CN109302854A - 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 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

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
技术领域
本发明涉及用于通过考虑钙钛矿光电子器件(perovskite optoelectronicdevice)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。
背景技术
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-throughput method)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.Ono et al.,Pinhole-free hole transport layers significantlyimprove the stability of MAPbI3-based perovskite solar cells under operatingconditions,J.Mater.Chem.A3,15451-15456and Supporting Information(2015)。
NPL2：L.K.Ono et al.,Temperature-dependent hysteresis effects inperovskite-based solar cells,J.Mater.Chem.A3,9074-9080(2015)。
发明内容
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二I-V测量的子程序部分L和部分J的示例处理。
图13示出了作为时间的函数的测量光电流的示例曲线图。
图14示出了针对(a)中的FW扫描和(b)中的RS扫描的V@MPP、I@MPP、MPP以及最佳外部电阻值的时间演变的示例的曲线图。
图15示出了针对(a)中的FW扫描、(b)中的RS扫描以及(c)中的平均值的PCE、Jsc、Voc以及FF的时间演变的示例的曲线图。
图16示出了针对100个小时的相对湿度和温度值的示例的曲线图。
具体实施方式
用于制造有机金属卤化物钙钛矿膜的源材料包括卤化物金属(诸如，PbCl2、PbBr2、PbI2、SnCl2、SnBr2、SnI2等)和甲基铵(methylammonium)(MA＝CH3NH3 +)化合物(诸如，CH3NH3Cl、CH3NH3Br、CH3NH3I等)。取代MA化合物，或与MA化合物组合，还可以使用甲脒(FA＝HC(NH2)2 +)化合物。有机金属卤化物钙钛矿通常被表示为ABX3，其中，有机元素M、FA或其它合适的有机元素占据每个位置A；金属元素Pb2+或Sn2+占据每个位置B；以及卤族元素Cl-、I-或Br-占据每个位置X。源材料被表示为AX和BX2，其中，AX表示有机卤化物化合物，该有机卤化物化合物具有与用于X-阴离子的卤族元素Cl、I或Br结合的用于A-阳离子的有机元素MA、FA或其它合适的有机元素；BX2表示金属卤化物化合物，该金属卤化物化合物具有与用于X-阴离子的卤族元素Cl、I或Br结合的用于B-阳离子的金属元素Pb或Sn。这里，AX中的实际元素X和BX2中的实际元素X可以相同或不同，只要皆选自卤族即可。例如，AX中的X可以是Cl，而BX2中的X可以是Cl、I或Br。因此，可以形成混合钙钛矿，例如，MAPbI3-xClx。术语“钙钛矿”和“有机金属卤化物钙钛矿”在本文档中可互换地且同义地使用。
有机金属卤化物钙钛矿可以被用于光电子器件(诸如，太阳能电池、LED、激光器等)中的有源层。这里，“有源层”是指在光伏器件中发生光子向电荷载流子(电子和空穴)的转换的吸收层；对于光致发光(即，发光)器件来说，指的是电荷载流子相结合以产生光子的层。
