虹科案例|CIEMAT利用太赫茲Onyx系統(tǒng)以無損表征光伏器件的電學(xué)特性

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挑戰(zhàn)：現(xiàn)有電學(xué)表征技術(shù)的“鴻溝”

目前，應(yīng)用于材料的電學(xué)參數(shù)表征方法可以分為兩大類：一類為宏觀尺度技術(shù)，比如四點探針法或范德堡法，光學(xué)測量等，允許快速檢測，但只能提供直流電導(dǎo)率等單一參數(shù)信息。另一類為納米尺度的技術(shù)，如拉曼光譜、原子力顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等，能夠得到分辨率很高的圖像，然而通常需要復(fù)雜的樣品制備步驟，并且測量速度十分緩慢，無法實現(xiàn)高速測量。在日新月異的材料研究領(lǐng)域中，需要同時滿足高速與高分辨率要求的情況是十分常見的，而當(dāng)前表征技術(shù)的缺陷導(dǎo)致尖端的研究材料可能很難制造。因此，非接觸和無損檢測方法對于獲得更深入的知識與更快地推進(jìn)尖端研究具有重要意義。CIEMAT（能源研究中心，Medioambientales y Tecnológicas）是隸屬于西班牙科學(xué)與創(chuàng)新部的公共研究組織，主要專注于能源和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域以及與兩者相關(guān)的技術(shù)。CIEMAT 的使命是通過科學(xué)技術(shù)知識的產(chǎn)生和應(yīng)用，為西班牙的可持續(xù)發(fā)展和公民的生活質(zhì)量做出貢獻(xiàn)。

光伏作為新能源中最為重要的一類，相關(guān)材料及器件的研究是CIEMAT的重點投入項目。對于光伏器件制造，無損檢測（NDT）的方式是最優(yōu)選擇，一方面不會對器件造成損害。另一方面，還需要檢測每個器件并可以在盡可能早的階段檢測到任何缺陷。為了更全面、更快速地表征光伏應(yīng)用設(shè)備的電學(xué)特性（如電導(dǎo)率、電阻、載流子遷移率），CIEMAT正在尋找一種高分辨率、非接觸式、非破壞性和快速測量的材料表征解決方案。

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虹科解決方案：太赫茲無損表征平臺Onyx

虹科 Onyx 系統(tǒng)是CIEMAT的完美解決方案。它是市場上第一個旨在為石墨烯，薄膜和其他2D材料提供非破壞性和非接觸式全面積表征的系統(tǒng)。Onyx 是基于太赫茲時域光譜（TDSF）的專利系統(tǒng)，利用的太赫茲（THz）波是低能量的非電離波，因此對人類無害。虹科 Onyx 系統(tǒng)通過以非破壞性和非接觸方式表征從 0.5 mm2 到大面積 (m2) 樣品的特性，填補(bǔ)了宏觀和納米級工具之間的技術(shù)空白，從而促進(jìn)了材料研究領(lǐng)域的工業(yè)化。這種技術(shù)是無損檢測的，不需要樣品制備，并且可以測量樣品質(zhì)量的空間分布。幾百微米量級的空間分辨率與太赫茲信號的快速采集和處理使得 Onyx 能夠快速表征大面積的樣品區(qū)域。Onyx 符合 IEC TS 62607-6-10：2021 技術(shù)規(guī)范。IEC TS 62607-6-10：2021涉及使用太赫茲時域光譜法測量基于石墨烯的材料的薄片電阻。

Onyx系統(tǒng)特點

○可測面積大：從1x1mm到200x200mm（8“），可定制更大面積（m2）。

○適用性廣泛：可用于多種形態(tài)的石墨烯與碳納米管、旋涂光樹脂、PEDOT、GaN等其他二維材料。

○高分辨率快速表征：分辨率高達(dá)50um，掃描速度最高12mm2/min。

○多種參數(shù)：一次測量，即可得到多種數(shù)據(jù)，包括電導(dǎo)率、 電阻率、折射率、電荷載流子遷移率、電荷載流子密度、介電常數(shù)ε’與ε’’、吸收功率、單頻特性、厚度。

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結(jié)果：快速可靠的質(zhì)量控制過程

虹科 Onyx 系統(tǒng)提供非破壞性、非接觸式、快速且可靠的質(zhì)量控制過程，用于表征光伏應(yīng)用設(shè)備的電學(xué)特性。作為一種不需要樣品制備的非接觸、非破壞性方法，利用太赫茲時域光譜 (THz-TDS) 可以對獨特的研究樣品進(jìn)行多次分析，而不會造成樣品的損傷。此外，Onyx 系統(tǒng)的表征可以顯著改善光伏器件制造過程的質(zhì)量控制，因為每個器件都可以在沒有損壞的情況下進(jìn)行檢查，從而可以及早發(fā)現(xiàn)缺陷。虹科ONYX系統(tǒng)可以獲取樣品的整個區(qū)域而不是單個點的圖像，從中可以識別缺陷與同質(zhì)性程度等。CIEMAT基于ONYX系統(tǒng)研究了光伏應(yīng)用的器件參數(shù)表征，并撰寫了幾篇科研文章，重點關(guān)注光伏應(yīng)用的導(dǎo)電電極和硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池技術(shù)的電極。

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案例1

在“Advanced Graphene-Based Transparent Conductive Electrodes for Photovoltaic Applications”一文中（Fernández等人，Micromachines 2019，10，402），探討了以不同配置結(jié)合石墨烯單層的透明導(dǎo)電電極(TCE)的新結(jié)構(gòu)，旨在提高硅異質(zhì)結(jié)(SHJ)電池正面透明觸點的性能。

圖 1.正在研究的透明導(dǎo)電電極配置。TCO = 透明導(dǎo)電氧化物

使用 Onyx 系統(tǒng)對電極的電導(dǎo)和電阻（見圖2）進(jìn)行表征，無需任何樣品制備。在硅（Si）襯底上沉積的最佳雜化氧化銦錫（ITO）基的TCE的平均電導(dǎo)值為13.12 mS，這個數(shù)據(jù)非常有意義，因為它高于ITO值（>10 mS）。

圖 2.沉積在硅（Si）襯底上的最佳雜化氧化銦錫（ITO）基TCE的電導(dǎo)和電阻圖。

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案例2

在“Transparent electrodes based on graphene”一文中（Fernández 等人，Nanotechnol Adv Mater Sci，第 2(3) 卷：1-3，2019）利用 Onyx 系統(tǒng)探索了將石墨烯納入其設(shè)計的透明電極的新穎架構(gòu)，以改進(jìn)硅異質(zhì)結(jié)電池技術(shù)。

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案例3

在文章“Graphene-Based Electrodes for Silicon Heterojunction Solar Cell Technology”（Torres等人，Materials 2021，14，4833）中，研究者分析了在硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池中將氧化銦錫 (ITO) 與1到3層石墨烯單層結(jié)合作為頂部電極的不同效果。圖 3.所述硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池成品的方案。圖4顯示了由Onyx系統(tǒng)獲得的四種電池的電導(dǎo)圖，分別為銦錫氧化物（ITO）（a），ITO + 1層石墨烯（b），ITO + 2層石墨烯（c）和ITO + 3層石墨烯（d）。根據(jù)電導(dǎo)圖顯示，每增加一片石墨烯，電學(xué)性能都有明顯的改善。在制作完成的太陽能電池的電學(xué)特性表征中，這意味著串聯(lián)電阻的顯著降低和器件填充因子的增加。