ペロブスカイトとシリコンのタンデムで各サブセルの PL を測定するには、波長選択励起とスペクトル分解検出および明示的なクロストーク チェックを組み合わせます。短波長ポンプはペロブスカイト上部セルを強調できますが、長波長ポンプはシリコンが上部スタックを通過して下部セルに吸収される場合にシリコンを優先的に励起できます。どちらを選択しても、純粋な信号が保証されるわけではありません。タンデム型太陽電池特性評価システムは、発光の割り当てを検証し、重複するスペクトルと光結合を考慮して、デバイスの電気的状態を保存する必要があります。カメラ画像をサブセル品質マップに変換する前に、これらの条件を確立してください。
ペロブスカイトとシリコンのタンデムは、バンドギャップの広いペロブスカイト吸収体とバンドギャップの低いシリコン吸収体を組み合わせています。それらのバンド端発光は異なるスペクトル領域を占めますが、実際のデバイスのスペクトルにはテールや重複する寄与が含まれる場合があります。
上部のセルは、高エネルギーの入射光のかなりの部分を吸収します。シリコンは上部スタックを通過する光子を使用します。モノリシック 2 端子デバイスでは、サブセルは相互接続を通じて電気的に結合され、動作中に直列電流を共有します。 4 端子構造ではさまざまな電気的制御が可能となるため、PL 測定を解釈する前にアーキテクチャを記録してください。
ペロブスカイトの発光は、組成、バンドギャップ、温度、材料の状態に依存します。シリコンの発光は、NIR の間接バンド エッジ付近にあり、弱い場合があります。検出器の応答、フィルター透過、カプセル化、および完全な光スタックによって、測定されるバランスが変化します。回路図では孤立しているように見える波長領域でも、実際の標本ではかなりのバックグラウンドが含まれている可能性があります。
ペロブスカイトからのサブバンドギャップ発光は、シリコン検出領域と重なる可能性があります。さらに、上部セルによって放出された光子は下部セルによって吸収され、発光カップリングが生成される可能性があります。これらの効果は異なります。1 つは検出器で光を混合することができ、もう 1 つは励起される集団を変化させることができます。タンデム型太陽電池特性評価システムでは、フィルター ラベルに依存するのではなく、両方をテストする必要があります。
完成したスタックの吸収と透過から励起波長を選択します。 「トップセルでは可視、シリコンでは NIR が可視」は開始ルールとしては便利ですが、関連する吸収エッジと寄生損失はサンプルごとに異なります。
上部吸収体に強く吸収されるペロブスカイト バンドギャップより上のポンプを選択してください。励起を拒否し、目的のペロブスカイト PL をカバーする発光収集バンドを使用します。ポンプの漏れ、基板の蛍光、およびカメラのバックグラウンドが弱い領域を支配していないことを確認します。
一部のポンプ光は、不完全な吸収、テクスチャー、または局所的なカバレッジの違いを通じてシリコンに到達する可能性があります。したがって、トップセルの励起レシピは、完全な発光スペクトルと、利用可能な場合には適切な参照構造を使用して検証する必要があります。検出領域を固定したまま励起波長を変更すると、信号の起源をテストするのに役立ちます。
ペロブスカイトの吸収端より下でシリコンのバンドギャップより上で、上層を適切に透過できる光子を選択します。必要に応じて、透過励起またはモデルスタック吸収を測定します。公称 NIR 出力を増加しても、接触層や輸送層に吸収される未知の部分は補正されません。
公開されている波長しきい値は普遍的なレシピではありません。調査されたタンデムの 1 つは、シリコン優勢シグナルの場合は少なくとも 815 nm、ペロブスカイト優勢シグナルの場合は 750 nm 以下の励起を必要としました。実際的な教訓は、これらの境界をすべてのペロブスカイト組成に適用するのではなく、デバイスの波長依存の選択性テストを確立することです。
