第二十四章 性能測試
更新時間:2021-03-29 作者:肥美的韭菜
我有科研輔助系統 第二十四章 性能測試
“接下來，我們檢驗一下學弟的成果如何吧。”陳婉清道。 “學姐你放心，肯定沒問題的。”許秋自信滿滿。 “好呀，那我拭目以待，”陳婉清道：”先教你如何測試。” 順著學姐的指引，許秋看向蒸鍍機器右邊的一套儀器。 一臺電腦、一個帶數顯面板的盒子、一個集成了八只探針的元件，一個黑色的罩子； 最顯眼的是一個探照燈狀的半球體，嵌在手套箱的底部，旁邊的銘牌上標注著“Sol3A Class AAA Solar Simulator， 94043A型太陽模擬器”。 陳婉清沒有急著介紹儀器，而是從原理開始： “測試過程，簡單來說，就是用模擬的太陽光，照射電池器件。 在此期間，用線性電壓掃描，從而得到電流密度隨電壓變化的曲線，即J-V特性曲線。 通過J-V特性曲線，可以計算得到器件的短路電流密度Jsc、開路電壓Voc和填充因子FF。 此外，還有輸入功率密度，我們模擬的是AM1.5G條件，也就是太陽光入射于地表的平均照度，具體數值為100毫瓦每平方厘米。 最終，通過公式得出，器件的光電轉換效率(PCE）等于Jsc*Voc*FF/輸入功率密度。” 這幾個物理量，許秋之前在綜述上看到過，所以并不陌生，但模擬光源卻是第一次見。 他疑惑道：“怎么知道這個光源，它模擬的剛好是一個太陽光的強度呢？” “最開始使用時，會用標準硅電池標定它的光照強度，”陳婉清解釋道：“不過，在長時間使用下，光照強度會衰退，所以每隔一段時間，就需要重新標定，不然測試結果就會偏低。” 陳婉清繼續道：“它有兩個開關，一個是總開關，另一個是燈光控制開關。 把總開關，也就是那個紅色的按鍵從0撥到1，讓它先預熱起來，一般需要預熱十分鐘，這段時間我可以給你介紹其他的部件。” 許秋將總開關打開，儀器內部傳來“呼呼”的聲音，像是有風扇在運作。 “學姐，然后是要打開電腦嗎？” “是的。” 許秋進入手套箱內，按下電腦的開機鍵。 熟悉的XP系統開機畫面加載中。 等了十幾秒鐘，藍天白云的電腦桌面出現。 不過上面干干凈凈的，除了“我的電腦”外，就只有一個軟件，名稱是“魔都綜合大學物理實驗室”。 “是這個軟件嗎？”許秋將鼠標移動過去。 “是的，這個是魏老師從物理系那邊要過來的，他們用LabVIEW編寫的。”陳婉清道。 許秋打開軟件，發現軟件界面沒有什么花里胡哨的東西，非常簡潔。 左上方是參數設置區域，左下方是圖像顯示區域，有橫縱兩根坐標軸，橫軸是電壓，單位是伏特，縱軸是電流密度，單位是安培每平方厘米； 右上方是測試結果顯示區域，包括Jsc、Voc、FF、PCE四項，右下方是暗態補償、啟動、停止按鈕。 參數有默認值，基本上已經設置好了。 起始掃描電壓-1伏特，最大電壓1伏特，掃描間隔0.01伏特，電池面積0.09平方厘米，暗態補償0，當前測試條件為暗態。 熟悉了軟件界面后，許秋看向電腦旁邊的帶數顯面板的盒子，問道： “學姐，這個是什么？用來測試電流的嗎？” “很聰明嘛，”陳婉清道：“這個是Keithley 2400源表，它可以提供高度穩定的直流電壓，同時實時測試通過的電***度可達1皮安，也就是十的負12次方安培。” 許秋按下源表的啟動鍵，在“滴”的一聲后，儀器啟動，兩個數顯面板亮起，分別顯示電流和電壓。 隨后，他開始安裝基片。 先取了一片標有“1:1:0，1200r”的氧化鋅基片，將基片的背面，也就是玻璃面向下，放置在太陽模擬光源的上方平臺。 平臺上有一凹槽，基片剛好可以卡進去，并且正對著模擬光源半球面的上方， 在開啟光源后，光就可以透過玻璃，垂直照射到有效層上，發生光電轉換，產生光電流。 接著，他取來帶著八只探針的元件，將其用支架連接，探針朝下，壓在基片上方。 元件外面連接有兩組導線，每組導線一黑一紅，共四根，以“四線法”的方式與Keithley源表連接著。 八根探針彼此平行，左右各三根，上下各一根。 這些探針剛好可以扎在電池器件的邊緣。 