基于B2912A的有機(jī)太陽(yáng)能電池測(cè)試方案

隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴(yán)重，各種清潔能源的開發(fā)應(yīng)用日益得到重視，在這其中太陽(yáng)能的利用是解決能源短缺和環(huán)境污染的最重要的途徑之一，而太陽(yáng)能電池則是太陽(yáng)能利用的一個(gè)非常重要的方面。當(dāng)前應(yīng)用和開發(fā)的太陽(yáng)能電池包括晶硅(單晶硅、多晶硅、類單晶硅)太陽(yáng)能電池、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體薄膜(非晶硅、CdTe、GaAs、CuInSe2等)太陽(yáng)能電池、有機(jī)染料敏化太陽(yáng)能電池和有機(jī)太陽(yáng)能電池等。目前市場(chǎng)上商品化的電池主要是基于無(wú)機(jī)材料的太陽(yáng)能電池，但均存在成本高、光伏材料制備和純化過(guò)程耗能高、電池制備過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題。

有機(jī)太陽(yáng)能電池是一種新型有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，可視為第三代電池，典型的有機(jī)太陽(yáng)能電池由共軛聚合物或有機(jī)小分子給體和富勒烯衍生物受體組成的共混薄膜夾在透明的ITO導(dǎo)電玻璃正極和金屬負(fù)極之間所組成。其結(jié)構(gòu)見圖1、2。有機(jī)太陽(yáng)能電池具備制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、重量輕、可制備柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)。目前實(shí)驗(yàn)室報(bào)道的小面積器件最高光電轉(zhuǎn)換效率已從1995年的不到1%提高到大于9%。日前國(guó)外已經(jīng)有不少公司積極開展有機(jī)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化工作，業(yè)界報(bào)道的電池效率已經(jīng)超過(guò)10%(日本三菱化學(xué)與美國(guó)加州理工大學(xué)合作開發(fā))，已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化道路的Heliatek公司報(bào)道的電池效率也高達(dá)10.7%。

圖1 ：有機(jī)太陽(yáng)能結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 ：有代表性的給體P3HT和受體PCBM的有機(jī)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖和材料的電子能級(jí)。

有機(jī)太陽(yáng)能電池的工作原理和基于無(wú)機(jī)材料的太陽(yáng)能電池類似，太陽(yáng)光從透明電極一側(cè)入射到活性層上，活性層光伏材料吸收光子產(chǎn)生激子(電子-空穴對(duì));激子向給體/受體界面下擴(kuò)散和遷移;擴(kuò)散和遷移到界面處的激子在給/受體電子能級(jí)差的作用下發(fā)生電荷分離;在電池內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用下，被分離的空穴沿著給體形成的通道傳輸?shù)秸龢O，而電子則沿著PCBM受體形成的通道傳輸?shù)截?fù)極;空穴和電子分別被正極和負(fù)極收集形成光電池和光電壓，從而產(chǎn)生光伏效應(yīng)。

考察有機(jī)太陽(yáng)能電池性能的最主要參數(shù)包括：光電轉(zhuǎn)換效率(Photovoltaic Convert Efficiency，PCE)、開路電壓(Open Circuit Voltage， Voc)，短路電流(Short Circuit Current, Jsc)，填充因子(Fill Factor， FF)。其中電池的轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式為：

