 斬波器切換器
c. 直流測量軟體
  • 量測延遲設定功能
  • 支持單點多次訊號擷取和平均功能
  • 數據實時顯示功能
d. 1k Hz 低通道直流濾波器
e. 增益配置大於106
f. 模擬輸入分辨率>10,000
g. 直流模式全波長測量不重複性≦ ±1%
QE-R-DL 雙光源系統 a. 75W Xe & 150W XQ 雙光源
b. 電流不穩定度Xe <0.5%,XQ<0.1%
c. 測量波長範圍300-1800 nm (EQE, IQE)
d. 高效率、高反射率橢圓反射鏡集光系統
e. 光源可提供300~2500 nm連續光譜
f. 雙光源快速切換裝置
g. 切換行程:75 mm
h. 切換精度:±0.05 mm
i. 切換速:10~200 mm/s
j. 燈源計時器
QE-R-B0505 超小光斑模組 a. 光斑面積為方形:0.5 mm x 0.5 mm
b. 光學成像鏡組
c. 信號濾波放大電路
d. 二次放大能力
QE-R-VB05 電壓偏壓功能 a. 0~±5 V
b. 分辨率1.22 Mv
c. 軟體設置功能
QE-R-VB10 電壓偏壓功能 a. 0~±5 V
b. 分辨率1.22 Mv
c. 軟體設置功能
QE-R-LB 白光偏置光功能 a. 150 w 鹵素燈偏置光源
b. 0-2 Sun 光強連續可調
c. 1 m光纖款
d. 光強透鏡組和支架
e. X軸移動滑台,固定磁座
f. 安全保護裝置:過載斷路保護
g. 散熱系統:風冷
QE-R-DJ 雙結電池測試功能 a. 150 W 鹵素燈偏置光源
b. 0-5 Sun 光強連續可調
c. 1 m光纖款
d. 光強透鏡組和支架
e. X軸移動滑台,固定磁座
f. 安全保護裝置:過載斷路保護
g. 散熱系統:風冷
h. 兩組濾波片550 nm,700 nm
i. 吸鐵石吸附固定卡座
j. 多結測量軟體
QE-ST-SI 鍍金平板測量樣品台 a. 6寸標準經硅測量樣品台
b. 銅鍍金平台
c. 兩段式真空吸附功能
d. 7 L/min 吸附能力真空泵
e. 兩組Z軸探針座
f. 探針兩根
g. 針尖:0.5 mm
h. 標準電池水平固定平台
i. 4個高度水平調整Z軸座,調整範圍30 mm
j. BNC接口
QE-ST-OP 精密微調薄膜樣品台 a. 標準薄膜樣品台
b. 一組標準芯片夾夾具或兩組芯片夾
c. 三軸移動微調座,行程:±3 mm,精度0.01 mm,水平最大載重10 KG
d. 最小精度10微米
e. 可拔插磁吸式樣品夾具固定座
f. 標準探測器固定卡槽
g. 六段式切換開關
h. 最多支持6個子電池,間距2.54 mm
QE-ST-DS 多用途薄膜測量樣品台 a. 多用途薄膜測量樣品台
b. 兩組標準芯片夾夾具
c. 可測單邊樣品與雙邊樣品
d. 最小精度10微米
e. 可拔插磁吸式樣品夾具固定座
f. 標準探測器固定卡槽
g. 4軸水平調整座,高度可調
h. 最多支持6個子電池,間距2.54 mm
QE-BT-BOX 背探針測量樣品盒 a. 背探針式樣品盒
b. 0.475 mm圓頭彈簧探針
c. 彈簧探針伸縮範圍:2 mm
d. 強力磁鐵緊密合蓋
e. 訂製化用戶樣品電級位置
f. 最大支持樣品尺寸:20 mm(L) x 20 mm(W) x 2 mm(H)
g. 最大支持6個子電池
QE-ST-FL 翻轉載台 a. 放置組件的載台平板可做180°翻轉
b. 含2組Z軸探針座(含探針)
c. 樣品槽適用不大於2.5 x 2.5 cm樣品
QE-R-FB 光纖導出套件 a. 測量範圍300-1100 nm
b. 光纖導光切換模組組件
c. 防洩漏光纖管4.5
d. 光纖聚光套鏡組
e. 光纖照射光斑大小達直徑 1 mm
f. 光纖安裝支架
QE-R-GI 手套箱整合EQE模組 a. 測量範圍300-1100 nm
b. 光纖導光切換模組組件,手套箱內外均可獨立量測使用
c. 手套箱專用防洩漏光纖管4.5米
d. 手套箱專用KF40法蘭密封組件
e. 光纖聚光透鏡組
f. 光纖照射光斑大小達直徑1 mm 
g. 光源由上向下導光照射
h. 手套箱專用樣品台,附有BNC傳輸端、專用芯片夾,專用光纖安裝支
i. 樣品獨立切換樣品盒,可獨立切換信道功能
j. 測量專用不透光黑布
k. 校正電池專用防塵蓋
l. 載台X、Y軸精密調整滑台
m. XY軸移動行程±12.5 mm,精度0.01 mm,水平最大載重10KG
n. BNC信號連接線
QE-R-mapping 自動掃描測試功能 a. XY軸自動樣品台
b. X、Y雙軸有效移動行程為±100 mm
c. 單向重複定位精度為±0.02 mm
d. 移動最小分辨率為2.5 μm
e. 傳動軸為精密滾珠螺杆
f. 精密滑軌作為輔助導軌
g. 水平最大載眾為9 KG
h. 垂直最大載重為2.5 KG
i. 裝軸附有滑台專用保護鍊
j. 移動方式:自動控制
k .兩端附有光遮斷安全裝置
l. 一鍵執行自動量子效率光強校正
m. 自動LBIC掃描功能,單波長絕對量子效率測量(須配合標準探測器),2D3D顯示
n. LBIC測量時間為0.25S/點
o. 測量不重複性≦±2%(所有測量點3次重複測量平均)
p. 多點量子效率EQE、IQE光譜量測功能
q. 多點量子效率光譜量測座標軟體設定功能
r. 載台預走功能(具備各點位置修正功能,可儲存新的座標)
QE-R-MJ LED自動多結電池測試功能 a. 4組高光強LED偏置光源
b. 全自動化控制軟體
c. 4通道獨立控制器
d. RS-232控制介面
e. 過電流和過電流保護功能
f. 定電流控制模式
g. 輸出電流800 Ma/Channel
h. 閃頻控制頻率10 Khz (max)
i. 三結電池連續測量,不需要手動切換
j. 聚光透鏡組
k. 150 W鹵素燈偏置光源
l. 光強透鏡組和支架
m. 長波濾鏡
QE-R-LUP 光路向上測試功能 a. 光路向上照射模式
b. 光路上下調整旋鈕
c. 2Z軸精密探針座
d. 香蕉接頭信號通道