其中左右六根探針，剛好扎在器件的六組鋁電極的末端，而上下兩根則扎在ITO電極上。 其實六個電池的ITO電極是共用的，只需要一根探針即可，但出于美觀、防止探針意外斷裂等方面的考慮，還是設計成了兩根。 最后，許秋用黑色的罩子，將太陽模擬光源連同基片、探針元件一起罩起來。 “好啦，可以準備測試了，”陳婉清道：“測試分為兩種，光照和暗態，一般需要先測試一次暗態，然后再持續進行光照下的測試。” “因為暗態下，電池器件也會產生少量電流，這部分電流不是因為光照而產生的，所以需要扣除。 雖然在一般情況下，即使不扣除對結果的影響也不大，但是為了保證結果的嚴謹性，這個步驟不能省略。” “好的。”許秋點擊軟件的啟動按鈕。 “滴。” 源表開始工作，左側的電壓值以0.01伏特的間隔，從-1伏特開始，不斷跳動增加； 右邊電流開始是負值，且只有微安級別，在電壓達到0.64伏特后，轉為正值，并迅速提高。 掃描結束，得到結果。 暗態下，短路電流密度只有-0.0018毫安每平方厘米，光電轉換效率為0.0033%。 許秋點擊暗態補償后，左上角的暗態補償自動變為-0.0033%。 看到短路電流密度為負值，他疑惑道：“學姐，這個Jsc為什么是負值呢，文獻中都是正值。” “這是測試方法導致的，我們給電池提供的是一個反向的偏壓，用來抵消它產生的光生電流，因此測得的電流就是負值，代表電流方向與電壓方向相反。而在電池器件實際工作的時候，就是正值了。”陳婉清道。 許秋若有所思的點點頭。 然后，他將軟件的測試條件更改為亮態，打開模擬光源的燈光控制開關。 “啪”的一聲響，黑色罩子底部透出一絲絲光線。 許秋點擊啟動按鈕，電壓掃描過后，得到亮態J-V特性曲線。 軟件界面的右邊，顯示有四項光電參數，短路電流密度為-11.02毫安每平方厘米，開路電壓為0.65伏特，填充因子為0.60，光電轉換效率為4.30%。 “學弟，厲害啊！”看到實驗結果，陳婉清略顯激動道：“第一次做器件就成功啦。”我有科研輔助系統 第二十四章 性能測試
“接下來，我們檢驗一下學弟的成果如何吧。”陳婉清道。 “學姐你放心，肯定沒問題的。”許秋自信滿滿。 “好呀，那我拭目以待，”陳婉清道：”先教你如何測試。” 順著學姐的指引，許秋看向蒸鍍機器右邊的一套儀器。 一臺電腦、一個帶數顯面板的盒子、一個集成了八只探針的元件，一個黑色的罩子； 最顯眼的是一個探照燈狀的半球體，嵌在手套箱的底部，旁邊的銘牌上標注著“Sol3A Class AAA Solar Simulator， 94043A型太陽模擬器”。 陳婉清沒有急著介紹儀器，而是從原理開始： “測試過程，簡單來說，就是用模擬的太陽光，照射電池器件。 在此期間，用線性電壓掃描，從而得到電流密度隨電壓變化的曲線，即J-V特性曲線。 通過J-V特性曲線，可以計算得到器件的短路電流密度Jsc、開路電壓Voc和填充因子FF。 此外，還有輸入功率密度，我們模擬的是AM1.5G條件，也就是太陽光入射于地表的平均照度，具體數值為100毫瓦每平方厘米。 最終，通過公式得出，器件的光電轉換效率(PCE）等于Jsc*Voc*FF/輸入功率密度。” 這幾個物理量，許秋之前在綜述上看到過，所以并不陌生，但模擬光源卻是第一次見。 他疑惑道：“怎么知道這個光源，它模擬的剛好是一個太陽光的強度呢？” “最開始使用時，會用標準硅電池標定它的光照強度，”陳婉清解釋道：“不過，在長時間使用下，光照強度會衰退，所以每隔一段時間，就需要重新標定，不然測試結果就會偏低。” 陳婉清繼續道：“它有兩個開關，一個是總開關，另一個是燈光控制開關。 把總開關，也就是那個紅色的按鍵從0撥到1，讓它先預熱起來，一般需要預熱十分鐘，這段時間我可以給你介紹其他的部件。” 許秋將總開關打開，儀器內部傳來“呼呼”的聲音，像是有風扇在運作。 “學姐，然后是要打開電腦嗎？” “是的。” 許秋進入手套箱內，按下電腦的開機鍵。 熟悉的XP系統開機畫面加載中。 等了十幾秒鐘，藍天白云的電腦桌面出現。 