开发包括控制软件程序的自动化综合系统被考虑用于测量和评估基于钙钛矿的器件性能。本系统和软件程序被具体配置成通过使用高通量方法来考虑在基于钙钛矿的光电子器件中突出的滞后效应。下面，参照附图，对用于执行根据本实施方式的由计算机实现的方法的系统和控制软件的细节进行说明。
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。部分A表示用于放置测试器件的腔室。器件保持器104被容纳在该腔室中，用于保持多个器件。器件保持器104可以被配置成具有用于插入多个器件的两个或更多个插槽，并且每个插槽可以被配置成保持一个或更多个器件。插槽数量以及每个插槽可以保持的器件的数量可以被改变。因此，也可以改变待测试器件的数量(N)。该腔室具有连接至外部气源的进气口108，其被控制为以受控方式提供具有湿度、温度、压力以及其它参数的干燥N2、干燥O2以及其它类型的气体。具有可调节阀112的管道被例示为用于控制进入腔室的气流的示例；然而，可以利用如本领域普通技术人员所设想的任何其它控制手段。该腔室还具有通过具有可调节阀120的管道连接至真空泵的出气口116，在这个示例中，用于控制抽真空和排气。可以将湿度传感器、温度传感器或其组合容纳在腔室中，以监视被放置在腔室(部分A)中的器件保持器104中的测试器件周围的环境。这些传感器可以被配置成与计算机进行通信；即，安装在计算机中的软件程序可以被配置成获取由所述一个或更多个传感器测量或监视的数据。腔室的顶部开口可以以用作窗户的盖子(其由诸如石英的不透气材料制成)盖住并密封，以便光进入或离开。应当理解白，图1中省略了湿度和温度传感器以及盖子，以避免模糊所描绘实施方式的方面。
在图1的示例配置中，部分B被放置在部分A之上，并且在器件是太阳能电池时表示诸如太阳能模拟器的光源；或者在器件是发光的LED、激光器或其它光电子器件时表示光电探测器。当太阳能电池被选择为用于测量的器件时，太阳模拟器被配置成通过附接在腔室的顶部处的窗户照射腔室中的器件。当LED、激光器以及其它发光器件被选择成进行测量时，光电探测器被配置成通过配置在腔室的顶部处的窗户测量来自腔室中的器件的所发射光子。如较早提到的，腔室的顶部开口可以由用作窗户的盖子(其由诸如石英的不透气材料制成)盖住并密封，以便光进入或离开。下面，对测试太阳能电池的细节进行描述；类似的配置和过程可以通过改变光的方向，或者把将光子转换成电子-空穴载流子的机制反转成将电子-空穴对转换成光子，来应用于测试发光器件的情况。
部分C表示连接至腔室中的器件保持器的开关板，其用于选择N个器件当中的特定器件。详情如下，开关板与软件程序接口连接，以使能按顺序方式测量多个器件。开关板可以被配置成包括适于可扩缩性的基于可扩展继电器的开关板。
部分D表示连接至开关板的源/测量单元(SMU)。SMU是用于具有特定分辨率(resolution)的电压源和/或电流源的仪器。可以针对扫描电流和电压优化SMU，以确定器件的电流对电压(I-V)特性。SMU已被广泛采用，尤其是在半导体工业中，并且通常用于自动测试系统。部分E表示通用接口总线(GPIB)。部分F表示安装有软件程序的计算机，其可以在市场上能买到的系统设计平台(诸如，LabVIEW(TM)平台)上编写。开关板(部分C)可以由安装在计算机(部分F)中的软件程序控制，以针对每次测量顺序选择一个器件。SMU(部分D)还通过允许SMU与计算机之间的通信的GPIB(部分E)连接至计算机(部分F)。连接至开关板的SMU被控制以一次测量一个器件的电流来获得I-V曲线。当测量中的器件是太阳能电池时，部分B中的诸如太阳能模拟器的光源由计算机中的软件程序控制，如图1中的实线所示。当器件是LED、激光器以及其它发光器件时，部分B中的光电探测器由计算机中的软件程序控制，以捕获所发射的光子，并且由计算机获取数据，如图1中的虚线所示。
