CIGS是Copper indium gallium selenide的縮寫，中文簡稱銅銦鎵硒，CIGS是由IV族化合物衍生而來。CIS是一種直接帶隙的半導(dǎo)體材料，其能隙為1.04 eV（77 K），當(dāng)摻入適當(dāng)?shù)腉a以替代部分In成為CuInSe2和CuGaSe2的固溶晶體為CuIn1－xGaxSe2，薄膜的禁帶寬度可在1.04-1.7eV范圍內(nèi)調(diào)整。另外其光吸收系數(shù)高達(dá)105cm-1，是已知的半導(dǎo)體材料中光吸收系數(shù)高的，對于太陽能電池基區(qū)光子的吸收、少數(shù)載流子的收集（即對光電流的收集）是非常有利的條件。這就是CdS/CuInSe2太陽能電池(39 mA/cm2)具有這樣高的短路電流密度的原因。電池吸收層的厚度可以降低到2~3μm，大大降低原材料的消耗。目前由NREL記錄的高轉(zhuǎn)換效率為20%左右。
CIGS基太陽能電池的典型架構(gòu)
（摘取自：Wikipedia,檢索詞：Copper indium gallium selenide solar cells)
CZTS是Copper zinc tin sulfide的縮寫，組分為：Cu2ZnSnS4，中文簡稱銅鋅錫硫電池，銅鋅錫硫化合物為一種直接帶隙半導(dǎo)體，可用于薄膜太陽能電池的吸收層。禁帶寬度為1.4-1.5eV?；诖祟惒牧线€衍生出CZTSe 和CZTSSe，與CIGS有類似的光學(xué)和電學(xué)性能。目前其轉(zhuǎn)換效率仍遠(yuǎn)低于CIGS和CdTe，實驗室目前記錄的效率是11.0%基于CZTS和12.6%基于CZTSSe。
CZTSSe基太陽能電池的典型架構(gòu)（摘取自："CZTSSe | PVEducation," [Online]. Available:http://www.pveducation.org/es/fotovoltaica/czts.)PSCs是Perovskite Solar Cells的簡稱，中文簡稱鈣鈦礦型太陽能電池，鈣鈦礦是對活性層材料的結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱，經(jīng)典的材料是鹵化鉛甲胺(CH3NH3PbX3perovskites，其中X代表鹵族元素，X=I,Br,Cl)。其發(fā)展極為迅速，光電轉(zhuǎn)換效率在短短的10年間從3.8%到25%，更有各個領(lǐng)域的專家推出鈣鈦礦/硅基疊層太陽能電池，鈣鈦礦/銅基薄膜疊層電池以及全無機(jī)鈣鈦礦型太陽能電池等多元化的基于“鈣鈦礦”概念的太陽能電池，有望成為下一代太陽能電池的主力產(chǎn)品。
鈣鈦礦型太陽能電池的結(jié)構(gòu)圖
?。ㄕ∽裕篗ark Wolverton; Scilight 2018, 080003 (2018)DOI: 10.1063/1.5026230）
半導(dǎo)體薄膜電池的光致發(fā)光（以下簡稱PL）及時間分辨光致發(fā)光（以下簡稱TRPL）表征意義
1）銅基半導(dǎo)體薄膜太陽能電池在PL表征意義—表征材料帶隙：1-1.5(2)eV
材料通過摻雜之后，會呈現(xiàn)不同的PL圖譜（不同的帶隙），對于研究材料的物理機(jī)理（直接帶隙、間接帶隙、缺陷）具有基本及重要的表征意義。
Cu2ZnSn(SexS1-x)4薄膜的PL圖譜[1]
TRPL（時間分辨光致發(fā)光）表征意義—測量少數(shù)載流子壽命，推算載流子擴(kuò)散長度。
用TRPL的方式測試CZTSSe的少子壽命[2]
TDPL（溫度依賴光致發(fā)光）表征意義—變溫PL看材料的缺陷
CZTS多晶的溫度依賴PL圖譜[3]
2）鈣鈦礦太陽能電池在顯微PL表征意義—表征材料的響應(yīng)及器件熒光猝滅特性
測鈣鈦礦太陽能電池器件的熒光強(qiáng)度，此時還有參與工作的電子傳輸層和空穴傳輸層，很多課題組都會研究替換電子/空穴傳輸層的材料，來提高對電子/空穴的抽取，此時就產(chǎn)生熒光猝滅，熒光強(qiáng)度衰減，熒光壽命減短，IPCE提高；由于顯微PL具備足夠高的靈敏度，可以明顯區(qū)分熒光猝滅后的強(qiáng)度變化；
PVK與不同傳輸層組成的異質(zhì)結(jié)的PL圖譜[4]
對于半導(dǎo)體薄膜太陽能電池，熒光壽命的表征有助于研究載流子擴(kuò)散長度/距離，而在鈣鈦礦型太陽能電池里，鈣鈦礦半導(dǎo)體層作為器件組成的重要“基石”，針對材料本身進(jìn)行TRPL甚至是顯微TRPL的表征，有利于評估其材料質(zhì)量及缺陷。