LBIC掃描測試電池


◆ 方便的光路導出:
用戶可迅切換光路(QER暗箱內或外部整合使用)設備可以在外部暗箱使用,亦可以在暗箱內使用, 一機兩用,切換方便。

 
雙光路、雙鎖相放大器:

提升穩定性與測量重複性。



◆ 獨家信號監控功能:

判斷光斑是否正確照射在樣品上當光斑照射位置不正確時,例如部分光斑照射在細柵或主柵時,信號監控窗口的波形會減弱,最終得到的量子效率會變低。


◆ 光譜響應/量子效率/IPCE在矽晶太陽能電池製程改善上之應用:



(圖A矽晶太陽能電池量子效率光譜與各波長反應之示意圖。插圖為矽晶太陽能電池的元件結構。

光譜響應/量子效率/IPCE光譜不同波段反應太陽能電池各層的特性。以矽晶太陽能電池為例,其普遍的製程是在p型晶片上擴散摻雜製作n層,形成pn接面,表面再作粗化製作抗反射層,降低介面反射,以提高入射的光子效率,其結構如當太陽光照射到太陽能電池時,光通過的順序為抗反射層、n層、pn接面、p層、背電極。在入射的界面,產生界面的反射,不同波長反射的程度不一,通常UV段與紅外波段的反射所造成的損耗較高,而在可見光波段損耗最低。抗反射層因能隙較大,僅會吸收短波長的光,因此短波長段300 nm ~ 350 nm通常反應抗反射層的特性。波長大於350 nm的光陸續穿過n層、pn接面與p層,因各層厚度的不同,所吸收的波段範圍依序為350 nm ~ 500 nm波段(n層),500 nm ~ 800 nm波段(pn接面),800 nm ~1100 nm (p層)。