部分G表示DC电压源，其连接至开关板(部分C)，以向测量中的器件施加电压，同时向其它器件施加偏置电压以保持在工作条件下。安装在计算机(部分F)中的软件程序包括至少控制开关板、SMU、DC电压源以及光源或光电探测器的指令。该软件程序还可以被配置成获取由容纳在腔室(部分A)中的一个或更多个传感器(包括湿度传感器、温度传感器或其组合)测量/监视的关于腔室的内部环境的信息。
图2是例示与计算机一起实现的软件程序的架构的框图。该软件程序可以存储在计算机的存储器、CD或者与计算机相关联的其它介质中，并且包括计算机可执行指令，该计算机可执行指令在由处理器执行时，执行包括如下所述各种步骤和任务的由计算机实现的方法。该软件程序包括主控制程序和多个子程序。部分H是用于控制子程序并且包括必要算法的主程序。部分I是控制开关板以在器件保持器104中的N个器件当中选择特定器件的子程序。该选择可以遍及所述N个器件顺序地进行。部分J是控制DC电压源以通过SMU向测量中的器件施加电压，同时向其它器件施加偏置电压以将它们保持在工作条件下的子程序。部分K是控制SMU基于第一过程(第一I-V测量)来测量所选择器件的电流以获得第一I-V数据的子程序。部分L是控制SMU基于第二过程(第二I-V测量)来测量所选择器件的电流以获得第二I-V数据的子程序。第一过程和第二过程的细节稍后将在本文档中加以说明。部分M是控制SMU对由受控开关板选择的器件执行稳态光电流测量的子程序。这里的“光电流”是指因光伏效应而产生的、通过器件的电流。下面，术语“电流”、“光电流”以及“光电流密度”在本文档中被同义且可互换地使用，因为对于本领域普通技术人员而言，转换不重要并且显而易见。部分N是至少控制SMU和DC电压源以对由受控开关板选择的器件执行稳定性测量的子程序。当该系统被用于LED、激光器以及其它发光器件的性能评估时，部分O是控制来自光电探测器(部分B)的数据的获取的子程序。部分P是控制腔室内环境数据的获取的子程序，所述环境数据诸如由容纳在腔室中的一个或更多个传感器监视的相对湿度和温度。
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。该腔室具有腔室壁304，该腔室壁304限定腔室壁304的内表面308和顶部处的开口312。在图3A和图3B的示例中，腔室壁304包括底部正方形部分和分别垂直附接至四个边缘的四个矩形部分，所述四个矩形部分限定了开口顶部部分312。腔室壁304具有形成在腔室壁304中的多个孔316，用于插入螺钉或其它紧固装置，以将盖子固定在顶部开口312上。盖子可以由不透气材料(诸如，石英)制成，以提供光进入或离开的窗户。在开口周围形成凹槽320，用于容纳O形环，以加强盖子在开口312上的密封。器件保持器104被容纳在腔室中并由腔室壁304的内表面308包围，以容纳两个或更多器件。在图3A和图3B的示例中，器件保持器104包括多个插槽328，每个插槽328都被配置成保持一个或更多个器件。器件保持器104连接至电线，该电线穿过在腔室壁308中形成的孔332。
图4A和4B例示了腔室的、描绘气体连接细节的俯视图和侧视图。该腔室具有连接至外部气源的进气口108，其被控制以受控方式提供具有湿度、温度、压力以及其它参数的干燥N2、干燥O2以及其它类型的气体。具有可调节阀112的管道被例示为用于控制进入腔室的气流的示例；然而，可以利用如本领域普通技术人员所理解的任何其它控制手段。腔室壁中的用于进气口108的管道的孔在该图中由虚线指示。该腔室还具有通过管道连接至排气系统或真空泵的出气口116，以用于抽真空和排气控制。腔室壁中的用于出气口116的管道的孔在该图中由虚线指示。湿度和温度传感器可以被放置在腔室内部，并经由穿过图中虚线所示的孔404的连接部与计算机连接。
