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HORIBA MicOS with a HORIBA iHR320 Imaging Spectrometer
最新的光伏材料研究目标是开发更高效、更柔韧、成本更低的太阳能电池,荧光光谱是这项研究中采用的重要手段。
位于德克萨斯州中部的德克萨斯A&M大学的一个研究小组使用光致发光技术来评估太阳能电池和光电转换材料的性能和品质。太阳能电池的发光属性可以显示出其晶体的品质,这是因为,作为太阳能电池基础的半导体材料,会在特定的波长发射荧光。
一般来说,材料的发光性质越好,太阳能电池的效率就越高,因此研究人员测量样品的荧光以评估半导体材料潜在的特性。
硅材料之外,研究小组还正在努力开发新的材料,大部分是薄膜光伏材料,如碲化镉、铜、铟、镓和硒化物。
研究小组观察太阳能电池芯片发射荧光的均匀性,即单个材料应具有相同的发光波长和相同的光分布。有时研究人员观察到材料上不同的位置发射不同波长的荧光。这告诉他们,光伏材料在制造过程中引入了一定程度的变异。
这项工作既是基础研究,也属于应用研究。通过这一研究,可以了解材料的属性,改进材料加工工艺,从而有效地制造材料。
该研究小组是研究中心的一部分,其长期目标是帮助将光伏发电确立为世界上的主要能源。
德克萨斯A&M大学的研究小组使用一套全集成的HORIBA MicOS显微光谱仪,这台光谱仪能够在整个样品上进行光致发光扫描测量,协助开发新材料。
德克萨斯A&M大学的研究人员正试图找到样品上那些性能较差的部分,深入了解其中原因,用于基础研究和有关应用工作。他们正试图了解如何避免发光效率较低的变异,想要消除其中沉积不良的结构或者非光伏材料。他们采用光致发光方法找出其中发光不好的部分,来实现这一目标。
他们从合作者那里获得样本,使用MicOS系统,对整个样品进行粗略的、大范围光致发光扫描成像,由此可能在样品上找到一些感兴趣的区域。
如果研究人员在太阳能电池上确认了一个感兴趣的点,就将其放入配置HORIBA CLUE(阴极发光通用扩展)的扫描电子显微镜下,放大该区域观察。然后,对此区域进行显微成像。
研究人员可以在有异常光致发光的区域进行显微成像,从而帮助他们了解如何消除效率较低的变异,比如改进光伏材料的沉积方式。这也允许他们尝试采用不同的方法去除这些性能不好的结构。
硅是光伏的历史标准,研究人员正试图找到比硅便宜得多的材料。他们还寻找那些具有硅材料缺少的特性的物质,如重量轻、易于弯曲,能更好地融入我们的日常生活。前面提到的涂料可以涂敷在如塑料和纸张这样的低成本的材料之上,制造太阳能电池上。在世界各地的实验室中,为了获得更好的半导体性能,正在研究的新型材料种类繁多,其中包括半导体纳米粒子(量子点)、钙钛矿型晶体、半导体性聚合物、生物材料甚至植物提取物制成的材料。
至关重要的因素是这些材料的光电转换效率,一旦实现高效率转化,该技术将变得更加商业化。目前存在的障碍是,这些涂料的光电转换效率还没有达到硅的水平。
硅材料主导着光伏市场,约占太阳能电池的90%,余下的10%属于碲化镉。但硅有严重的局限性,它对光的吸收能力比较差,所以需要很厚的硅层来吸收能量。很多像德州A&M大学这样的研究人员正在寻找更柔韧、更便宜的替代品。
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