350 nm ~ 500 nm波段,光譜響應曲線是隨著波長的增加而提升,因長波長光子穿透深度較深,接近pn接面,因此轉換效率提升。一般效率最高的部分都是落在PN接面的波段,因pn接面內部電場可有效率的拆解吸收光子後的電子電洞對,因此,效率最高500 ~ 800 nm波段,反應的是pn接面層的特性。800~1100 nm波段穿透到最下層的p層,光譜隨波長增加而快速遞減的原因有兩個部分: 第一個是800-1000 nm 波段波長越長,產生的電子電洞對就越遠離pn接面,需藉由擴散機制到達pn接面;距離pn接面越遠,在擴散到pn接面前就被複合的機率較高,所以800 ~ 1000 nm 光譜隨波長遞減。第二,大於1000 nm波段快速下降則是因為入射光能量逐漸小於矽的能隙,入射光無法激發電子-電洞對之產生,所以曲線快速下降。可由(圖A)單晶矽太陽能電池外部量子效率觀察出各層反應特性。

以(圖B)為例,由光譜響應換算成量子效率可以得到下(圖C)。

A電池在300 nm ~ 500 nm效率效率較B電池低,欲再提升A電池的效率,應該要著重在抗反射層(300 nm~ 350 nm)與n(350 nm ~ 500 nm)的製程上,作為改進之方向。

B不同製程條件下太陽能電池光譜響應與AM1.5G的示意

丙

C兩個不同製程電池的量子效率光譜


 譜響應/量子效率/IPCE在銅銦鎵硒(Copper Indium Gallium Senillide;CIGS)太陽能電池之應用:

銅銦鎵硒 CIGS(Copper Indium Gallium Selenium)屬於四元化合物半導體,歸類為單接面太陽能電池,

(圖A為其常見的元件結構。



(圖ACIGS銅銦鎵硒太陽能電池元件結構

銅銦鎵硒隨著銦鎵含量的不同影響其能隙的大小,使其其光吸收範圍可從1.02 ev1.68 ev。而光譜響應/量子效率/IPCE可以針對不同的太陽能電池來測試其能隙大小。如圖B所示,當銅銦鎵硒的鎵的含量增加,而由光譜響應/量子效率/IPCE光譜量測的結果發現,其能隙隨之增加,因此可做為製程中鎵成分的檢測工具。


▲(圖B相同元件結構下,改變不同的鎵成分的量子效率光譜,顯示隨著鎵的成分提高,銅銦鎵硒的能隙亦隨之增加,從1 eV提升到1.67 eV

現階段技術發展重點以降低成本和提高光電轉換效率為研究方向,而提升轉換率除銅銦鎵硒薄膜成份的黃金比率與最佳化厚度外,必須有系統地探究銅銦鎵硒薄膜太陽能電池其他層的特性,對其製程效率與整體元件結構設計之影響,進而有效提升銅銦鎵硒薄膜太陽能電池光電轉換率。因銅銦鎵硒太陽能電池的成分、結構複雜,使相關的研究不易進行,而光譜響應/量子效率/IPCE光譜測試可以解析其複雜的組成,作為提供製程改進最有力的依據。如(圖C)繪出對應不同波段光譜響應/量子效率/IPCE光譜所反應之元件結構各部特性。如在波長300 nm ~ 400 nm可觀察出Window(ZnO)的量子效率,波長400 nm ~ 540 nm可觀察出Buffer(CdS)的量子效率,波長540 nm ~ 1200 nm可觀察出Absorber(CIGS)的量子效率。


(圖C銅銦鎵硒太陽能電池量子效率光譜與不同波長段反應電池各層特性示意圖。

例如,CdS Buffer層的厚度、製程條件均對最終電池的效率有顯著的影響,調整不同的CdS條件,雖可以藉由電流電壓曲線量測得到整體電池效率是否提升,但所獲得的資訊十分有限,若實驗中有其他的因素變化如CISCIGS吸收層發生意料之外的問題,就會影響電流電壓曲線分析的結果,無法作可靠的分析依據。而光譜響應/量子效率/IPCE光譜,可以同時觀測到電池各層的獨立特性,可做為結果判斷的明確依據。