图5是例示针对腔室中的器件保持器104(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。这些部分都连接至计算机(部分F)，该计算机包括用于控制每个功能的软件程序。标记为1R、2R、3R、1L、2L以及3L的六个器件在该示例中被放置在器件保持器104中。相应地，在开关板(部分C)中使用标记为开关1-6的六个开关，以通过利用SMU(部分D)选择一个器件进行I-V测量。在该示例中，每个开关都被例示为单极双掷开关；然而，可以使用任何其它开关配置(例如，多极多掷配置)，只要一次选择一个器件进行测试即可。当该开关针对该器件接通时，DC电压源(部分G)向所选择器件施加电压，并且由SMU(部分D)测量对应电流。在每个电压步骤重复该处理，并通过扫描整个电压范围来获得针对所选择器件的I-V曲线。获取该数据并将其存储在计算机(部分F)的存储器中。
图6是示出用于获取针对子程序部分I的用户输入以控制开关板的用户界面的示例的照片。在该示例中，用户使用控制面板输入参数(例如，器件编号、名称或ID)，以通过鼠标点击手动选择一个特定器件。另外，用于控制开关板的子程序部分I可以被配置成自动地并且按顺序地选择腔室中的N个器件当中的器件以进行连续测量。用户可以经由用户界面输入希望次序，或者可以将预定次序存储在计算机的存储器中并检索以进行测量。
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。第一过程可以是常规方法，该常规方法包括用于对钙钛矿太阳能电池进行性能评估的典型过程。被输入以执行用于执行第一I-V测量的子程序部分K的参数包括：电压控制参数，诸如，最小电压Vmin、最大电压Vmax、电压增量Vstep、获取时间ta(在此期间连续测量电流并对电流取平均)。还可以指定扫描方向，即，从Vmin到Vmax(即，正向扫描FW)或从Vmax到Vmin(即，反向扫描RS)。可以测量光电流密度并将其转换为电流I。还输入用于控制光源的参数，诸如，照明强度(例如，1sun)、光预浸时间以及其它光控制参数。图7中的曲线图示出了Vmin＝-0.1V、Vmax＝0.5V、Vstep＝1mV、ta＝38ms的示例情况，两个箭头指示正向(FW)扫描方面和反向(RS)扫描的方向。应注意到，在每次电压增加/降低Vstep之后的获取时间ta期间连续测量电流，并且对所测量的电流值在ta上取平均以获得电压值V处的电流值I。因此，在第一过程中，获取时间ta可以相对较短(例如，大约1ms-10ms的数量级)。
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。在根据子程序部分K和部分J开始第一I-V测量之前，开关板由子程序部分I控制，以按照利用诸如图6中所示控制面板的用户界面的用户输入，从腔室中的器件保持器中的N个器件当中选择器件，或者自动地或按指定次序选择器件。在步骤804中，获取第一I-V测量所需的参数值。这些参数包括电压控制参数(诸如，Vmin、Vmax、Vstep、ta等)和光控制参数(诸如，照明强度和预浸时间)。这些参数可以由用户使用控制面板输入，或者可以预先确定并预先存储在存储器中并在该步骤804中获得。在步骤808中，光源被控制为通过腔室的窗户发射光，以照射测试中的器件，从而根据光控制参数值来提供能量(即，光子)。在步骤812中，根据具有电压控制参数的子程序部分J，控制电压源以向该器件施加电压。即，电压在每个ta之后以逐步增加/减小的Vstep变化，从而给出时间的阶梯函数形式。对于FW扫描给出逐步增加的Vstep，而对于RS扫描给出逐步减小的Vstep。在步骤816中，SMU被控制为测量针对每个所施加电压的获取时间ta期间的电流，其中，电压值以Vmin开始并且按Vstep增加，直到针对FW扫描达到Vmax为止；或者电压值以Vmax开始并且按Vstep降低，直到针对RS扫描达到Vmin为止。在步骤820中，获得在针对每个所施加电压的获取时间ta内的所测量的电流值的平均值。所得I对V数据可以被存储在存储器中。对于另一扫描方向重复相同的测量，如步骤824。图7中绘制了所得I-V曲线的一个示例，还示出了关键参数值。本领域普通技术人员应当理解，在用于实际编程的工程流程图中，针对每个所施加电压的测量和计算的步骤应当通过递增地改变电压而以do循环(do-loop)方式来表示，并且在图8中表达的处理流程是出于例示根据该实施方式的第一过程的目的。
