用于对钙钛矿光电子器件进行自动性能评估的系统和方法技术方案

公开了一种用于评估多个钙钛矿光电子器件的性能的系统和方法。所述该系统包括：腔室；光源；开关板，该开关板使得能够从所述多个器件当中选择器件来进行测量；DC电压源，该DC电压源用于向所述器件施加电压；源/测量单元(SMU)，该源/测量单元(SMU)用于测量所述器件的电流；以及计算机，该计算机具有包含计算机可执行指令的软件程序，以至少控制所述SMU、所述DC电压源、所述开关板以及所述光源。用于通过使用所述系统进行性能评估的由计算机实现的方法包括以下步骤：获得根据第一过程的第一电流‑电压(I‑V)数据和根据第二过程的第二I‑V数据中的至少一个，以分析所述器件的滞后行为。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于对钙钛矿光电子器件进行自动性能评估的系统和方法
本专利技术涉及用于通过考虑钙钛矿光电子器件(perovskiteoptoelectronicdevice)中突出的滞后效应来对这些器件进行自动性能评估的系统和方法。
技术介绍
太阳能电池(还称为光伏电池)是通过利用表现出光伏效应的半导体将太阳能转换成电力的电气器件。就全球装机容量而言，太阳能光伏发电现在是继水力和风力发电之后第三重要的可再生能源。这些太阳能电池的构造基于p-n结的概念，其中来自太阳辐射的光子被转换成电子-空穴对。用于商业太阳能电池的半导体的示例包括：单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉以及铜铟镓二硒化物。目前报道市场上能买到的电池的太阳能电池能量转换效率约为14％-22％。高转换效率、长期稳定性以及低成本制造对于太阳能电池的商业化至关重要。为此，出于替代太阳能电池中的常规半导体的目的，已经研究了各种各样的材料。例如，使用有机半导体的太阳能电池技术相对较新，其中，这些电池可以从液体溶液中加工，潜在地导致廉价的大规模生产。除有机材料外，例如，有机金属卤化物钙钛矿、CH3NH3PbX3和CH3NH3SnX3(其中，X＝Cl、Br、I或其组合)最近已成为下一代高效率、低成本太阳能技术的的有前途的材料。据报道，这些合成钙钛矿可以表现出高电荷载流子迁移率和寿命，其允许光产生的电子和空穴移动到足够远以被提取为电流，而不是在电池内作为热量而失去它们的能量。这些合成钙钛矿可以通过使用与用于有机太阳能电池相同的薄膜制造技术(诸如，溶液处理、真空蒸发技术、化学汽相沉积(CVD)等)来制造。最近的报道已经表明，这类材料(即，有机金属卤化物钙钛矿)在其它光电子器件中也具有高性能半导体介质的潜力。具体来说，已知一些钙钛矿表现出强光致发光特性，致使它们成为用于发光二极管(LED)的引人注目的候选者。另外，据报道，钙钛矿还表现出相干发光特性，因此具有光学放大特性，其适用于电驱动激光器。在这些器件中，电子和空穴载流子被注入光致发光介质中，而在太阳能电池器件中需要载流子提取。据报道，基于有机金属卤化物钙钛矿的太阳能电池表现出滞后行为(hysteresisbehavior)，该滞后行为包括光电流对电压扫描方向的强依赖性。这些电池中的滞后主要受钙钛矿晶粒尺寸和下面的电子传输层的结构的影响。与Si或其它类型的太阳能电池相比，该滞后效应通常与钙钛矿太阳能电池中的高电容相关联。钙钛矿太阳能电池中突出的这种滞后效应引起了人们对过去所报告效率值的准确度的担忧，因此，需要比常规方法更好的实践来测量和报告钙钛矿太阳能电池的性能。即，重要的是找到用于使钙钛矿太阳能电池特征化的一组一致且可靠的测量规则。一些商业测量系统提供预处理，其可以被用于研究移动离子、铁电性或深陷阱位置的影响，这些被认为是钙钛矿滞后行为的物理原因。然而，这些仅仅是典型太阳能电池评价和评估的附加步骤，并且通常不够精确。鉴于与滞后行为和与基于钙钛矿的光电子器件有关的其它突出特征相关联的上述问题，本文档描述了一种自动化综合系统，该自动化综合系统包括用于基于具有一组一致且可靠的规范的高通量方法(high-throughputmethod)来测量和评估钙钛矿器件性能的控制软件。[引文列表][非专利文献]NPL1：L.K.Onoetal.,Pinhole-freeholetransportlayerssignificantlyimprovethestabilityofMAPbI3-basedperovskitesolarcellsunderoperatingconditions,J.Mater.Chem.A3,15451-15456andSupportingInformation(2015)。NPL2：L.K.Onoetal.,Temperature-dependenthysteresiseffectsinperovskite-basedsolarcells,J.Mater.Chem.A3,9074-9080(2015)。
