虹科案例|太赫茲技術(shù)用于石墨烯光伏器件的性能表征

石墨烯，定義為碳原子的單層(單層)，顯示出獨特的特性，使其成為一種非常通用的材料。其中，石墨烯的機械、電學和光學性能被認為是非常有吸引力的發(fā)電器件，這使得石墨烯成為一種非常有前途的近期能源技術(shù)材料。作為新一代透明導(dǎo)電電極(TCEs)極具吸引力的候選材料，在顯示器、觸摸屏或太陽能電池等不同研究領(lǐng)域具有巨大影響，并不斷向商業(yè)市場推廣。

自2004年由曼徹斯特大學的André Geim和Kostya Novoselov發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)開發(fā)和完善了幾種制造技術(shù):高度組織的石墨片的機械剝離，超音速噴射制備，激光輔助工藝，或化學氣相沉積(CVD)。在器件技術(shù)中集成石墨烯的主要限制和障礙仍然是:(i)實現(xiàn)具有成本效益的高質(zhì)量晶體石墨烯;(ii)石墨烯轉(zhuǎn)移過程中使用的參數(shù)的兼容性;以及(iii)大規(guī)模生產(chǎn)，覆蓋大面積。即使在實驗室規(guī)模上，這些挑戰(zhàn)仍然存在。在這個意義上，CVD被認為是最有前途的方法之一，以可控和可重復(fù)的方式合成高質(zhì)量的石墨烯材料。

由于將石墨烯整合到各種應(yīng)用的器件中具有潛在的好處，人們一直致力于開發(fā)高效可靠的傳輸方法。目前已成功將石墨烯作為透明電極、界面層或電子受體在不同的光伏技術(shù)(即有機、染料敏化甚至硅)中發(fā)揮不同的作用。然而，在結(jié)構(gòu)中含有石墨烯的技術(shù)研究仍處于實驗室規(guī)模，需要更多的努力才能將其落實到連鎖生產(chǎn)中。

如今，光伏市場繼續(xù)由晶體硅技術(shù)主導(dǎo)，這需要新的非常規(guī)解決方案來降低成本。從這個意義上說，硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)技術(shù)被認為是一種可靠的低溫高效解決方案。關(guān)于在SHJ技術(shù)中使用石墨烯，混合概念已經(jīng)被研究，證明了提高光伏性能的可能性。特別是石墨烯層已經(jīng)被引入到傳統(tǒng)的透明導(dǎo)電氧化物(TCO)電極上，如銦錫氧化物(ITO)。這種組合結(jié)構(gòu)顯著降低了器件串聯(lián)電阻，從而產(chǎn)生了更高的填充系數(shù)。此外，由于石墨烯層具有非常高的光學透過率，TCO繼續(xù)發(fā)揮其作為減反射涂層的作用。如果技術(shù)問題能夠解決，這種解決方案肯定可以改進SHJ太陽能電池。

CIEMAT（西班牙能源研究中心）與加泰羅尼亞理工大學合作，他們將石墨烯單層被納入非常規(guī)晶體硅太陽能電池的前電極， 50納米厚的氧化鉬(MoOx)空穴選擇層取代了傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)太陽能電池的p摻雜非晶硅層 (如圖1)。

采用氧化鉬作為空穴選擇觸點并在前透明電極上實現(xiàn)石墨烯單層的制備硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的示意圖

用于石墨烯轉(zhuǎn)移的條件與太陽能電池完整性的兼容性被視為一個關(guān)鍵問題，這需要對石墨烯摻入是否提高了器件的性能做探究，直觀數(shù)據(jù)則是通過對參考標準樣品與石墨烯器件樣品進行電學性能的測量，通過對比即可判斷性能是否有提升。

針對光伏器件的電性能表征，很多研究小組采用一些傳統(tǒng)的表征方法。比如宏觀尺度的四探針法，它的功能在于能夠精確測量任意形狀樣品的性質(zhì)，只要樣品大約是二維的（即它比它寬得多），固體（無孔）和電極放在它的周邊。 van der Pauw方法采用圍繞樣品周邊放置的四點探針，與線性四點探針相反：這允許van der Pauw方法提供樣品的平均電阻率。四探針法是一種簡便的測量電阻率的方法。四探針法測量電阻率有個非常大的優(yōu)點，它不需要較準；有時用其它方法測量電阻率時還用四探針法較準。