图9示出了所施加电压-时间的示例以及对应光电流-时间的曲线图，以帮助例示子程序部分L，该子程序部分L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。插图示出了光电流-时间的曲线图的、在图9中以虚线包围的部分的放大图。在插图中清楚地看到光电流的瞬态行为。还应注意到，该瞬态行为表明FW扫描与RS扫描之间的不同的时间依赖性，表现出基于钙钛矿的光电子器件中突出的滞后行为。在本系统和软件程序中，基于第二过程的第二I-V测量涉及分析针对基于钙钛矿的光电子器件的性能评估的滞后行为。将为阶梯函数的形式的电压施加至该器件，如图9所示。针对第二I-V测量输入的参数包括：电压控制参数，诸如，最小电压Vmin、最大电压Vmax、电压增量Vstep、获取时间ta(在此期间连续测量并记录电流)。还可以指定扫描方向，即，从Vmin到Vmax(即，正向扫描FW)或从Vmax到Vmin(即，反向扫描RS)。可以测量光电流密度并将其转换为电流I。还输入用于控制光源的参数，诸如，照明强度(例如，1sun)、光预浸时间以及其它光控制参数。针对FW扫描和RS扫描中的每一个，将电流和电压值记录为时间的函数。所记录数据可以存储在存储器中，并且稍后获得以进行分析。针对Vmin＝-0.1V、Vmax＝1.0V、Vstep＝0.1V以及ta＝10sec的情况，图9中示出了所测量光电流值和所施加电压值的示例集合。
子程序部分L包括瞬态分析程序。在该程序中，使用瞬态信号模型，分别针对FW扫描和RS扫描，将在针对每个电压值的获取时间ta中取得的光电流-时间数据拟合至下面的方程(1)和(2)：
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。I(∞)是针对每种情况的稳态电流，即，t→∞时的电流。可能需要多个指数函数(例如，上述方程中的三个项i＝0、1、2)以在原始数据与模型方程之间具有良好的拟合。时间常数参数τi通常使增长/衰减的速度(快或慢)特征化。
图11示出了光电流-于所施加电压的示例的曲线图，以帮助例示子程序部分L，该子程序部分L基于第二过程执行第二测量，其包括上述瞬态信号建模。图11中的这些示例曲线图通过使用基于MAPbI3的太阳能电池来获得。在图11中，示出了光电流-所施加电压的四个曲线图，其中，光电流通过施加如图9所示阶梯函数的形式的电压来测量，并且分别根据方程(1)和(2)，基于针对FW和RS的瞬态信号模型来分析该光电流的瞬态行为。四个曲线图分别对应于以下四种情况：FW并且t＝td＝5ms、RS并且t＝td＝5ms、FW并且t＝td→∞以及RS并且t＝td→∞，其中，td表示瞬态内的延迟时间。由于钙钛矿太阳能电池中突出的滞后效应，因而功率转换效率(PCE)通常在FW扫描的I-V与RS扫描的I-V之间不同。理想的是，当从FW扫描的I-V和RS扫描的I-V提取的PCE大致重合时，应当确定代表性的PCE值。在图11所示的示例中，对于FW和RS扫描方向，分别提取了稳态PCE值11.7％和11.4％，而在td＝5ms的情况下，对于FW和RS扫描方向，分别提取了两个显著不同的PCE值10.6％和12％。即，在稳态条件下(t＝td→∞)获得FW和RS扫描的I-V曲线之间的更好交叠。因此，可以得出结论，通过使用稳态电流值获得的PCE表示比使用非稳态电流值更真实的器件性能。