(圖D調整不同CdS層厚度可由光譜響應/量子效率/IPCE光譜看到400~500 nm波段對電池效率的影響。

(圖D)的量子效率光譜是改變CdS的薄膜厚度,不改變CIS的製程條件,結果顯示400-500 nm波段隨著CdS的厚度變化(15 nm ~ 80 nm)而效率隨之變化,在波長> 500 nm波段,顯示了CIS的效率並沒有顯著差異,代表其製程條件穩定,最終可明確的評斷出CdS最佳的膜厚條件為15 nm。若是相同的CIS製程條件,而> 500 nm波段光譜有所變化,則表示有其他的因素影響不同CdS薄膜厚度變化實驗結果, 則可再分析相關的製作過程影響,達到單次製程實驗得到最多有效資訊之成效。透過光譜響應/量子效率/IPCE的檢測可觀察出製程改變之細部影響,並建立資料庫進而作為產線上良率變化時,尋找問題、改善條件之方便工具。

光譜響應/量子效率/IPCE光譜可以提供出電流電壓曲線更多的製程改進資訊。(圖E)為替換新型的Buffer層的材料ZnS(O,OH)取代CdS的電流電壓曲線圖。從電流電壓曲線上ZnS(O,OH)/CIGS結構的轉換效率η=18.6%,短路電流密度36.1 mA/cm^2雖高於傳統的CdS/CIGS的35.7 mA/cm^2,但在開路電壓確較CdS/CIGS下降了25 mV,使得整體的效率低於CdS/CIGS的η=19.2%。僅從電流電壓曲線,並無法提供更明確的製程改進方向。但是從(圖F)其光譜響應/量子效率/IPCE光譜的結果可以明確了解300 nm ~ 500 nm波段為ZnS(O,OH)層與CdS層的反應,ZnS(O,OH)層的轉換效率高於傳統的CdS層,在短路電流密度上增加了1.4 mA/cm2;然而從600 nm ~ 1000 nm波段可看出,ZnS(O,OH)層也造成了CIGS層電流密度貢獻下降了1 mA/cm2,且在兩種結構下的等效能隙變化了10 meV。由此結果,可以判斷ZnS(O,OH)材料具備較CdS材料好的光電轉換能力,但其對CIGS亦造成些許的影響,若能進步改進ZnS(O,OH)/CIGS介面問題,ZnS(O,OH)則具有應用之潛力。這個例子說明了光譜響應/量子效率/IPCE光譜可以較電流-電壓曲線提供更多電池內部各層的資訊,有效的作為元件效率、製程條件改進之方向。

▲(圖E)選用不同Buffer層材料所製作出的電池元件電流電壓效率圖,新材料ZnS(O,OH)在短路電流上提升約1 %的變化,開路電壓下降了25 mV

(圖F不同Buffer層材料的光譜響應/量子效率/IPCE光譜。顯示ZnS(O,OH)層本身的轉換效率優於CdS,惟對CIGS亦產生影響,若能克服ZnS(O,OH)/CIGS介面問題,ZnS(O,OH)則具備應用之潛力。


由上述說明可了解光譜響應/量子效率/IPCE光譜,可提供銅銦鎵硒太陽能電池(CIGS)訊息如下:

● Window/ Buffer/ Absorber等各層的光電轉換效率
● Absorber 銅銦鎵硒中的鎵濃度對材料能隙的鑑定
● 各層因製程條件轉變所造成效率的變化程度



光譜響應/量子效率/IPCE堆疊型矽薄膜太陽能電池(Thin-film Si tandem solar cell)之應用:

矽晶材料價格昂貴,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年起矽薄膜太陽能電池吸引了許多研究與廠家投入。在轉換效率上,商用非晶矽薄膜模組的極限約為7 %,相較於堆疊型矽薄膜太陽能電池模組能夠超過10 %,使得堆疊式矽薄膜太陽能電池已成市場主流。圖十二是雙層堆疊型太陽能電池的元件結構。


(圖A堆疊型矽薄膜太陽能電池結構圖 TCO玻璃基板上先製作非晶矽薄膜,接著製作高摻雜濃度的介面層(intermediate layer)後,製作微晶矽薄膜與電極。


