椭偏仪在钙钛矿太阳能电池行业中的应用

一、钙钛矿太阳能电池介绍

太阳能电池是一种能将太阳能转换为电能的光伏器件。太阳能电池可以应用于发电厂，照明，汽车，通风系统等商用和家用的场景。太阳能电池可以分为第一代、第二代和第三代电池。第一代电池也称为传统电池或晶硅电池，由商业上占主导地位的晶体硅制成，包括多晶硅和单晶硅等材料。第二代电池是薄膜太阳能电池，包括非晶硅，CdTe和CIGS电池。第三代太阳能电池包括多种薄膜技术，通常被称为新兴光伏技术。晶硅电池的理论极限效率为29.4%，考虑到光学与电学的实际可能的损失后,其实际的理论效率只有27.1%。采用背接触晶硅电池与异质结晶硅电池结合工艺制备的晶硅电池效率世界记录为26.7%，接近晶硅电池实际的理论极限效率。

钙钛矿具有带隙可调、工艺简单等优点，目前正处于从实验室到大尺寸工业制造阶段。钙钛矿材料泛指一类化学组成与钙钛矿晶体结构相似的ABX3型化合物（如图1所示），此类物质在自然界中广泛存在。由于最初发现的该类物质仅具有钙，钛，氧三种元素，故将其命名为钙钛矿。钙钛矿太阳能电池（Perovskite solar-cells, PCSs）按照材料选择可进一步细分为钙钛矿-晶硅叠层，全钙钛矿叠层，钙钛矿-有机叠层，钙钛矿-CIGS叠层电池。目前产业化进度较快的是全钙钛矿叠层和钙钛矿-晶硅叠层电池。

图1 ABX3钙钛矿晶体结构示意图

（来源：A review of characterization of perovskite film in solar cells by spectroscopic ellipsometry）

二、钙钛矿太阳能电池薄膜量测对象及意义

检测是PCSs的研发与生产过程中的重要环节。在PCSs的研发过程中，需进行光电性能，光热稳定性和薄膜厚度等检测。研究人员根据检测结果对实验条件进行调整，达到优化PCSs性能的目的。在PCSs的生产过程中进行各项检测，可以对产品的各项性能进行监控，有助于实现高效的质量控制，降低生产成本。

目前，PCSs为薄膜器件结构，主要包括活性吸光层（钙钛矿层），界面修饰层（空穴传输层和电子传输层）以及电极层（透明电极和金属对电极）。器件中的不同功能层遵循一定的排列顺序，即透明电极/电子传输层（Electron transport-layer, ETL）/钙钛矿吸收层/空穴传输层（Hole transport-layer, HTL）/金属电极，该结构被称为常规正向（n-i-p）结构，而p-i-n型器件被称为倒置结构，如图2所示。

图2 n-i-p结构和p-i-n结构示意图

以n-i-p结构的PCSs为例。钙钛矿层，HTL，ETL，透明电极和金属电极的工艺条件会影响对应薄膜的成膜质量与厚度，进而影响PCSs的光学和电学性能。

对这些膜层的光学参数和厚度进行快速、非破坏、准确的量测能有效提高PCSs器件的光电性能，为PCSs器件的设计提供准确的参考。

三、钙钛矿太阳能电池的量测解决方案

推荐使用颐光科技ME-Mapping-L全自动高精度穆勒矩阵光谱椭偏仪测量，ME-Mapping-L采用了行业前沿的创新技术，包括消色差补偿器、双旋转补偿器同步控制、穆勒矩阵数据分析等，支持mapping路径自定义设置，能一次完成膜厚和nk的多点扫描，实现了测量数据的高准确性和高重复性精度，可以满足PSCs行业量测需求。

图3 颐光科技ME-Mapping-L 设备示意图

四、测量案例介绍

1. 导电玻璃（ITO玻璃）

对ITO玻璃进行建模测量，其结构示意图见图4。

图4 ITO玻璃膜层结构

ITO玻璃的椭偏光谱拟合结果如图5所示，ITO的nk如图6所示，满足工艺预期。

图5 ITO玻璃的椭偏光谱拟合图

图6 ITO的nk曲线

2. 钙钛矿层

（i）对玻璃上的单层钙钛矿进行建模测量，其结构示意图见图7。

图7 钙钛矿膜层结构

钙钛矿的椭偏光谱拟合结果如图8所示，钙钛矿的nk如图9所示，光学常数与厚度满足工艺预期。

图8 Glass-钙钛矿玻璃的椭偏光谱拟合图

图9 钙钛矿的nk曲线

（ii）对ITO玻璃上的钙钛矿进行建模测量，其结构示意图见图10。

图10 Glass-ITO-钙钛矿膜层结构

椭偏光谱拟合结果如图11所示，钙钛矿的厚度分布热力图如图12所示，满足工艺预期。

图11 Glass-ITO-钙钛矿的椭偏光谱拟合图

图12 钙钛矿的厚度分布热力图