IMA™高光谱成像系统解锁CIGS（铜铟镓硒）光谱与空间分析

可再生能源越来越受欢迎，太阳能产业正迅速发展。这种清洁的能源具备为世界供电的巨大潜力，并以惊人的速度增长。CIGS（铜铟镓硒）太阳能电池是低成本薄膜面板的理想候选材料，其效率已取得显著提升，目前已超过20%。

CIGS模块中图案化沟槽损耗的表征

实现如此高效率的一个关键特性是激光图案化互连技术，该技术将尺寸较大的CIGS模块分割成多个串联的小型电池单元。然而，尽管这一工艺有助于提高整体效率，但也会引入能量损失。因此，研究人员正在努力寻找更优的图案化几何结构，以减少这些损耗。

在本项研究中，来自Nice Solar的研究团队重点关注了激光刻蚀两种标准图案化沟槽（P1：用于背面接触的图案化；P2：用于串联互连）所造成的损伤。这些损伤通过高光谱光致发光成像（hyperspectral photoluminescence imaging）进行分析。Photon etc.的全局高光谱平台（IMA）由光学显微镜、CW 532 nm激光器以及基于体布拉格光栅（volume Bragg gratings）的高光谱滤波器组成。该平台可在400 nm至1000 nm范围内工作，提供高的光谱分辨率（< 2 nm）和空间分辨率（~1 μm）。传统的CIGS光致发光（PL）研究通常采用局部激发方式，导致电荷向较暗区域扩散。而全局照明所产生的等势条件可减轻这种效应，使测量结果更接近太阳能电池的实际运行模式。

图1 - P1线边缘处异常的PL观测

a) P1和P2刻蚀线的光学显微图像（上图），以及从同一位置获取的高光谱显微图像中提取的PL强度图（下图）；

b) 在980 nm处的单色PL图像（上图），以及对P1和P2图案化线跨过区域的PL线轮廓（在980 nm处）进行统计分析的结果（下图），显示了P1边缘PL效应的范围。（仅显示代表性轮廓；平均值基于25条轮廓计算。）

图1展示了从高光谱数据中提取的P1和P2线附近的PL轮廓。PL图像显示，在P1线边缘附近存在发射淬灭现象。进一步研究表明，该效应导致PL强度下降约30%，且并非由成分变化引起。“这一观察结果前所未见，为设计无P1图案化线诱导寄生电学路径的互连结构提供了新的见解。"这项工作表明，高光谱成像是一种识别损耗并提高CIGS模块效率的有力工具。

CIGS 微电池中不均匀性的研究

实现 CIGS 太阳能电池更高效率的一个障碍，部分源于其多晶结构带来的电池内部不均匀性。为了量化形态对电池效率的影响，研究其不同性质的空间变化至关重要。

基于此，IPVF（原 IRDEP - 光伏能源研究与发展研究所）的研究人员通过光致发光（PL）和电致发光（EL）的光谱与空间分辨成像，研究了一个直径为 35 μm 的 CIGS 微电池。为进行此类实验，他们使用了一台具有 2 nm 光谱分辨率、空间分辨率接近衍射极限（~μm）的高光谱成像仪（IMA）。在 EL 实验中采用光源计，施加电压 Vapp = 0.95 V；在 PL 实验中使用 532 nm 激光器激发（激发波长为 580 nm）。显微物镜视场内的整个区域被同时激发，并从一百万个点同时收集 PL 信号。

图 2a 和 b 展示了 CIGS 微电池的 PL 和 EL 图像。通过结合其光谱分辨的 PL 和 EL 图谱，并采用光度绝对校准方法，研究人员可以利用广义普朗克定律提取准费米能级分裂（Δμeff）（见图 1c 和 d），该参数直接与电池的电压相关。借助太阳能电池与 LED 之间的互易关系，可从 EL 图像推导出外部量子效率（EQE）。

能够在样品整个表面的微米尺度上获取基本物理特性，有助于优化制造工艺，从而提高电池效率。

图 2 – 高光谱图像：a) 积分 PL 发射，b) 积分 EL 发射。

利用广义普朗克定律，可以推导出 c) 和 d) 中的 Δμeff 分布图。改编自 [3]。

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