高效率堆疊型矽薄膜元件結構設計最重要的議題是需要各層電池的短路電流密度接近,稱為電流匹配(current match)。在檢測各層電池的短路電流密度是十分困難的,無法使用一般的電流-電壓曲線儀測得各層電池的電流。光譜響應/量子效率/IPCE光譜技術是目前唯一能獨立量測出各層電池短路電流密度的技術。使用光譜響應/量子效率/IPCE光譜技術測出各層的短路電流密度,當兩個子電池串聯時,總輸出電流是由較小電流的電池來決定,並可得知目前電池的電流由哪個子電池來控制,及要提高整體效率要針對哪一個子電池的製程進行改善。
(圖B是利用光譜響應/量子效率/IPCE光譜技術量測非晶矽-微晶矽堆疊型矽薄膜太陽能電池各層的光譜響應/量子效率/IPCE光譜,此光譜對AM1.5G標準太陽光譜做計算可以得到各層的短路電流密度。上層電池(非晶矽層)與下層電池(微晶矽層)的短路電流密度分別為11.94 mA/cm^29.98 mA/cm^2,因此整體電池的輸出電流密度是由下層的微晶矽電池來決定。若是利用太陽光模擬器與電流-電壓曲線儀,僅能得到一個輸出電流密度,無法知道各層電池的好壞,更無法訂定明確的製程改善方向與目標。以(圖B的結果為例,利用光譜響應/量子效率/IPCE光譜技術測出是由下層微晶矽電池限制了整體電池的輸出電流,因此可以將製程改善的方向放在下層微晶矽電池的製程,藉由提高微晶矽電池的轉換效率,使得上、下層電流密度匹配,即可提高整體效率,無需再設計更多的實驗條件來驗證是何層電池限制了整體電池效率,可大幅提升製程開發、效率改進的時程與成本。


(圖B非晶矽-微晶矽堆疊型矽薄膜太陽能電池上層電池與下層電池的光譜響應/量子效率/IPCE光譜。

任何在堆疊型太陽能電池製程上參數的改變,均可由光譜響應/量子效率/IPCE光譜得知改善結果。以非晶矽-微晶矽堆型型太陽能電池為例,假設上層電池的電流密度小於下層電池的電流密度,輸出電流密度由上層電池來決定。若要調整上下層電池彼此的電流密度,以達到接近1:1最佳的電流密度匹配條件,可由電池的結構來著手。


(圖C標準雙層堆疊型電池結構及增加中間層ZnO做為光線捕捉的結構

例如,為增加上層電池的電流密度,可以在上下層電池間增加一層中間反射層如ZnO,將原本會穿透上層非晶矽電池的光部分反射回上層電池中,形成光線捕捉(Light trapping)的功用,提昇上層電池的電流密度。(圖C即為在標準雙層非晶矽-微晶矽堆疊型太陽能電池中有無增加中間層ZnO做為光線捕捉的結構。(圖D兩種結構的光譜響應/量子效率/IPCE光譜測試的結果。由(圖D可以觀察到增加了ZnO層後,上層非晶矽電池在500 nm ~ 700 nm波段效率顯著提升,如所預期的ZnO達到光線捕捉的功能,也使上層非晶矽電池的短路電流密度增加。由於500 nm ~ 700 nm波段的光被捕捉在上層電池,使得進到下層電池的500 nm ~ 700 nm波段的光線減少,因此下層微晶矽電池在此波段的電流密度降低,以致短路電流密度下降。因此,我們可以調整ZnO層的條件,並利用光譜響應/量子效率/IPCE光譜來作為結果的檢測,將上下層電池在短路電流密度上調整的更佳匹配,以提升整體電池的輸出效率。我們可以了解到光譜響應/量子效率/IPCE光譜可以容易的檢測出堆疊型矽薄膜電池微結構上的變化,做為製程改進上的有力依據。

(圖D增加ZnO中間層製程前後的光譜響應/量子效率光譜

在現今競爭激烈的太陽能產業中,不斷地降低成本,提高光電轉換效率,是太陽能廠商脫穎而出的必要條件!太陽能電池轉換效率的提升,關鍵在於製程及材料的改善。測量太陽能電池的光譜響應/量子效率/IPCE,能了解太陽能電池在不同光波長下光電轉換效率的情形,使用者可依據光譜響應的結果快速找到製程的問題點加以改善,更有助於效率的提升。


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