技术实现思路
公开了一种用于评估多个钙钛矿光电子器件的性能的系统和方法。所述系统包括：腔室，该腔室容纳器件保持器，该器件保持器被配置成保持多个器件，所述腔室具有限定了由窗户密封的开口的腔室壁；光源，该光源被配置成，射通过所述窗户进入所述腔室的光，以照射所述器件保持器中的所述多个器件，其中，所述多个器件是多个钙钛矿太阳能电池；开关板，该开关板连接至所述器件保持器，该开关板使得能够从所述多个器件当中选择器件来进行测量；DC电压源，该DC电压源连接接至所述开关板，以向所述器件施加电压；源/测量单元SMU，该SMU连接至所述开关板，以测量所述器件的电流；以及计算机，该计算机利用包括计算机可执行指令的软件程序实现，以至少控制所述SMU、所述DC电压源、所述开关板以及所述光源。用于通过使用本系统进行性能评估的由计算机实现的方法包括以下步骤：由开关板在多个器件当中选择器件以进行测量；由DC电压源向所述器件施加电压，所述电压采用时间的阶梯函数的形式，其中，针对正向扫描给出电压的逐步增加，而针对反向扫描给出电压的逐步降低；由SMU测量所述器件的电流，其中，在针对所述正向扫描的每次电压逐步增加之后和针对所述反向扫描的每次电压逐步降低之后，测量在获取时间期间的电流值；并且基于所测量的电流值获得根据第一过程的第一电流-电压(I-V)数据和根据第二过程的第二I-V数据中的至少一个，以分析所述器件的滞后行为。所述第一过程包括在针对每个电压值的所述获取时间上对所测量的电流值取平均。所述第二过程包括针对每个电压值进行瞬态信号建模，以获得稳态电流值。所述测量可以以预定间隔重复，以基于重复获得的针对所述正向扫描和所述反向扫描的所述第一I-V数据和重复获得的针对所述正向扫描和所述反向扫描的所述第二I-V数据中的至少一个，来获得性能参数的时间演变。附图说明图1是例示用于对钙钛矿光电子器件进行性能评估的本系统的框图。图2是例示与计算机一起安装的软件程序的架构的框图。图3A和3B例示了腔室(部分A)的、描绘机械结构的细节的俯视图和侧视图。图4A和4B例示了腔室的、描绘气体连接的细节的俯视图和侧视图。图5是例示针对腔室中的器件保持器(部分A)中的器件、开关板(部分C)中的开关、具有GPIB卡的SMU(部分D和部分E)以及DC电压源(部分G)的连接的框图。图6是示出用于获取用于子程序部分I的用户输入以控制开关板的用户界面的示例的照片。图7示出了I-V数据的示例的曲线图，以帮助例示子程序部分K，其被配置成基于用于评价太阳能电池性能的第一过程来执行第一I-V测量。图8示出了根据用于基于第一过程来执行第一I-V测量的子程序部分K和部分J的示例处理。图9示出了所施加电压-时间以及对应光电流-时间的示例的曲线图，以帮助例示子程序部分L，其被配置成基于用于评价太阳能电池性能的第二过程来执行第二I-V测量。图10示出了示意性I-V曲线连同瞬态信号模型方程(1)和(2)，其分别表示针对FW扫描的指数增长和针对RS扫描的指数衰减。图11示出了光电流-所施加电压的示例的曲线图，以帮助例示子程序部分L，其基于第二过程执行第二测量。图12示出了用于基于包括瞬态信号建模的第二过程执行第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于评估多个器件的性能的系统，该系统包括：腔室，该腔室容纳器件保持器，该器件保持器被配置成保持所述多个器件，所述腔室具有限定了由窗户密封的开口的腔室壁；光源，该光源被配置成发射通过所述窗户进入所述腔室的光，以照射所述器件保持器中的所述多个器件，其中，所述多个器件是多个钙钛矿太阳能电池；开关板，该开关板连接至所述器件保持器，使得能够从所述多个器件当中选择器件来进行测量；DC电压源，该DC电压源连接至所述开关板，以向所述器件施加电压；源/测量单元SMU，该SMU连接至所述开关板，以测量所述器件的电流；以及计算机，该计算机具有包含计算机可执行指令的软件程序，以至少控制所述SMU、所述DC电压源、所述开关板以及所述光源，来获得基于第一过程的第一电流‑电压I‑V数据和基于第二过程的第二I‑V数据中的至少一个，以分析所述器件的滞后行为。