CH3NH3PbI3(Cl) 薄膜的熒光成像及取點PL&TRPL測量[5]載流子重組過程，即自由電子-空穴發(fā)光是鈣鈦礦太陽能電池里常被研究的，也是直接關(guān)乎其性能的過程[6]。平面異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦太陽電池除了鈣鈦礦層具有強(qiáng)大的光電性能，還需要電子傳輸層和空穴傳輸層為電子和空穴提供了獨立的輸運(yùn)通道。組成的結(jié)構(gòu)又分為n-i-p型和p-i-n型兩種，其中鈣鈦礦層分別與電子傳輸層和空穴傳輸層形成兩個界面, 在這兩個界面上實現(xiàn)電子和空穴的快速分離。通過PL相對強(qiáng)度（或是量子產(chǎn)率）以及TRPL的衰減時間變化，可以佐證通過替換電子傳輸層、空穴傳輸層材料，電子空穴被快速抽取，IPCE得以改良的結(jié)果。測鈣鈦礦太陽能電池器件的壽命，此壽命在幾十幾百納秒，以皮秒脈沖激光器搭配時間相關(guān)單光子計數(shù)器（TCSPC），可以完美覆蓋亞納秒到10μs時間尺度的熒光壽命測量。
用PL和TRPL反饋CH
3NH3PbI3與不同材料傳輸層的相互作用[7]
3）PL mapping測量功能：配置電動位移臺及陣列探測器如CCD，看材料生長缺陷，便于研究制備工藝的改善；
圖c,f分別為面板b,e的PL Mapping
[8]
圖a,c,e為光學(xué)圖像，圖b,d,f為分別對應(yīng)的PL Mapping[9]
應(yīng)用于薄膜電池PL及TRPL測試的顯微PL系統(tǒng)
配置表
| 配置&功能 | 推薦配置及參數(shù) |
顯微PL光譜儀 | 顯微PL光譜儀主機(jī)包含： 1）顯微光路模塊，帶內(nèi)置（空間）光路、外置（空間）光路、光纖耦合輸入，標(biāo)配10X、50X、100X顯微物鏡，三維可調(diào)載物臺； 2）樣品監(jiān)視CCD，≤1μm的成像空間分辨率； 3）320mm焦距科研級影像校正光譜儀； 4）紫外-可見TE制冷型PMT，光譜范圍200-870nm； |
穩(wěn)態(tài)PL激發(fā)源 | 單模連續(xù)激光器：405nm、450nm、532nm、633nm； |
瞬態(tài)PL激發(fā)源 | 脈沖激光器：405nm、450nm、532nm、633nm； |
變溫PL用低溫恒溫器 | 4K顯微低溫恒溫器，4-300K，閉循環(huán)； |
65K顯微低溫恒溫器，溫度范圍：65-500K，開循環(huán)，液氮制冷； | |
近紅外擴(kuò)展探測器 | 紫外可見近紅外TE制冷型PMT，光譜范圍：200-950nm； |
近紅外擴(kuò)展探測器 | 近紅外TE制冷型PMT，光譜范圍：950-1700nm；（部分銅基薄膜電池需要） |
PL/EL mapping配置 | 基于高光譜相機(jī)的線推掃，速度快；高光譜相機(jī)的推薦配置： ①可見-近紅外高光譜相機(jī)，光譜范圍：400nm-1000nm，像素：1392*1040，USB2.0，0度制冷CCD，2.8nm光譜分辨率；②NIR高光譜相機(jī)，光譜范圍：900-1700nm，像素：320*256，USB2.0接口，5nm光譜分辨率； |
基于顯微PL系統(tǒng)配合電動位移臺進(jìn)行逐點掃描，探測器可選： ①CCD陣列探測器：200-1100nm；②InGaAs陣列探測器：800-1700nm； |
部分客戶案例
客戶安裝設(shè)備
鈣鈦礦電池PL測試數(shù)據(jù)
鈣鈦礦電池TRPL測試數(shù)據(jù)
主機(jī)OmniFluo990為核心光譜采集，405nm ps脈沖激光器耦合顯微光譜模塊實現(xiàn)微區(qū)的PL和TRPL，77K顯微低溫樣品臺（溫控范圍：77.2-300K，液氮為冷媒）提供變溫測量環(huán)境。
鹵化物鈣鈦礦材料的顯微穩(wěn)態(tài)PL測量
激發(fā)源：405nm ps激光二極管，產(chǎn)生主峰在760nm左右的發(fā)射峰。其中在77K溫度下主峰是763nm，86000信號強(qiáng)度，在150K溫度下主峰是761nm，15000信號強(qiáng)度。溫度從77K到150K，峰位藍(lán)移了2nm，并且信號降低了。鹵化物鈣鈦礦材料的顯微TRPL測量
激發(fā)源：405nm ps激光二極管，在77K和150K溫度條件下監(jiān)測760nm發(fā)射的壽命衰減曲線。通過右圖的對比也可以清晰的發(fā)現(xiàn)，150K的衰減明顯快于77K的衰減。銅鋅錫硒電池的顯微PL測試
參考文獻(xiàn)
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[2] Todorov, Teodor K,Tang, Jiang,Bag, Santanu,Gunawan, Oki,Gokmen, Tayfun,Zhu, Yu,Mitzi, David B. Beyond 11% Efficiency: Characteristics of State-of-the-Art Cu2ZnSn(S,Se)4Solar Cells[J].Advanced Energy Materials,2013,3(1):34-38.
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