虹科案例|CIEMAT利用太赫兹技术以无损表征光伏器件的电学特性

目前，应用于材料的电学参数表征方法可以分为两大类：一类为宏观尺度技术，比如四点探针法或范德堡法，光学测量等，允许快速检测，但只能提供直流电导率等单一参数信息。另一类为纳米尺度的技术，如拉曼光谱、原子力显微镜、扫描电镜、透射电镜等，能够得到分辨率很高的图像，然而通常需要复杂的样品制备步骤，并且测量速度十分缓慢，无法实现高速测量。

在日新月异的材料研究领域中，需要同时满足高速与高分辨率要求的情况是十分常见的，而当前表征技术的缺陷导致尖端的研究材料可能很难制造。因此，非接触和无损检测方法对于获得更深入的知识与更快地推进尖端研究具有重要意义。

CIEMAT（能源研究中心，Medioambientales y Tecnológicas）是隶属于西班牙科学与创新部的公共研究组织，主要专注于能源和环境科学领域以及与两者相关的技术。CIEMAT 的使命是通过科学技术知识的产生和应用，为西班牙的可持续发展和公民的生活质量做出贡献。

光伏作为新能源中最为重要的一类，相关材料及器件的研究是CIEMAT的重点投入项目。对于光伏器件制造，无损检测（NDT）的方式是最优选择，一方面不会对器件造成损害。另一方面，还需要检测每个器件并可以在尽可能早的阶段检测到任何缺陷。为了更全面、更快速地表征光伏应用设备的电学特性（如电导率、电阻、载流子迁移率），CIEMAT正在寻找一种高分辨率、非接触式、非破坏性和快速测量的材料表征解决方案。

CIEMAT选择了太赫兹技术用于光伏器件的电学表征。Onyx 系统是基于太赫兹时域光谱（TDS）的专利系统，利用的太赫兹（THz）波是低能量的非电离波，因此对人类无害。通过以非破坏性和非接触方式表征从 0.5 mm² 到大面积 (m²) 样品的特性，填补了宏观和纳米级工具之间的技术空白，从而促进了材料研究领域的工业化。这种技术是无损检测的，不需要样品制备，并且可以测量样品质量的空间分布。几百微米量级的空间分辨率与太赫兹信号的快速采集和处理使得 Onyx 能够快速表征大面积的样品区域。

太赫兹技术提供非破坏性、非接触式、快速且可靠的质量控制过程，用于表征光伏应用设备的电学特性。作为一种不需要样品制备的非接触、非破坏性方法，利用太赫兹时域光谱 (THz-TDS) 可以对独特的研究样品进行多次分析，而不会造成样品的损伤。此外，太赫兹技术的表征可以显著改善光伏器件制造过程的质量控制，因为每个器件都可以在没有损坏的情况下进行检查，从而可以及早发现缺陷。

CIEMAT基于ONYX系统研究了光伏应用的器件参数表征，并撰写了几篇科研文章，重点关注光伏应用的导电电极和硅异质结太阳能电池技术的电极。

案例1

在“Advanced Graphene-Based Transparent Conductive Electrodes for Photovoltaic Applications”一文中（Fernández等人，Micromachines 2019，10，402），探讨了以不同配置结合石墨烯单层的透明导电电极 (TCE) 的新结构，旨在提高硅异质结 (SHJ) 电池正面透明触点的性能。

图 1.正在研究的透明导电电极配置。TCO = 透明导电氧化物

案例2

使用 Onyx 系统对电极的电导和电阻（见图2）进行表征，无需任何样品制备。在硅（Si）衬底上沉积的最佳杂化氧化铟锡（ITO）基的TCE的平均电导值为13.12 mS，这个数据非常有意义，因为它高于ITO值（>10 mS）。

图 2.沉积在硅（Si）衬底上的最佳杂化氧化铟锡（ITO）基TCE的电导和电阻图。

案例3

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 系统探索了将石墨烯纳入其设计的透明电极的新颖架构，以改进硅异质结电池技术。

案例4

在文章“Graphene-Based Electrodes for Silicon Heterojunction Solar Cell Technology ”（Torres等人，Materials 2021，14，4833）中，研究者分析了在硅异质结太阳能电池中将氧化铟锡 (ITO) 与1到3层石墨烯单层结合作为顶部电极的不同效果。

图 3.所述硅异质结太阳能电池成品的方案。图4显示了由Onyx系统获得的四种电池的电导图，分别为铟锡氧化物（ITO）（a），ITO + 1层石墨烯（b），ITO + 2层石墨烯（c）和ITO + 3层石墨烯（d）。根据电导图显示，每增加一片石墨烯，电学性能都有明显的改善。在制作完成的太阳能电池的电学特性表征中，这意味着串联电阻的显著降低和器件填充因子的增加

审核编辑黄宇