基于B2912A的有機太陽(yáng)能電池測試方案

隨著(zhù)能源和環(huán)境問(wèn)題的日趨嚴重，各種清潔能源的開(kāi)發(fā)應用日益得到重視，在這其中太陽(yáng)能的利用是解決能源短缺和環(huán)境污染的最重要的途徑之一，而太陽(yáng)能電池則是太陽(yáng)能利用的一個(gè)非常重要的方面。當前應用和開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能電池包括晶硅(單晶硅、多晶硅、類(lèi)單晶硅)太陽(yáng)能電池、無(wú)機半導體薄膜(非晶硅、CdTe、GaAs、CuInSe2等)太陽(yáng)能電池、有機染料敏化太陽(yáng)能電池和有機太陽(yáng)能電池等。目前市場(chǎng)上商品化的電池主要是基于無(wú)機材料的太陽(yáng)能電池，但均存在成本高、光伏材料制備和純化過(guò)程耗能高、電池制備過(guò)程復雜等問(wèn)題。

有機太陽(yáng)能電池是一種新型有機薄膜太陽(yáng)能電池，可視為第三代電池，典型的有機太陽(yáng)能電池由共軛聚合物或有機小分子給體和富勒烯衍生物受體組成的共混薄膜夾在透明的ITO導電玻璃正極和金屬負極之間所組成。其結構見(jiàn)圖1、2。有機太陽(yáng)能電池具備制備過(guò)程簡(jiǎn)單、成本低、重量輕、可制備柔性器件等突出優(yōu)點(diǎn)。目前實(shí)驗室報道的小面積器件最高光電轉換效率已從1995年的不到1%提高到大于9%。日前國外已經(jīng)有不少公司積極開(kāi)展有機太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化工作，業(yè)界報道的電池效率已經(jīng)超過(guò)10%(日本三菱化學(xué)與美國加州理工大學(xué)合作開(kāi)發(fā))，已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化道路的Heliatek公司報道的電池效率也高達10.7%。

圖1 ：有機太陽(yáng)能結構示意圖。

圖2 ：有代表性的給體P3HT和受體PCBM的有機太陽(yáng)能電池結構示意圖和材料的電子能級。

有機太陽(yáng)能電池的工作原理和基于無(wú)機材料的太陽(yáng)能電池類(lèi)似，太陽(yáng)光從透明電極一側入射到活性層上，活性層光伏材料吸收光子產(chǎn)生激子(電子-空穴對);激子向給體/受體界面下擴散和遷移;擴散和遷移到界面處的激子在給/受體電子能級差的作用下發(fā)生電荷分離;在電池內部勢場(chǎng)的作用下，被分離的空穴沿著(zhù)給體形成的通道傳輸到正極，而電子則沿著(zhù)PCBM受體形成的通道傳輸到負極;空穴和電子分別被正極和負極收集形成光電池和光電壓，從而產(chǎn)生光伏效應。

考察有機太陽(yáng)能電池性能的最主要參數包括：光電轉換效率(Photovoltaic Convert Efficiency，PCE)、開(kāi)路電壓(Open Circuit Voltage， Voc)，短路電流(Short Circuit Current, Jsc)，填充因子(Fill Factor， FF)。其中電池的轉換效率計算公式為：

其中Pmax為電池的最大輸出功率，Jmax為電池的最大輸出電流，Vmax為最大輸出電壓。Plight為入射光能量。

圖3 ：有機太陽(yáng)能電池等效電路及相關(guān)參數。

作為替代能源，考察太陽(yáng)能電池的最重要數據是其對能量的利用效率，即太陽(yáng)能電池對入射的太陽(yáng)光的轉換效率。實(shí)驗室制備的有機太陽(yáng)能電池絕在部分是金屬柵線(xiàn)電極(小面積的電池電極常為六指結構)。因有機太陽(yáng)能電池與傳統的基于無(wú)機材料的電池相比，目前的各方面參數都有所不如，故其對測試的精確度要求更高。當然，其他諸如簡(jiǎn)單、快速的測試也是必需的。精確的測量數據除了可以得到準確的轉換效率外，還可以得到Vmax、Jmax、Pmax以及Rsh、Rs等數值，這些相關(guān)參數可以準確的考察電池的各方面性能，并為下一步的電池性能改進(jìn)提供實(shí)驗上的依據。

實(shí)驗室對有機太陽(yáng)能電池性能測試源表選用的是安捷倫B2912A，采用USB接口。其最小至10fA/100nV的最小測量分辨率能夠很好的滿(mǎn)足有機太陽(yáng)能電池小電流的測試，尤其是在暗電流的測試方面。

圖4為有機太陽(yáng)能電池在采用B2912A測試的連接圖測試電腦與源表以USB線(xiàn)相連，可以很好的滿(mǎn)足數據傳輸的要求，測試電池與源表之間以屏蔽線(xiàn)直接硬連，可隔絕實(shí)驗室其他儀器對測試信號的干擾。

圖5為基于P3HT和PCBM為給、受體的有機太陽(yáng)能電池以B2912A測試得到的在一個(gè)標準太陽(yáng)下和無(wú)光照條件下的I-V曲線(xiàn)圖?？梢钥吹?，源表可以滿(mǎn)足測試數據高精度的需要，同時(shí)可以通過(guò)設置不同的延遲時(shí)間以滿(mǎn)足有機太陽(yáng)能電池測試信號反饋較慢的要求。

圖4 ：B2912A在有機太陽(yáng)能電池測試中的應用。

圖5 ：基于P3HT和PCBM的有機太陽(yáng)能電池以B2912A測試得到的在1000W/m2光照強度下的I-V曲和無(wú)光照條件下的I-V曲線(xiàn)。

在有機太陽(yáng)能電池科研過(guò)程中，要對大量的電池片進(jìn)行IV測試。相比傳統的IV測試系統，B2912A精密測量單元集成的IV測試系統具有系統結構簡(jiǎn)單，操作方便，精度高，可靠性強，測量迅速等優(yōu)勢，大大降低了太陽(yáng)能電池IV性能測量的操作成本，時(shí)間成本，同時(shí)增加了IV測量的靈活性。B2912A還可以對有機LED,有機MOSFET器件進(jìn)行電學(xué)IV特性方面的測試，可以說(shuō)節省了實(shí)驗室長(cháng)期的設備投資。

從長(cháng)期看來(lái)，太陽(yáng)能的利用必然是解決能源和環(huán)境問(wèn)題的一個(gè)非常重要的方法。另一方面，隨著(zhù)新技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能電池的應用也必然越來(lái)越廣泛，在這其中，有機太陽(yáng)能電池因其獨特的優(yōu)點(diǎn)，也必將扮演相當重要的角色。近年來(lái)，隨著(zhù)大批科研人員和相當的公司開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)有機太陽(yáng)能電池，其發(fā)展速度相當迅速，電池效率也有著(zhù)顯著(zhù)提升。這也對有機太陽(yáng)能電池測試提出了新的要求，當然也帶來(lái)了新的機遇。

以我們實(shí)驗室為例，安捷倫B2912A能夠很好的滿(mǎn)足有機太陽(yáng)能電池各方面性能測試的要求。安捷倫系統集成商和創(chuàng )聯(lián)合科技(北京)有限公司提供了相關(guān)產(chǎn)品及集成方案，同時(shí)完成了相關(guān)測試技術(shù)培訓及指導，如有基于B2900A系列產(chǎn)品的有機太陽(yáng)能電池IV測試需求，可以聯(lián)系和創(chuàng )聯(lián)合科技(北京)有限公司。