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二I-V测量的子程序部分L和部分J的示例处理。在根据子程序部分L和部分J开始第二I-V测量之前，开关板由子程序部分I控制，以按照使用诸如图6中所示的控制面板的用户界面的用户输入，从腔室中的器件保持器中的N个器件当中选择器件，或者自动地或以指定次序选择器件。在步骤1204中，获取I-V测量所需的参数值。这些参数包括电压控制参数(诸如，Vmin、Vmax、Vstep、ta等)和光控制参数(诸如，照明强度和预浸时间)。这些参数可以由用户使用控制面板输入，或者可以预先确定并预先存储在存储器中并在该步骤1204中获得。在步骤1208中，光源被控制为通过腔室的窗户发射光，以照射测试中的器件，从而根据光控制参数来提供能量(即，光子)。在步骤1212中，根据具有电压控制参数的子程序部分J，控制电压源以向该器件施加电压。即，电压在每个ta之后以逐步增加/减小的Vstep变化，从而给出时间的阶梯函数的形式。在步骤1216中，SMU被控制为测量针对每个所施加电压的获取时间ta期间的电流，其中，电压值以Vmin开始并且按Vstep增加，直到针对FW扫描达到Vmax为止；或者电压值以Vmax开始并且按Vstep降低，直到针对RS扫描达到Vmin为止。在步骤1220中，基于针对每个所施加电压的获取时间ta的瞬态信号模型来获得稳态电流值。所得I-V数据可以被存储在存储器中。对于另一扫描方向重复相同的测量，如步骤1224。图11中绘制了所得I-V曲线的示例。本领域普通技术人员应当理解，在用于实际编程的工程流程图中，针对每个所施加电压的测量和计算的步骤应当通过递增地改变电压而以do循环方式来表示，并且在图12中表达的处理流程是出于例示根据本实施方式的第二过程的目的。
在用于执行第二I-V测量的子程序部分L中，利用上面使用的方程(1)和(2)的瞬态信号模型，来基于针对每个所施加电压的ta期间的所测量的电流值来获得稳态电流值I(∞)。通过在每个逐步增加/降低Vstep之后等待电流达到稳定状态的长时间(即，长获取时间ta)，可以获得实际稳态电流值。然而，这个过程会给测量和评估处理增加太多时间，并且将使以高通量实现自动化性能评估的最初目的失败。应注意到，在图7中，其中，根据子程序部分K，基于第一过程执行第一I-V测量，其中，针对每个电压值获得ta内的所测量的电流值的平均值，该获取时间ta可以相对较短(例如，大约1ms-10ms的数量级)。另一方面，当根据子程序部分L，基于使用瞬态信号模型来获得稳态电流值的第二过程执行第二I-V测量时，所测量的电流值的数据取得应持续足够长的时间，以使数据拟合到模型方程(1)和(2)可以进行得相当好。例如，在图9中针对该目的使用获取时间ta＝10s。因此，当用户需要快速执行测量以得到快速评价结果时，可以仅执行子程序部分K，以基于包括取平均过程的第一过程执行第一I-V测量，这通常用于典型的太阳能电池评价。另一方面，当用户需要通过考虑基于钙钛矿的光电子器件中突出的滞后行为来获得评价结果时，应当执行子程序部分L(基于包括瞬态信号建模的第二过程的第二I-V测量)。另选地，两者都可以执行，以便进行详细分析和比较。
为了补充稳态信息，图2中所示的子程序部分M可以被配置成至少控制SMU和DC电压源来执行稳态光电流测量。要为该测量输入的参数包括：照明强度、光浸时间、偏置电压以及测量持续直到电流达到稳定状态为止的时间长度。图13示出了作为时间的函数的测量光电流的示例曲线图。针对该测量，钙钛矿太阳能电池在1sun下被照射，并且在预定时间段(在这种情况下为5s)之后，电路在0.8V的偏置电压下闭合，其对应于电池的最大功率点(MPP)。在该示例中，在50s-80s后测得稳态光电流密度约为16.5mA/cm2。
基于经由子程序部分K(第一I-V测量)或部分L(第二I-V测量)获得的I-V数据，可以提取各种性能参数，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。MPP被定义为I x V在I-V曲线中给出最大值的点；而最佳外部电阻被定义为V@MPP/I@MPP。可以分别针对FW扫描和RV扫描获得这些性能参数，并且还可以获得针对两种扫描的平均值。