不過上面干干凈凈的，除了“我的電腦”外，就只有一個軟件，名稱是“魔都綜合大學物理實驗室”。 “是這個軟件嗎？”許秋將鼠標移動過去。 “是的，這個是魏老師從物理系那邊要過來的，他們用LabVIEW編寫的。”陳婉清道。 許秋打開軟件，發現軟件界面沒有什么花里胡哨的東西，非常簡潔。 左上方是參數設置區域，左下方是圖像顯示區域，有橫縱兩根坐標軸，橫軸是電壓，單位是伏特，縱軸是電流密度，單位是安培每平方厘米； 右上方是測試結果顯示區域，包括Jsc、Voc、FF、PCE四項，右下方是暗態補償、啟動、停止按鈕。 參數有默認值，基本上已經設置好了。 起始掃描電壓-1伏特，最大電壓1伏特，掃描間隔0.01伏特，電池面積0.09平方厘米，暗態補償0，當前測試條件為暗態。 熟悉了軟件界面后，許秋看向電腦旁邊的帶數顯面板的盒子，問道： “學姐，這個是什么？用來測試電流的嗎？” “很聰明嘛，”陳婉清道：“這個是Keithley 2400源表，它可以提供高度穩定的直流電壓，同時實時測試通過的電***度可達1皮安，也就是十的負12次方安培。” 許秋按下源表的啟動鍵，在“滴”的一聲后，儀器啟動，兩個數顯面板亮起，分別顯示電流和電壓。 隨后，他開始安裝基片。 先取了一片標有“1:1:0，1200r”的氧化鋅基片，將基片的背面，也就是玻璃面向下，放置在太陽模擬光源的上方平臺。 平臺上有一凹槽，基片剛好可以卡進去，并且正對著模擬光源半球面的上方， 在開啟光源后，光就可以透過玻璃，垂直照射到有效層上，發生光電轉換，產生光電流。 接著，他取來帶著八只探針的元件，將其用支架連接，探針朝下，壓在基片上方。 元件外面連接有兩組導線，每組導線一黑一紅，共四根，以“四線法”的方式與Keithley源表連接著。 八根探針彼此平行，左右各三根，上下各一根。 這些探針剛好可以扎在電池器件的邊緣。 其中左右六根探針，剛好扎在器件的六組鋁電極的末端，而上下兩根則扎在ITO電極上。 其實六個電池的ITO電極是共用的，只需要一根探針即可，但出于美觀、防止探針意外斷裂等方面的考慮，還是設計成了兩根。 最后，許秋用黑色的罩子，將太陽模擬光源連同基片、探針元件一起罩起來。 “好啦，可以準備測試了，”陳婉清道：“測試分為兩種，光照和暗態，一般需要先測試一次暗態，然后再持續進行光照下的測試。” “因為暗態下，電池器件也會產生少量電流，這部分電流不是因為光照而產生的，所以需要扣除。 雖然在一般情況下，即使不扣除對結果的影響也不大，但是為了保證結果的嚴謹性，這個步驟不能省略。” “好的。”許秋點擊軟件的啟動按鈕。 “滴。” 源表開始工作，左側的電壓值以0.01伏特的間隔，從-1伏特開始，不斷跳動增加； 右邊電流開始是負值，且只有微安級別，在電壓達到0.64伏特后，轉為正值，并迅速提高。 掃描結束，得到結果。 暗態下，短路電流密度只有-0.0018毫安每平方厘米，光電轉換效率為0.0033%。 許秋點擊暗態補償后，左上角的暗態補償自動變為-0.0033%。 看到短路電流密度為負值，他疑惑道：“學姐，這個Jsc為什么是負值呢，文獻中都是正值。” “這是測試方法導致的，我們給電池提供的是一個反向的偏壓，用來抵消它產生的光生電流，因此測得的電流就是負值，代表電流方向與電壓方向相反。而在電池器件實際工作的時候，就是正值了。”陳婉清道。 許秋若有所思的點點頭。 然后，他將軟件的測試條件更改為亮態，打開模擬光源的燈光控制開關。 “啪”的一聲響，黑色罩子底部透出一絲絲光線。 許秋點擊啟動按鈕，電壓掃描過后，得到亮態J-V特性曲線。 軟件界面的右邊，顯示有四項光電參數，短路電流密度為-11.02毫安每平方厘米，開路電壓為0.65伏特，填充因子為0.60，光電轉換效率為4.30%。 “學弟，厲害啊！”看到實驗結果，陳婉清略顯激動道：“第一次做器件就成功啦。”我有科研輔助系統 第二十四章 性能測試
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