如果需要更高的分辨率，則大多采用掃描開爾文探針顯微鏡（SKPM)。它是在原子力顯微鏡（AFM）技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合開爾文探針技術(shù)發(fā)展起來的一種掃描探針顯微鏡技術(shù)，用于對樣品表面靜電勢分布進行成像，因此也稱為表面電勢成像法。SKPM能夠獲取nm級別的高分辨率電勢分布圖像，提供微觀尺度的電學性能分析。

然而，這些傳統(tǒng)方法都存在一定的限制，比如四探針法必需接觸樣品表面，屬于破壞性的檢測手段；而SKPM技術(shù)適合小尺寸的樣品，分辨率高但是掃描時間冗長，還需要繁瑣的樣品制備步驟。更重要的是，這些方法僅能夠得到一兩種特定的電參數(shù)數(shù)據(jù)，無法一次性獲取比較全面的電學評估參數(shù)。

太赫茲波位于微波與紅外之間，具有諸多優(yōu)異性質(zhì)，比如沒有電離輻射，對非極性材料的優(yōu)異穿透性，以及非接觸式的工作方式，在缺陷檢測、涂層測厚、參數(shù)表征功能方面具有極佳的應(yīng)用前景。

虹科ONXY系統(tǒng)基于太赫茲時域光譜技術(shù)，通過飛秒激光與光電導(dǎo)天線的作用產(chǎn)生太赫茲波，與材料各層發(fā)生相互作用，通過檢測反射的太赫茲信號并專利算法分析，即可提取各層的電參數(shù)，包括電導(dǎo)率、電阻率、載流子密度等，而這些參數(shù)只需一次測量即可全部獲得。

CIEMAT研究的目的是評估在非傳統(tǒng)MoOx孔選擇性接觸的n型硅太陽能電池前透明電極上加入石墨烯層的效果。針對于無損表征的要求，他們最終選擇了基于太赫茲技術(shù)的虹科ONXY系統(tǒng)來表征光伏器件的電學特性。

下圖顯示了參考太陽能電池(a)與涂有石墨烯單層的相同設(shè)備(b)的太赫茲反射光譜測量的電導(dǎo)圖。Onyx系統(tǒng)能夠顯示出參考器件中前端金屬網(wǎng)格的母線和手指狀。ITO區(qū)域的背景片電導(dǎo)為3ms，在母線上增加到4.50 mS(圖a)。添加單層石墨烯使器件區(qū)域的對比度變得模糊，使得更難區(qū)分手指狀和下面的ITO層(圖b)。

通過太赫茲反射光譜測量(a)參考器件(a)和加入石墨烯單層(b)的薄片電導(dǎo)圖

在這種情況下，背景的片電導(dǎo)為4.5 mS，在母線區(qū)域增加到6.5 mS。因此，通過太赫茲反射光譜進行的一種新的非接觸電表征表明，石墨烯的加入使片狀電導(dǎo)增加了50%(從3.0-3.5 mS增加到4.5-5.5 mS)。綜上所述，石墨烯層對降低前電極串聯(lián)電阻有積極作用。這種效果與在傳統(tǒng)硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池中觀察到的效果相似，在傳統(tǒng)硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池中，通過添加石墨烯單層，器件性能得到了改善。

參考樣品和石墨烯涂層太陽能電池在室溫(25?C)下AM1.5 g照明(100 mW/cm2)下測量的JV曲線以及外部量子效率曲線

此外，通過其他方法測得石墨烯涂層太陽能電池的JV曲線顯示出更好的Voc和FF值，PCE的絕對增長非常顯著的1.6%。因此，這項研究確定了石墨烯基電極在非常規(guī)太陽能電池中的可能應(yīng)用。此外，這種用途對于要求靈活或透明的電子投注的應(yīng)用程序也很有趣，以減少對環(huán)境的影響。

參考文獻：Ros, E.; Fernández, S.; Ortega, P .; Taboada, E.; Arnedo, I.; Gandía, J.J.; V oz, C. Impact of Graphene Monolayer on the Performance of Non-Conventional Silicon Heterojunction Solar Cells with MoOx Hole-Selective Contact. Materials 2023, 16, 1223.

審核編輯黃宇