[发明专利]一种原位实时表征太阳能电池内部界面的监测方法及系统

说明书

本发明揭示了一种原位实时表征太阳能电池内部界面的监测方法及系统。所述监测方法包括：以激光光源对工作状态下的太阳能电池进行辐照和拉曼光谱扫描，并采集拉曼光谱，同时实时监测电池光伏性能，对获得的拉曼光谱与I‑V伏安特性曲线同步数据进行分析处理，实现原位实时表征太阳能电池内部界面。所述系统包括：激光光源，至少用以对工作状态下的太阳能电池进行辐照和拉曼光谱扫描；拉曼光谱采集单元；检测单元，至少用以对所述太阳能电池的电池光伏性能进行监测，以及，分析处理单元，至少用以获得拉曼光谱位移和太阳能电池性能及效率之间的关系。本发明操作简便，适用于监测太阳能电池工作状态下内部界面结构与组成随着光伏效应而变化的信息。

技术领域

本发明涉及一种原位实时表征太阳能电池内部界面的监测方法，具体涉及一种利用表面增强拉曼光谱原位实时监测染料敏化太阳能电池内部结构和组分变化的方法，特别是针对工作状态下的染料敏化太阳能电池内部界面的原位探测方法及其相应的系统。

背景技术

清洁可持续能源的供应被认为是21世纪人类面临的最重要的科学和技术挑战之一。光伏器件将太阳能直接转化为电能，为满足日益增长的全球能源需求提供了实用且可持续的解决方案。然而，自20世纪50年代第一个光伏器件出现以来，以低成本捕获太阳能，同时确保持续稳定、高效的运行仍然是一个巨大的挑战。由美国可再生能源实验室(NREL)最新发布(2019年2月12日)的太阳能电池认证效率提升轨迹图可见，多结太阳能电池(Multi-junction Cells)的效率始终处在绝对领先的位置；从历史上看，科学家们通过逐步改善界面的内部电性能和材料质量，并通过优化界面能级和厚度等变量来提高电池的性能，可见在太阳能电池中“结”(界面)的功能不容小觑。

大量研究表明，光伏器件中的界面极化作用和能带弯曲促进了光生电子-空穴对(也称光生载流子)的分离和传输，如果该载流子成功逃离到外电路，则产生电流——这是光伏器件工作的机制，可见光伏器件内部的界面是驱动光生载流子(电子-空穴对)分离和传输的最重要因素。然而，在传统的单结光伏器件中，大多数光生载流子易被电池内部晶格缺陷俘获而丢失。研究者们通常借助多个界面(结)叠加设计，基于光生载流子可以在界面处重新分离的原理，从而获得新的电子-空穴对分离，最终实现器件转换效率的提升。已有大量研究迹象表明，抑制器件效率的主要原因是载流子复合，然而目前对于具体的载流子传输机理仍然不够明确。另外，高效的多结太阳能电池又比其他任何光伏器件的表征都要困难，因为梯度界面内部离子迁移引起的“滞后现象”可能导致电流密度与电压的前向和反向扫描之间出现差异，这也使得常规I-V光伏性能表征技术逐渐凸显出它的局限性。更重要的是，器件内部的高效光吸收以及载流子利用等性能都建立在微纳尺度的结构之上，因此实现器件微观信息的原位捕捉在光伏技术的提升方面显得尤为重要。

目前光伏器件的表征技术主要为伏安特性测试(I-V)和外量子效率(Monochromatic Incident Photon-to-electron Conversion Efficiency,IPCE)测试，这两种方法可从宏观角度表征器件的光伏特性，是衡量电池性能好坏的最基本标准。但值得注意的是，I-V和IPCE测试并不能针对器件中的某一组分、界面单元或分子层进行原位表征，仅能借助器件整体的电学测试结果对电池内部发生的载流子迁移过程提出假说。当然，同时可以借助一些辅助表征技术进一步验证这些假说的合理性。如果想探究器件性能的增强机制，则需要额外捕捉器件内微观的界面信息。目前针对界面载流子传输性能的辅助表征技术主要有：电子自旋共振(Electron Spin Resonance,ESR)、紫外-可见光谱(UV-Visspectroscopy)、光致发光谱(Photoluminescence Spectroscopy,PL)、飞秒瞬态吸收光谱(Femtosecond Transient Absorption Spectrum)和飞行时间-二次离子质谱(Time ofFlight Secondary Ion Mass Spectrometry,TOF-SIMS)等。然而现有的辅助微观表征方法仍需事先将器件拆分成几个独立单元，绝大多数是脱离光伏器件工作状态的表征手段，因此造成了器件的整体光伏特性和界面微观结构的信息不对称，这也是限制光伏器件光电转换效率提升的主要瓶颈。