文|不似少溓游

编辑|不似少溓游

前言

样品光电流测量是评估材料光电转换性能的重要手段。通过测量材料吸收光后生成的电流，可以了解材料的光敏性能以及载流子传输性质。在光伏领域，样品光电流测量被广泛应用于太阳能电池器件研究中，以评估其光电转换效率。

样品光电流测量也广泛应用于半导体器件、光电子器件、光化学器件等领域。

吸收系数测量的实验设置和方法

样品光电流的测量是通过将样品的薄膜侧放置一对共面电极，并在样品暴露于来自FTIR光谱仪的迈克尔逊干涉仪的入射光时对样品施加电压来获得的。透射光的通量强度是使用与透射率测量相同的技术，通过测量放置在样品后面的光电二极管的电流，来测量透射光的通量强度。

为了验证样品是否产生光电流，我们可以检查样品暴露在光下，没有电压计或示波器是否有差异。为了放大FTIR光谱仪中的电流输入，我们可以增加所施加的电压或放大增益I/V转换器。

在放大信号时，我们应该始终优先考虑一个较高的信噪比，而不是整体的振幅，以获得一个正确的测量值。在许多情况下，在样品光电流测量的结果中，我们可以看到，我们在高波长（低能量）区域的灵敏度松散。

这个问题是由于较高的噪声与信号比，这可以通过使用一个光滤波器切断信号高的波数区域来解决。然后，我们可以通过增加I/V转换器的放大增益来提高信噪比。

透射光的通量强度的测量是通过在样品后面放置一个光电二极管来完成的，就像在透射率测量中一样。采用两种光电二极管InGaas和晶体硅，采用InGaas光电二极管与滤光片进行测量，以增加信噪比Ra- TIo，增加测量的动态范围。

使用FTIR光谱仪测量的a-sI：H样品的吸收光谱的一个例子，我们采用以下程序进行吸收系数的测量：

1.带和不带滤光片的样品光电流的测量。

2.用硅光电二极管测量透射光的通量强度。

3..用带有滤光片的InGaas光电二极管测量透射光的通量强度。

4.用硅光电二极管测量入射光的通量强度。

5.用带有滤光片的InGaas光电二极管测量入射光的通量强度。

6.用硅光电二极管测量样品中反射光的通量强度。

对入射光的通量强度的测量有助于获得被测样品的反导率光谱，即透射光的通量强度与入射光的通量强度的比值。计算采用等式值为了得到任意值的吸收系数谱，即只包含吸收系数谱的趋势，如上所述的样品的光电流测量就足够了。

但是，为了获得绝对值的吸收系数谱，我们需要使用样品的透射率和反射率值校准吸收系数结果，或者仅使用上节所述的标准校准透过率值满足。

使用FTIR光谱仪测量太阳能电池的光谱响应

光谱响应或量子效率（QE）对于理解光电器件中的电流产生、复合和扩散机制至关重要。以每个入射光子收集的电子-空穴对为单位的量子效率是由测量的以每瓦特为单位的安培的光谱响应作为波长的函数计算出来的。

正如上述三种不同的光电流测量：透射率、反射率和吸收系数测量，我们使用了沉积在非导电衬底上的半导体薄膜作为样品。接下来我们将使用太阳能电池作为样本。

使用FTIR光谱仪测量光电流可以用于测量太阳能电池的光谱响应，与使用单色器光源的典型太阳能电池光谱响应测量相比具有优势。使用FTIR光谱仪的优点是比典型的使用单色光源测量的测量时间更短，以及更高的测量分辨率。

使用FTIR光谱仪进行太阳能电池光谱响应测量首次由PoRuba等人在2001年报道了μc-sI p-I-n太阳能电池，后来由PoRuba等人在2003年报道了氧化锌涂层玻璃上的太阳能电池模块和层。

2009年，PyThon在2009年开发了μc-sI太阳能电池的评价方法。PyThon等人进一步观察到太阳能电池中的微裂纹是太阳能电池中的另一种缺陷。对a-sI：H太阳能电池的测量首次由代尔夫特大学的等人于2008年发表。

同时，PoRuba在2001年进行了多结太阳能电池的应用，最后霍洛夫斯基在2007年进行了串联电池质量的测量。

获得太阳能电池的光谱响应光谱

在光谱响应、sR、测量的情况下，sR值是通过测量太阳能电池在光照下产生的光电流的比值和入射光撞击太阳能电池的功率来得到的(见等式)。

公式中，sR（ν）为a/W中的光谱响应，IsolaRcell为a中入射光下太阳能电池产生的光电流，PIncIdenT为瓦特中光电二极管测量的光源的入射功率。根据上式，利用FTIR光谱仪测量太阳能电池的光谱响应可以记为：

其中，IIncIdenT可以用来使用校准的光电二极管的光谱响应来计算PIncIdenT。通过了解光谱响应，我们能够使用等式提供太阳能电池的外部量子效率（EQE）。

为了进一步获得每个波长的短路电流密度，我们知道光源在aM 1.5G的通量密度，因此我们可以重建测量条件，就像太阳能电池是在aM 1.5G照明下的。各波长处的短路电流的密度是光谱响应与aM 1.5G的功率的乘积，如等式所示：

其中Jsc为A中各波长的短路电流密度a/m2/nm，以及 PaM1.5G是W/m2/nm中aM 1.5G的通量功率。为了得到aM 1.5G下a/m2下太阳能电池的总短路电流密度，我们可以用下面的公式对所有波长范围内的短路电流密度进行积分。

