[论文解读] Contactless Series Resistance Imaging of Perovskite Solar Cells via Inhomogeneous Illumination

Arman Mahboubi Soufiani, Yan Zhu+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2021

Perovskite Materials and Applications参考文献 56被引用 7

一句话总结

本文提出一种基于非均匀光照的无接触光致发光成像方法，用于在钙钛矿太阳能电池中映射有效串联电阻（Rs）。通过创建交替的光照与非光照区域，该技术实现了无接触的电流提取和发光检测，从而无需电极即可定性识别高Rs区域。该方法经接触式测量验证，适用于早期器件表征及叠层子电池分析。

ABSTRACT

A contactless effective series resistance imaging method for large area perovskite solar cells that is based on photoluminescence imaging with non-uniform illumination is introduced and demonstrated experimentally. The proposed technique is applicable to partially and fully processed perovskite solar cells if laterally conductive layers are present. The capability of the proposed contactless method to detect features with high effective series resistance is validated by comparison with various contacted mode luminescence imaging techniques. The method can reliably provide information regarding the severeness of the detected series resistance through photo-excitation pattern manipulation. Application of the method to sub-cells in monolithic tandem devices, without the need for electrical contacting the terminals, appears feasible.

研究动机与目标

• 开发一种用于钙钛矿太阳能电池有效串联电阻（Rs）成像的无接触方法，以克服接触式技术的局限性。
• 实现在完全金属化前对钙钛矿器件的早期阶段表征，支持规模化生产过程中的工艺优化。
• 在无需电极或金属接触的情况下，区分不同严重程度的Rs区域。
• 通过与具备电流提取功能的接触式光致发光成像技术对比，验证无接触方法的可靠性。
• 探索该技术在单结钙钛矿叠层太阳能电池子电池中无接触表征的可行性。

提出的方法

• 利用数字微镜器件（DMD）施加空间非均匀的光激发图案，在钙钛矿太阳能电池表面形成交替的光照与非光照区域。
• 在光照区域，横向平衡电流驱动无接触电流提取，生成PLCE_contactless图像。
• 在非光照区域，由于无激发作用，因内建电势而产生无接触电致发光（EL_contactless）成像。
• 通过比较光照与非光照区域之间的发光强度差异，推断有效串联电阻上的电压降（ΔVs），其与Rs成正比。
• 该方法依赖电荷传输层的横向导电性，以实现在器件内部的电流平衡。
• 对所得发光图案进行图像处理，获得有效Rs分布的定性图谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过非均匀光照在无电极接触的情况下对钙钛矿太阳能电池中的有效串联电阻（Rs）进行成像？
• RQ2 在无接触模式下，随着电流提取条件的变化，Rs特征的严重程度如何与发光强度变化相关？
• RQ3 该无接触方法能否可靠地检测并区分高Rs区域与低Rs区域，且经由接触式测量结果验证？
• RQ4 该方法在制造过程中对部分处理或未金属化的钙钛矿器件中可应用到何种程度？
• RQ5 该技术是否适用于单结钙钛矿叠层太阳能电池中子电池的无接触表征？

主要发现

• 无接触方法通过光照的空间调制成功识别出高有效串联电阻（Rs）区域，结果与具备电流提取功能的接触式光致发光成像结果一致。
• 随着电流提取的增加，绝对Rs值较低的特征从发光图像中消失，而高Rs区域仍保持可见，从而实现对Rs严重程度的定性评估。
• 该方法可在无金属化器件中检测到受Rs影响的区域，支持规模化生产过程中的早期工艺优化。
• 通过将无接触图像与在不同端子电压下获取的接触式PLCE图像进行对比，验证了该方法的可靠性，结果显示特征可见性一致。
• 该方法可实现对单结叠层太阳能电池中Rs和隐含开路电压（iVOC）的非破坏性、无接触映射，无需电气接入即可完成子电池的完整表征。
• 只要存在横向导电的传输层，该方法适用于部分处理和完全处理的钙钛矿太阳能电池。