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.05 US 62/345,8091.一种用于评估多个器件的性能的系统，该系统包括：腔室，该腔室容纳器件保持器，该器件保持器被配置成保持所述多个器件，所述腔室具有限定了由窗户密封的开口的腔室壁；光源，该光源被配置成发射通过所述窗户进入所述腔室的光，以照射所述器件保持器中的所述多个器件，其中，所述多个器件是多个钙钛矿太阳能电池；开关板，该开关板连接至所述器件保持器，使得能够从所述多个器件当中选择器件来进行测量；DC电压源，该DC电压源连接至所述开关板，以向所述器件施加电压；源/测量单元SMU，该SMU连接至所述开关板，以测量所述器件的电流；以及计算机，该计算机具有包含计算机可执行指令的软件程序，以至少控制所述SMU、所述DC电压源、所述开关板以及所述光源，来获得基于第一过程的第一电流-电压I-V数据和基于第二过程的第二I-V数据中的至少一个，以分析所述器件的滞后行为。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC电压源被控制为以时间的阶梯函数的形式施加所述电压，其中，针对正向扫描给出电压的逐步增加，而针对反向扫描给出电压的逐步降低；并且所述SMU被控制成在针对所述正向扫描的每次电压逐步增加之后和针对所述反向扫描的每次电压逐步降低之后的获取时间中测量电流值。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一过程包括在针对每个电压值的所述获取时间上对所述电流值取平均，以获得针对所述正向扫描和所述反向扫描的所述第一I-V数据。4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二过程包括获得针对每个电压值的稳态电流值，以获得针对所述正向扫描和所述反向扫描的所述第二I-V数据。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述稳态电流值基于瞬态信号模型来获得，其中，在针对所述正向扫描的每个电压值的所述获取时间中测量的所述电流值被拟合至指数增长方程，而在针对所述反向扫描的每个电压值的所述获取时间中测量的所述电流值被拟合至指数衰减方程，以通过在所述指数增长方程和所述指数衰减方程中取时间无穷大来分别获得所述正向扫描和所述反向扫描的所述稳态电流值。6.根据权利要求2所述的系统，其中，利用所述计算机获取用于确定所述阶梯函数的形式的电压控制参数，所述电压控制参数包括针对所述第一过程比针对所述第二过程更短的获取时间。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述开关板被控制成遍及所述多个器件顺序地选择器件以进行测量。8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述DC电压源被控制成向其它器件施加偏置电压以使处在工作条件之下。9.根据权利要求2所述的系统，其中，至少所述SMU和所述DC电压源被控制成以预定间隔重复测量所述器件的电流，并且所述软件程序被配置成，基于重复获得的针对所述正向扫描和所述反向扫描的所述第一I-V数据和重复获得的针对所述正向扫描和所述反向扫描的所述第二I-V数据中的至少一个，来提取作为时间的函数的性能参数，所述性能参数包括以下中的至少一个：功率转换效率(PCE)、短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)、最大功率点(MPP)、MPP处的电流(I@MPP)、MPP处的电压(V@MPP)以及最佳外部电阻。10.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括：与所述腔室壁连接的进气口，该进气口用于使一种或更多种气体进入所述腔室；以及与所述腔室壁连接的出气口，该出气口用于使所述腔室抽真空并排空所述腔室。11.根据权利要求1所述的系统，所述系统还包括：一个或更多个传感器，所述一个或更多个传感器被容纳在所述腔室中...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚亚冰，大野路易斯胜也，M·莱梅卡，S·鲁伊斯·拉格，
申请(专利权)人：学校法人冲绳科学技术大学院大学学园，
类型：发明
国别省市：日本,JP