应用案例|瞬态光电压光电流解决方案-钙钛矿太阳能电池测试（光电测试系统）

本项目基于长期积累的光电器件稳态测量技术，引入瞬态测量模块，针对不同器件的测量要求提供多种样品夹具和样品台，通过优化光路和数据批量处理，实现了一体化的稳态瞬态光电测试，满足不同类型光电器件的瞬态光电测试需求。硬件布局上，该系统分为样品台模块，光源供电模块，信号放大模块和数据采集模块。样品台模块针对不同的样品由三维调节样品台以及电极夹具和探针台组成；光源模块包括一束高功率LED白光光源作为瞬态测量的偏置光源，另一束纳秒脉冲光源作为纳秒瞬态响应的脉冲激发光源；对于微弱的信号利用宽带前置放大器实现信号的增益，数据采集模块利用宽带示波器采集瞬态信号。该测量系统布局合理，能够同时满足不同光电器件的测试需求。

图1 TPV/TPC瞬态测试原型样机

图2 TPV/TPC瞬态测试样机的硬件布局

与瞬态光电压衰减测量方法相似，器件与小阻值的采样电阻并联，示波器采集采样电阻两端的电压信号，通过欧姆定律转化为光伏器件的瞬态电流信号，得到瞬态光电流衰减曲线。瞬态光电流测试能够测试器件在一定强度的偏置光下，脉冲光扰动造成的瞬态光电流响应以及衰减过程，包括光电流上升和下降过程，下降沿揭示器件中光生电荷的抽取过程。通过对光电流衰减曲线积分得到器件中电荷抽取量。电荷复合速率越大，电荷抽取量越小，越不利于光电转化效率的提高。

（1）自动化测试，包括光强程控，自动扣背景以及数据采集程控

（2）高性能数采，包括高稳定性纳秒激光器实现纳秒时间分辨，宽带前置放大器

（3）高稳定的光路和杂散光屏蔽，开放的光路，实现不同器件的精确测量

（4）批量数据处理分析软件，批量获取多组测量拟合结果

实验案例

钙钛矿太阳能电池作为第三代太阳能电池的代表，不但拥有较高的理论转化效率且成本相对较低，是目前研究的热点。以下针对3种不同参数钙钛矿太阳能电池进行稳态和瞬态光电测试，比较它们的瞬态光电压流(TPV)瞬态光电流(TPC)衰减动力学，以及电荷复合和电荷抽取情况。

首先，使用数字源表（Keithley，model 2450）测试电池的I-V 特性，如图1 所示。其中AM1.5（100 mW/cm²）的光源由太阳光模拟器（Zolix SS150A）提供，从表1 列出的I-V测试结果。填充因子，S1略高于S2，都远小于S3；光电转化效率， 比较光电转化效率，S1和S2相当，约20%，都低于S3的22%。

图 3钙钛矿电池I-V曲线结果

表1 I-V测试结果

为了验证钙钛矿电池中的电荷复合和抽取情况，对3种规格的钙钛矿电池进行了TPV/TPC测试。图4~6分别列出了三种钙钛矿电池S1~S3的TPV/TPC测试结果。拟合结果分别在表2~4中。图4a是样品S1不同偏置光电压（340mV, 1070mV, 1200mV）下的TPV衰减，从表2a看到载流子复合随着偏置光电压的增大而变快，从2.1ms到572ns, 说明载流子浓度增加导致了载流子复合加剧; 图4b是不同偏置光电压下，归一化的TPC衰减曲线，从表2b的拟合结果看到，随着偏置光电压增加，TPC寿命从273ns增加到455ns, 说明载流子浓度增加引起电荷抽取速率的减慢