どちらのチャネルでも、定量的な比較が目的の場合は、吸収された光子束を比較します。 2 つのポンプ波長での入射パワーが等しいと、異なる光子束と異なる吸収率が得られます。局所プローブが照明されていないデバイス領域に囲まれているかどうかを含む、照明領域と均一性を記録します。
測定タスク |
励起戦略 |
検出要件 |
検証 |
|---|---|---|---|
ペロブスカイト優勢PL |
トップセルのバンドギャップより上。強力なトップ層の吸収 |
ポンプの阻止とペロブスカイト発光をカバーするバンド |
スペクトルと励起波長のチェック |
シリコン優勢PL |
トップセルエッジより下だがシリコンに吸収される |
適切なシリコン発光感度による NIR 収集 |
ペロブスカイトテール、ポンプの漏れ、ボトムセルの応答を確認します |
クロストーク評価 |
選択した波長で励起を繰り返す |
最終的なカメラバンドよりも広いスペクトルを収集します |
スペクトル形状とチャネル比を比較する |
定量的マッピング |
吸収された光子束と電気状態を制御 |
キャリブレーションされた応答と空間補正 |
参照領域を繰り返し、機器の安定性を確認します |
2 つの固定イメージング チャネルにコミットする前に、代表的なスペクトルを取得します。測定された放射、励起漏れ、検出器の応答を使用してフィルターを選択し、フィルターされた信号をそれらのスペクトルに対して検証します。
ロングパスフィルターは、その遷移より下の波長のみを除去します。発生元のサブセルによってその遷移を超えるすべての光を区別するわけではありません。シリコンマッピングの場合、より長い波長の収集バンドは、ペロブスカイトのサブバンドギャップテールを透過しながら、トップセルのバンドエッジ光を減らすことができます。残留寄与がゼロであると仮定するのではなく、残留寄与をテストします。
オーバーラップが重要な場合は、分光計または複数のバンドと正当化されたスペクトル分離モデルを使用します。参照スペクトルは同等の条件下で取得する必要があり、その形状はマップ全体で適切なままである必要があります。成分の形状が大幅に変化するか、追加の放出源が省略されている場合、2 成分の非混合フィットは信頼性が低くなります。
実際の収集領域全体でフィルターの透過率と検出器の応答を測定します。シリコン検出器の感度は、長波長のカットオフに近づくにつれて低下します。シリコンの発光帯域と必要な信号レベルによっては、InGaAs チャネルが役立つ場合があります。検出器の公称波長限界だけでは、バンド端での有用な感度の証拠としては不十分です。
時間分解作業の場合は、各スペクトル チャネルの応答とカウント統計を個別に検証します。可視チャネルのタイミング仕様は、測定を行わずに NIR 構成に割り当てないでください。フルエンス、パルス間隔、およびサブセルの電気的結合によっても、観察される減衰が変化する可能性があります。
文書化された励起/検出レシピと共有座標系を使用して、各サブセルをマッピングします。機器の不均一性とサンプルの不均一性を区別できるように、生の画像と校正データを保存します。
デバイスを記録します: アーキテクチャ、レイヤースタック、コンタクトアクセス、カプセル化、温度、および光浸漬履歴。
選択的励起の検証: 選択したポンプ波長での発光スペクトルを比較し、吸収された光子束を推定します。
スペクトル分離を検証します。 ポンプの漏れ、検出器のバックグラウンド、および他のサブセルからの残留寄与を測定します。
2 つの PL マップを取得します。 線形の不飽和検出器設定とドキュメントの露出と電気的条件を使用します。
補正と位置合わせ: 適切なダーク補正、フラットフィールド補正、および照明補正を適用し、安定した特徴を使用して画像を位置合わせします。
分析と再チェック: スペクトルまたは強度の異常を検査し、参照領域を再訪問してドリフトやサンプルの変化を検出します。
