目前在光伏業(yè)界，正在進(jìn)行一項(xiàng)重大努力，以提高光伏和發(fā)光應(yīng)用中所用半導(dǎo)體的效率并降低相關(guān)成本。這就需要探索和開(kāi)發(fā)新的制造和合成方法，以獲得更均勻、缺陷更少的材料。

無(wú)論是電致還是光致發(fā)光，都是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要工具。通過(guò)發(fā)光可以深入了解薄膜內(nèi)部發(fā)生的重組過(guò)程， 而無(wú)需通過(guò)對(duì)完整器件的多層電荷提取來(lái)解決復(fù)雜問(wèn)題。

HERA高光譜照相機(jī)是繪制半導(dǎo)體光譜成像的理想設(shè)備，因?yàn)樗軌?span style="font-synthesis: style; font-weight: 600;">快速、定量地繪制半導(dǎo)體發(fā)射光譜圖，且具有高空間分辨率和高光譜分辨率的特性。

硅太陽(yáng)能電池的電致發(fā)光光譜成像

光伏設(shè)備中的缺陷會(huì)導(dǎo)致光伏產(chǎn)生的載流子發(fā)生重組，阻礙其提取并降低電池效率。電致發(fā)光光譜成像可以揭示這些有害缺陷的位置和性質(zhì)。

"反向"驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池（即施加電流）會(huì)產(chǎn)生電致發(fā)光，因?yàn)檩d流子在電極上被注入并在有源層中重新結(jié)合。在理想的電池中，所有載流子都會(huì)發(fā)生帶間重組，這在硅中會(huì)產(chǎn)生1100 nm附近的光（效率非常低）。然而，晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷會(huì)產(chǎn)生其他不利的重組途徑。雖然這些過(guò)程通常被稱(chēng)為"非輻射"重組，但偶爾也會(huì)產(chǎn)生光子，其能量通常低于帶間發(fā)射。捕獲這些非常罕見(jiàn)的光子可以了解缺陷的能量和分布。

在本實(shí)驗(yàn)中，我們使用了HERA SWIR (900-1700 nm)，它非常適合測(cè)量硅發(fā)光衰減。測(cè)量裝置如圖1所示：HERA安裝在三腳架上，在太陽(yáng)能電池上方，連接到一個(gè)10A的電源。640×512像素的傳感器安裝在樣品上方75厘米處，空間分辨率約為250微米。

最重要的是，HERA光學(xué)系統(tǒng)沒(méi)有輸入狹縫，因此光通量非常高，是測(cè)量極微弱光發(fā)射的理想選擇。

圖2.A和2.B顯示了兩個(gè)波長(zhǎng)的電致發(fā)光（EL）圖像：1150 nm（帶間發(fā)射）和1600 nm（缺陷發(fā)射），這是4次掃描的平均值（總采集時(shí)間：5分鐘）。通過(guò)分析這些圖像，我們可以看到，盡管缺陷區(qū)域的亮度遠(yuǎn)低于主發(fā)射區(qū)域，但它們?nèi)员磺逦胤直娉鰜?lái)。此外，具有強(qiáng)缺陷發(fā)射的區(qū)域的帶間發(fā)射相對(duì)較弱。

我們可以注意到有幾個(gè)區(qū)域在兩個(gè)波長(zhǎng)下都是很暗的；這可能是由于樣品在運(yùn)輸過(guò)程中損壞了電池造成的。

圖2.C中以對(duì)數(shù)標(biāo)尺顯示了小方塊感興趣區(qū)域（圖2A和2B中所示）的光譜。

金屬鹵化物鈣鈦礦薄膜的光致發(fā)光顯微研究

通過(guò)旋涂等技術(shù)含量低、成本效益高的方法，可以制造出非常高效的太陽(yáng)能電池和LED。這些方法面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是在微觀(guān)長(zhǎng)度的尺度上保持均勻的成分。光致發(fā)光顯微鏡是表征這種不均勻性的一個(gè)特別強(qiáng)大的工具。

HERA高光譜相機(jī)可以連接到任何顯微鏡（正置或倒置）的c-mount相機(jī)端口，并直接開(kāi)始采集高光譜數(shù)據(jù)，無(wú)需任何校準(zhǔn)程序。

在本實(shí)驗(yàn)中，我們使用HERA VIS-NIR（400-1000 nm）耦合到尼康LV100直立顯微鏡（圖3）來(lái)表征兩種鹵化物前驅(qū)體合金的帶隙分布。將兩種鹵化物前驅(qū)體合金化的優(yōu)點(diǎn)是能夠調(diào)整材料的帶隙；然而，這兩種成分經(jīng)常會(huì)發(fā)生逆混合，從而導(dǎo)致性能損失。

本實(shí)驗(yàn)的目的是檢測(cè)這種逆混合現(xiàn)象：事實(shí)上，混合比的局部變化會(huì)改變局部帶隙，從而導(dǎo)致發(fā)射不同能量的光子。

在這種配置中，激發(fā)光來(lái)自汞燈，通過(guò)帶通濾光片在350 nm處進(jìn)行濾光，并通過(guò)發(fā)射路徑上的二向色鏡將其從相機(jī)中濾除。

HERA的高通量使其能夠在大約1分鐘的測(cè)量時(shí)間內(nèi)收集完整的數(shù)據(jù)立方體（130萬(wàn)個(gè)光譜）。

圖4.A和4.B分別顯示了所有波長(zhǎng)（400-1000 nm）總集成信號(hào)的全尺寸和放大圖像，揭示了長(zhǎng)度尺度在1 µm左右的明亮特征。

當(dāng)我們比較亮區(qū)和暗區(qū)的光譜時(shí)（圖5.B中的黑色和紅色曲線(xiàn)），我們發(fā)現(xiàn)暗區(qū)實(shí)際上也有發(fā)射， 不僅強(qiáng)度較低，而且波長(zhǎng)中心比亮區(qū)短。事實(shí)上，光譜具有雙峰形狀，很可能與逆混合前驅(qū)體的發(fā)射相對(duì)應(yīng)。圖5.A的發(fā)射圖清楚地顯示了帶隙的這種變化。

我們現(xiàn)在可以理解為什么低帶隙區(qū)域看起來(lái)更亮了--載流子可能從高帶隙區(qū)域弛豫到那里，并且在發(fā)生輻射重組之前無(wú)法返回。