我们测量得到的用来获得短路电流的AM 1.5G的功率密度。

太阳能电池规格响应测量的实验设置与方法

在光谱响应测量中，我们使用了太阳能电池，而不是沉积在玻璃上的半导体薄膜。光谱响应的测量与FTPs对吸收系数的测量没有太大的区别。

在光谱响应测量中，我们增加了不同波长的蓝色led，以增加光谱响应较低的蓝色区域的通量强度。添加的蓝色led被放置在FTIR光谱仪内。这些led可以通过滑动连接在FTIR光谱仪内部的轴来安装和拆卸。

由于增加了蓝色的led，我们已经修改了入射光源的性质。用硅光电二极管测量的显示了光源的修正通量强度。使用led的优点是光谱可以在390到1100纳米的范围内一次性记录下来。必须进行两个测量来计算一个细胞的光谱响应。

使用FTIR光谱仪测量光谱响应的程序如下：

1.太阳能电池光电流的测量。

使用FTIR光谱仪测量太阳能电池的光谱响应的配置方案。

蓝色led安装在带有滑动轴的FTIR光谱计内，以放大蓝色区域的通量强度。a.)太阳能电池光谱响应测量的器件配置。B.)FTIR光源入射功率强度测量的器件配置。

由于蓝色led的安装，FTIR源的入射通量强度。所安装的led发射的波长分别为405、420、450、470和525 nm。

2.使用校准的光电二极管UDT221测量入射通量强度。

总测量时间为20秒，分辨率为0.5~1nm，比使用典型的单色光源要快得多。我们已经验证了与使用FTIR相同的测量和使用单色光源相同的典型测量的精度。

利用给定的光谱响应，我们可以利用方程式得到EQE和短路电流的密度。同一太阳能电池的EQE光谱和短路电流密度如图4。

总短路电流为29.8ma/cm2，使用等式计算方程1。现在我们可以验证我们得到的总短路电流与太阳能电池制造商给出的总短路电流相对应，即30.8ma/cm2，相当一致。

对沉积在透明的非导电基板和太阳能电池上的薄膜半导体样品进行光电流测量。在光电流测量中 薄膜、R/T和FTPs只能用于测量透明的非导电基板上的薄膜样品。

另一种是光谱响应测量，只能用于太阳能电池。为了获得正确的测量结果，我们还提出了使用FTIR光谱仪进行每次测量的实验设置和程序。

使用黑线的FTIR光谱仪和红点的单色光源测量的晶体硅（c-sI）太阳能电池的光谱响应的比较。

碳硅太阳能电池各波长处的短路电流密度

据我们所知R/T测量是第一次使用FTIR进行的。它非常简单，但当配合使用经典的色散光谱仪时，可以产生快速和高精度的结果。R/T测量薄膜的透光率和反射光谱，这两者都有助于推导薄膜的光学特性，如其厚度、折射率和表面粗糙度的变化，以及各波长的吸收系数。

FTPs测量的结果是薄膜的无干涉吸收系数光谱。当信号较弱时，通过光滤波器放大部分，测量结果在一个大的动态范围的吸收系数光谱。干扰吸收系数光谱被成功抑制使用aCPM的原理，这是光电流的比率的电影和传输的光通过薄膜测量的光电二极管。

当样品在FTIR光源的照明，利用等式中所示的里特-韦瑟公式，可以直接得到其绝对值处的吸收系数光谱当薄膜的性质，如R/T和厚度是已知的之前。

我们成功地演示了太阳能电池的光谱响应、EQE和短路电流密度、jsc的测量特性。FTIR光谱仪的宽带光源在现有的光谱响应、EQE和jsc测量台中取代了单色器，带来了更简单的系统配置、更快的测量速率和更高的测量精度的优点。

将使用FTIR在太阳能电池上进行的光谱响应和EQE测量结果与使用单色仪测量的结果进行比较，并将从FTIR中测量到的jsc与来自太阳能电池构造器的给定值进行比较。

当比较两种测量结果时，取得了很好的一致性，因此它证明了使用FTIR光谱仪测量太阳能电池的可靠性。

薄膜光学性质和吸收系数的测定

通过透射和反射测量确定沉积在透明基板上的薄膜半导体材料的光学系数是基于前面提出的方法。

在厚度的薄膜半导体材料的透射和反射测量中d沉积在透明的非吸收基材上，有三种介质需要考虑，它们是空气、薄膜和非吸收基材。它们对应的折射率分别用na， nF和ns表示。复折射率由nm= nm+ Ikm表示，其中折射率m表示介质。复折射率中的虚项以km表示，与光吸收系数α如下：

其中 λ 是波长。薄膜半导体材料的折射率nF随λ而变化，如方程中使用HeRzbeRGeR的sellmeIeR公式的修改。

其中nFa和nFb是常数，取决于材料，使用以下命令获得 透射和反射测量结果的拟合例程，常数 0.028 的选择与观察到的材料类型无关。在方程中波长λ以表示μm。

结语

在本次实验中，我们成功地测量了样品的光电流，并获得了一系列数据。通过对这些数据的分析，我们能够更好地了解材料的光电特性，并对其性能进行评估。

我们发现，在不同偏压下，样品产生的光电流呈现不同的变化规律。随着偏压的增加，产生的光电流也会逐渐增大，并且在一定范围内与偏压呈线性关系。此外，不同波长的激光对样品的光电响应也有所差异，这可能与材料的能带结构有关。

值得注意的是，我们在实验过程中还发现了一些问题。比如，由于实验条件的限制，我们只能对样品表面部分进行测量，而无法获取全面的信息。此外，在测量过程中可能存在噪声干扰，这可能导致数据的误差。我们需要进一步改进测量方法，以获得更准确和全面的结果。