其中Pmax為電池的最大輸出功率，Jmax為電池的最大輸出電流，Vmax為最大輸出電壓。Plight為入射光能量。

圖3 ：有機(jī)太陽(yáng)能電池等效電路及相關(guān)參數(shù)。

作為替代能源，考察太陽(yáng)能電池的最重要數(shù)據(jù)是其對(duì)能量的利用效率，即太陽(yáng)能電池對(duì)入射的太陽(yáng)光的轉(zhuǎn)換效率。實(shí)驗(yàn)室制備的有機(jī)太陽(yáng)能電池絕在部分是金屬柵線電極(小面積的電池電極常為六指結(jié)構(gòu))。因有機(jī)太陽(yáng)能電池與傳統(tǒng)的基于無(wú)機(jī)材料的電池相比，目前的各方面參數(shù)都有所不如，故其對(duì)測(cè)試的精確度要求更高。當(dāng)然，其他諸如簡(jiǎn)單、快速的測(cè)試也是必需的。精確的測(cè)量數(shù)據(jù)除了可以得到準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換效率外，還可以得到Vmax、Jmax、Pmax以及Rsh、Rs等數(shù)值，這些相關(guān)參數(shù)可以準(zhǔn)確的考察電池的各方面性能，并為下一步的電池性能改進(jìn)提供實(shí)驗(yàn)上的依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)室對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池性能測(cè)試源表選用的是安捷倫B2912A，采用USB接口。其最小至10fA/100nV的最小測(cè)量分辨率能夠很好的滿足有機(jī)太陽(yáng)能電池小電流的測(cè)試，尤其是在暗電流的測(cè)試方面。

圖4為有機(jī)太陽(yáng)能電池在采用B2912A測(cè)試的連接圖測(cè)試電腦與源表以USB線相連，可以很好的滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，測(cè)試電池與源表之間以屏蔽線直接硬連，可隔絕實(shí)驗(yàn)室其他儀器對(duì)測(cè)試信號(hào)的干擾。

圖5為基于P3HT和PCBM為給、受體的有機(jī)太陽(yáng)能電池以B2912A測(cè)試得到的在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)下和無(wú)光照條件下的I-V曲線圖。可以看到，源表可以滿足測(cè)試數(shù)據(jù)高精度的需要，同時(shí)可以通過(guò)設(shè)置不同的延遲時(shí)間以滿足有機(jī)太陽(yáng)能電池測(cè)試信號(hào)反饋較慢的要求。

圖4 ：B2912A在有機(jī)太陽(yáng)能電池測(cè)試中的應(yīng)用。

圖5 ：基于P3HT和PCBM的有機(jī)太陽(yáng)能電池以B2912A測(cè)試得到的在1000W/m2光照強(qiáng)度下的I-V曲和無(wú)光照條件下的I-V曲線。

在有機(jī)太陽(yáng)能電池科研過(guò)程中，要對(duì)大量的電池片進(jìn)行IV測(cè)試。相比傳統(tǒng)的IV測(cè)試系統(tǒng)，B2912A精密測(cè)量單元集成的IV測(cè)試系統(tǒng)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，精度高，可靠性強(qiáng)，測(cè)量迅速等優(yōu)勢(shì)，大大降低了太陽(yáng)能電池IV性能測(cè)量的操作成本，時(shí)間成本，同時(shí)增加了IV測(cè)量的靈活性。B2912A還可以對(duì)有機(jī)LED,有機(jī)MOSFET器件進(jìn)行電學(xué)IV特性方面的測(cè)試，可以說(shuō)節(jié)省了實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期的設(shè)備投資。

從長(zhǎng)期看來(lái)，太陽(yáng)能的利用必然是解決能源和環(huán)境問(wèn)題的一個(gè)非常重要的方法。另一方面，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能電池的應(yīng)用也必然越來(lái)越廣泛，在這其中，有機(jī)太陽(yáng)能電池因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，也必將扮演相當(dāng)重要的角色。近年來(lái)，隨著大批科研人員和相當(dāng)?shù)墓鹃_始研究開發(fā)有機(jī)太陽(yáng)能電池，其發(fā)展速度相當(dāng)迅速，電池效率也有著顯著提升。這也對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池測(cè)試提出了新的要求，當(dāng)然也帶來(lái)了新的機(jī)遇。

以我們實(shí)驗(yàn)室為例，安捷倫B2912A能夠很好的滿足有機(jī)太陽(yáng)能電池各方面性能測(cè)試的要求。安捷倫系統(tǒng)集成商和創(chuàng)聯(lián)合科技(北京)有限公司提供了相關(guān)產(chǎn)品及集成方案，同時(shí)完成了相關(guān)測(cè)試技術(shù)培訓(xùn)及指導(dǎo)，如有基于B2900A系列產(chǎn)品的有機(jī)太陽(yáng)能電池IV測(cè)試需求，可以聯(lián)系和創(chuàng)聯(lián)合科技(北京)有限公司。