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基于B2912A的有機太陽能電池測試方法

鉅大LARGE  |  點擊量：1025次  |  2020年05月12日  

隨著能源和環(huán)境問題的日趨嚴(yán)重，各種清潔能源的開發(fā)應(yīng)用日益得到重視，在這其中太陽能的利用是解決能源短缺和環(huán)境污染的最重要的途徑之一，而太陽能電池則是太陽能利用的一個非常重要的方面。當(dāng)前應(yīng)用和開發(fā)的太陽能電池包括晶硅(單晶硅、多晶硅、類單晶硅)太陽能電池、無機半導(dǎo)體薄膜(非晶硅、CdTe、GaAs、CuInSe2等)太陽能電池、有機染料敏化太陽能電池和有機太陽能電池等。目前市場上商品化的電池重要是基于無機材料的太陽能電池，但均存在成本高、光伏材料制備和純化過程耗能高、電池制備過程復(fù)雜等問題。


有機太陽能電池是一種新型有機薄膜太陽能電池，可視為第三代電池，典型的有機太陽能電池由共軛聚合物或有機小分子給體和富勒烯衍生物受體組成的共混薄膜夾在透明的ITO導(dǎo)電玻璃正極和金屬負(fù)極之間所組成。其結(jié)構(gòu)見圖1、2。有機太陽能電池具備制備過程簡單、成本低、重量輕、可制備柔性器件等突出優(yōu)點。目前實驗室報道的小面積器件最高光電轉(zhuǎn)換效率已從1995年的不到1%提高到大于9%。日前國外已經(jīng)有不少公司積極開展有機太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化工作，業(yè)界報道的電池效率已經(jīng)超過10%(日本三菱化學(xué)與美國加州理工大學(xué)合作開發(fā))，已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化道路的Heliatek公司報道的電池效率也高達(dá)10.7%。


圖1：有機太陽能結(jié)構(gòu)示意圖。


圖2：有代表性的給體p3HT和受體pCBM的有機太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖和材料的電子能級。


有機太陽能電池的工作原理和基于無機材料的太陽能電池類似，太陽光從透明電極一側(cè)入射到活性層上，活性層光伏材料吸收光子出現(xiàn)激子(電子-空穴對);激子向給體/受體界面下擴散和遷移;擴散和遷移到界面處的激子在給/受體電子能級差的用途下發(fā)生電荷分離;在電池內(nèi)部勢場的用途下，被分離的空穴沿著給體形成的通道傳輸?shù)秸龢O，而電子則沿著pCBM受體形成的通道傳輸?shù)截?fù)極;空穴和電子分別被正極和負(fù)極收集形成光電池和光電壓，從而出現(xiàn)光伏效應(yīng)。


考察有機太陽能電池性能的最重要參數(shù)包括：光電轉(zhuǎn)換效率(photovoltaicConvertEfficiency，pCE)、開路電壓(OpenCircuitVoltage，Voc)，短路電流(ShortCircuitCurrent,Jsc)，填充因子(FillFactor，F(xiàn)F)。其中電池的轉(zhuǎn)換效率計算公式為：


其中pmax為電池的最大輸出功率，Jmax為電池的最大輸出電流，Vmax為最大輸出電壓。plight為入射光能量。


圖3：有機太陽能電池等效電路及相關(guān)參數(shù)。


作為替代能源，考察太陽能電池的最重要數(shù)據(jù)是其對能量的利用效率，即太陽能電池對入射的太陽光的轉(zhuǎn)換效率。實驗室制備的有機太陽能電池絕在部分是金屬柵線電極(小面積的電池電極常為六指結(jié)構(gòu))。因有機太陽能電池與傳統(tǒng)的基于無機材料的電池相比，目前的各方面參數(shù)都有所不如，故其對測試的精確度要求更高。當(dāng)然，其他諸如簡單、快速的測試也是必需的。精確的測量數(shù)據(jù)除了可以得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換效率外，還可以得到Vmax、Jmax、pmax以及Rsh、Rs等數(shù)值，這些相關(guān)參數(shù)可以準(zhǔn)確的考察電池的各方面性能，并為下一步的電池性能改進(jìn)供應(yīng)實驗上的依據(jù)。


實驗室對有機太陽能電池性能測試源表選用的是安捷倫B2912A，采用USB接口。其最小至10fA/100nV的最小測量分辨率能夠很好的滿足有機太陽能電池小電流的測試，尤其是在暗電流的測試方面。[page]


圖4為有機太陽能電池在采用B2912A測試的連接圖測試電腦與源表以USB線相連，可以很好的滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑴y試電池與源表之間以屏蔽線直接硬連，可隔絕實驗室其他儀器對測試信號的干擾。


圖5為基于p3HT和pCBM為給、受體的有機太陽能電池以B2912A測試得到的在一個標(biāo)準(zhǔn)太陽下和無光照條件下的I-V曲線圖?？梢钥吹?，源表可以滿足測試數(shù)據(jù)高精度的要，同時可以通過設(shè)置不同的延遲時間以滿足有機太陽能電池測試信號反饋較慢的要求。


圖4：B2912A在有機太陽能電池測試中的應(yīng)用。


圖5：基于p3HT和pCBM的有機太陽能電池以B2912A測試得到的在1000W/m2光照強度下的I-V曲和無光照條件下的I-V曲線。


在有機太陽能電池科研過程中，要對大量的電池片進(jìn)行IV測試。相比傳統(tǒng)的IV測試系統(tǒng)，B2912A精密測量單元集成的IV測試系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，精度高，可靠性強，測量迅速等優(yōu)勢，大大降低了太陽能電池IV性能測量的操作成本，時間成本，同時新增了IV測量的靈活性。B2912A還可以對有機LED,有機MOSFET器件進(jìn)行電學(xué)IV特性方面的測試，可以說節(jié)省了實驗室長期的設(shè)備投資。


從長期看來，太陽能的利用必然是解決能源和環(huán)境問題的一個非常重要的方法。另一方面，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能電池的應(yīng)用也必然越來越廣泛，在這其中，有機太陽能電池因其獨特的優(yōu)點，也必將扮演相當(dāng)重要的角色。近年來，隨著大批科研人員和相當(dāng)?shù)墓鹃_始研究開發(fā)有機太陽能電池，其發(fā)展速度相當(dāng)迅速，電池效率也有著顯著提升。這也對有機太陽能電池測試提出了新的要求，當(dāng)然也帶來了新的機遇。


以我們實驗室為例，安捷倫B2912A能夠很好的滿足有機太陽能電池各方面性能測試的要求。安捷倫系統(tǒng)集成商和創(chuàng)聯(lián)合科技(北京)有限公司供應(yīng)了相關(guān)產(chǎn)品及集成方法，同時完成了相關(guān)測試技術(shù)培訓(xùn)及指導(dǎo)，如有基于B2900A系列產(chǎn)品的有機太陽能電池IV測試需求，可以聯(lián)系和創(chuàng)聯(lián)合科技(北京)有限公司。


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