一、鈣鈦礦太陽能電池介紹

太陽能電池是一種能將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的光伏器件。太陽能電池可以應(yīng)用于發(fā)電廠，照明，汽車，通風(fēng)系統(tǒng)等商用和家用的場(chǎng)景。太陽能電池可以分為第一代、第二代和第三代電池。第一代電池也稱為傳統(tǒng)電池或晶硅電池，由商業(yè)上占主導(dǎo)地位的晶體硅制成，包括多晶硅和單晶硅等材料。第二代電池是薄膜太陽能電池，包括非晶硅，CdTe和CIGS電池。第三代太陽能電池包括多種薄膜技術(shù)，通常被稱為新興光伏技術(shù)。晶硅電池的理論極限效率為29.4%，考慮到光學(xué)與電學(xué)的實(shí)際可能的損失后,其實(shí)際的理論效率只有27.1%。采用背接觸晶硅電池與異質(zhì)結(jié)晶硅電池結(jié)合工藝制備的晶硅電池效率世界記錄為26.7%，接近晶硅電池實(shí)際的理論極限效率。

鈣鈦礦具有帶隙可調(diào)、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前正處于從實(shí)驗(yàn)室到大尺寸工業(yè)制造階段。鈣鈦礦材料泛指一類化學(xué)組成與鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)相似的ABX3型化合物（如圖1所示），此類物質(zhì)在自然界中廣泛存在。由于最初發(fā)現(xiàn)的該類物質(zhì)僅具有鈣，鈦，氧三種元素，故將其命名為鈣鈦礦。鈣鈦礦太陽能電池（Perovskite solar-cells, PCSs）按照材料選擇可進(jìn)一步細(xì)分為鈣鈦礦-晶硅疊層，全鈣鈦礦疊層，鈣鈦礦-有機(jī)疊層，鈣鈦礦-CIGS疊層電池。目前產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度較快的是全鈣鈦礦疊層和鈣鈦礦-晶硅疊層電池。

圖1 ABX3鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)示意圖

（來源：A review of characterization of perovskite film in solar cells by spectroscopic ellipsometry）

二、鈣鈦礦太陽能電池薄膜量測(cè)對(duì)象及意義

檢測(cè)是PCSs的研發(fā)與生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。在PCSs的研發(fā)過程中，需進(jìn)行光電性能，光熱穩(wěn)定性和薄膜厚度等檢測(cè)。研究人員根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化PCSs性能的目的。在PCSs的生產(chǎn)過程中進(jìn)行各項(xiàng)檢測(cè)，可以對(duì)產(chǎn)品的各項(xiàng)性能進(jìn)行監(jiān)控，有助于實(shí)現(xiàn)高效的質(zhì)量控制，降低生產(chǎn)成本。

目前，PCSs為薄膜器件結(jié)構(gòu)，主要包括活性吸光層（鈣鈦礦層），界面修飾層（空穴傳輸層和電子傳輸層）以及電極層（透明電極和金屬對(duì)電極）。器件中的不同功能層遵循一定的排列順序，即透明電極/電子傳輸層（Electron transport-layer, ETL）/鈣鈦礦吸收層/空穴傳輸層（Hole transport-layer, HTL）/金屬電極，該結(jié)構(gòu)被稱為常規(guī)正向（n-i-p）結(jié)構(gòu)，而p-i-n型器件被稱為倒置結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 n-i-p結(jié)構(gòu)和p-i-n結(jié)構(gòu)示意圖

以n-i-p結(jié)構(gòu)的PCSs為例。鈣鈦礦層，HTL，ETL，透明電極和金屬電極的工藝條件會(huì)影響對(duì)應(yīng)薄膜的成膜質(zhì)量與厚度，進(jìn)而影響PCSs的光學(xué)和電學(xué)性能。

對(duì)這些膜層的光學(xué)參數(shù)和厚度進(jìn)行快速、非破壞、準(zhǔn)確的量測(cè)能有效提高PCSs器件的光電性能，為PCSs器件的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的參考。

三、鈣鈦礦太陽能電池的量測(cè)解決方案

推薦使用頤光科技ME-Mapping-L全自動(dòng)高精度穆勒矩陣光譜橢偏儀測(cè)量，ME-Mapping-L采用了行業(yè)前沿的創(chuàng)新技術(shù)，包括消色差補(bǔ)償器、雙旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器同步控制、穆勒矩陣數(shù)據(jù)分析等，支持mapping路徑自定義設(shè)置，能一次完成膜厚和nk的多點(diǎn)掃描，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的高準(zhǔn)確性和高重復(fù)性精度，可以滿足PSCs行業(yè)量測(cè)需求。

圖3 頤光科技ME-Mapping-L 設(shè)備示意圖

四、測(cè)量案例介紹

1. 導(dǎo)電玻璃（ITO玻璃）

對(duì)ITO玻璃進(jìn)行建模測(cè)量，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。

圖4 ITO玻璃膜層結(jié)構(gòu)

ITO玻璃的橢偏光譜擬合結(jié)果如圖5所示，ITO的nk如圖6所示，滿足工藝預(yù)期。

圖5 ITO玻璃的橢偏光譜擬合圖

圖6 ITO的nk曲線

2. 鈣鈦礦層

（i）對(duì)玻璃上的單層鈣鈦礦進(jìn)行建模測(cè)量，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖7。

圖7 鈣鈦礦膜層結(jié)構(gòu)

鈣鈦礦的橢偏光譜擬合結(jié)果如圖8所示，鈣鈦礦的nk如圖9所示，光學(xué)常數(shù)與厚度滿足工藝預(yù)期。

圖8 Glass-鈣鈦礦玻璃的橢偏光譜擬合圖

圖9 鈣鈦礦的nk曲線

（ii）對(duì)ITO玻璃上的鈣鈦礦進(jìn)行建模測(cè)量，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖10。

圖10 Glass-ITO-鈣鈦礦膜層結(jié)構(gòu)

橢偏光譜擬合結(jié)果如圖11所示，鈣鈦礦的厚度分布熱力圖如圖12所示，滿足工藝預(yù)期。

圖11 Glass-ITO-鈣鈦礦的橢偏光譜擬合圖

圖12 鈣鈦礦的厚度分布熱力圖