開回路の特性評価では、デバイスが実際に意図した状態にあることを確認してください。 2 端子タンデムでの選択的励起により、サブセル間に異常な電圧分布と結合が生じる可能性があります。他のサブセルにバイアス照明が使用されている場合は、そのスペクトルと強度を記録します。対応する条件を確立せずに、選択的に照明された PL マップを動作点測定と呼ばないでください。
空間比較の場合は、共通の視野を使用し、色倍率、焦点、点広がりの違いを考慮します。登録が不十分な画像間のピクセルごとの比率により、誤った境界が作成される可能性があります。チャンネル固有のカラースケールと単位を保持します。共有表示範囲では、生の強度を定量的に比較することはできません。
制御された条件下での相対的な空間変化から始めます。欠陥の割り当てや暗示的な電圧の抽出には、2 つの強度画像以外の追加の光学的、電気的、および校正情報が必要です。
暗いトップセル領域は、再結合損失、吸収の低下、バンドギャップの変化、または収集の変化を示している可能性があります。弱いシリコン領域は、ボトムセルの品質、励起透過、最上層のシェーディング、または不十分な検出器の応答を反映している可能性があります。微視的なメカニズムを割り当てる前に、局所スペクトルと補足的な電気測定を比較します。
強度依存の測定により、別の次元が追加されます。 Suns-PL は、発光の挙動をさまざまな照明に関連付け、適切なキャリブレーションとモデルの仮定の下で暗黙の電圧または擬似 JV 解析をサポートできます。同時に、両方のサブセルの照明と、それらの信号がどのように分離されるかを定義します。擬似 JV 結果は、電流抽出および直列抵抗損失の下での端子の動作を自動的に再現しません。
タイムテックスペクトラ SOLARIUM-L タンデム特性評価システムは、 タンデム サンプルのサブセル Suns-PL、PL/TRPL、EL、および PL 分光法/強度/寿命イメージングをリストします。図示のレシピでは、ペロブスカイト イメージングには 630 nm ロングパスで 450 nm 励起を使用し、シリコン イメージングでは 850 nm ロングパスで 825 nm 励起を使用します。これらは実証された測定条件であり、普遍的な純度を保証するものではありません。
タンデム太陽電池特性評価システムの仕様については、選択した光源波長、NIR 感度、フィルタリング、およびチャネル固有のタイミングを確認します。特に、リストされている 400 ～ 1100 nm TCSPC APD バンドは、シリコン発光スペクトル全体にわたって同等に強力な検出を示すものとして解釈されるべきではありません。意図した構成に対するサンプルベースの選択性と信号対雑音テストについて合意します。
信頼性の高いサブセルの PL 測定は、励起の選択性から始まり、検出された信号が主に目的のサブセルに属しているという証拠で終わります。スペクトルを使用してフィルターを選択し、クロストークをテストし、電気的状態を制御し、欠陥を解釈する前にマップを登録します。タンデム型太陽電池特性評価システムは、これらのチェックを実用的にし、校正情報を保存する必要があります。分光分析会社である Time Tech Spectra は、タンデム PL およびサブセル Suns-PL 機能を備えた SOLARIUM-L を提供しています。特に弱いシリコン発光とペロブスカイトのスペクトルテールが重なる場合は、実際のスタックの周囲で正確な光源と検出構成を選択してください。
必ずしもそうとは限りません。応答と位置合わせが調整されていれば、順次スペクトルまたはイメージング構成が機能します。同時チャネルは、収集中にサンプルが変化する場合に役立ちます。
いいえ、吸収される励起、発光スペクトル、収集効率、検出器の応答は異なります。比較に適した校正された量を使用してください。
いいえ、選択性はトップセルの吸収端とスタック全体に依存します。波長依存の発光とサブバンドギャップの寄与の可能性を検証します。
PL は有用な再結合情報を提供しますが、電流マッチングには、サブセル分解能 EQE や適切に制御されたデバイス測定などの生成および電気情報が必要です。