第一I-V测量和第二I-V测量中的每一个都可以以预定间隔(例如，1小时)重复执行，以获得每个器件的稳定性分布图。子程序部分N可以被用于执行稳定性测量，其中，以预定间隔重复I-V测量，以获得器件性能的时间演变。子程序部分N可以被配置成根据子程序部分K和部分L至少控制SMU和DC电压源，以分别重复第一I-V测量和第二I-V测量。可以选择第一I-V测量和第二I-V测量中的一个来重复，或者可以选择两者以重复。用于基于I-V数据提取性能参数的子程序可以被包括在部分K中(例如，在每次第一I-V测量之后)、部分L(例如，在每次第二I-V测量之后)中、或者主控制程序部分H中或在稳定性测量子程序部分N中(例如，在以预定间隔收集按不同时间取得的一组I-V数据之后)。
要被输入以运行子程序部分N从而执行稳定性测量的参数包括：重复I-V测量的时间间隔(例如，每小时一次)和用于模拟利用负载的连续工作的偏置电压。在每个间隔内没有取得电流和电压数据的时段期间，将偏置电压施加至该器件，以模拟该器件将在MPP处工作的负载。提取并存储性能参数，并且可以将其绘制为时间的函数。
图14示出了针对(a)中的FW扫描和(b)中的RS扫描，V@MPP、I@MPP、MPP以及最佳外部电阻值的时间演变的示例的曲线图。将六个基于MAPbI3的太阳能电池用作测试器件并以1小时间隔测量达100小时，其中，每次测量都基于包括瞬态信号建模的第二过程。
图15示出了针对(a)中的FW扫描和(b)中的RS扫描，PCE、Jsc、Voc以及FF的时间演变的示例的曲线图。将六个基于MAPbI3的太阳能电池用作测试器件并以1小时间隔测量达100小时，其中，每次测量都基于包括瞬态信号建模的第二过程。
图2中的子程序部分P被用于监视腔室(部分A)中的包括相对湿度和温度的环境，以便分析针对器件性能的环境影响。可以在腔室中安装一个或更多个基于IC的传感器，以监视在稳定性测量期间的环境条件(部分N)。要输入以执行监视的参数包括：监视间隔和时间长度。记录相对湿度和温度数据。图16示出了针对100个小时的相对湿度(RH)和温度(t)值的示例的曲线图。
当该系统被用于LED、激光器以及其它发光器件的性能评估时，子程序部分O可以被用于控制从光电探测器(部分B)获取数据。类似于具有用于测试器件置的太阳能电池的情况，根据子程序部分I，经由开关板从腔室中的器件保持器中的N个器件当中选择器件；根据具有电压控制参数的子程序部分J，向该器件施加电压。在发光器件中，电子-空穴电荷载流子被结合以在有源层(即，本示例中的钙钛矿层)中产生光子，并且所产生的光通过附接至腔室的窗户被发射以到达光电检测器。光电探测器所捕获的数据可以被存储在计算机的存储器中以进行分析。
虽然本文档包含许多细节，但这些不应被解释为对本发明的范围或可以要求保护的范围的限制，而相反应被解释为对本发明的特定实施方式所特有的特征的描述。在本文档中按分离实施方式的背景描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合地实现。相反地，在单一实施方式的背景下描述的各种特征也可以按多个实施方式分离地或者按任何合适的子组合来实现。此外，尽管上面将特征描述为在某些组件中起作用，甚至最终同样要求保护，但来自要求保护的组合的一个或更多个特征在某些情况下可以从该组合运用，并且该要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型例。

Claims (20)

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。
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并且被配置成与所述计算机进行通信，所述一个或更多个传感器用于监视所述腔室中的包括相对湿度和温度的环境。
12.一种使用下述系统来评估多个器件的性能的由计算机实现的方法，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；DC电压源，该DC电压源连接至所述开关板；源/测量单元SMU，该SMU连接至所述开关板；以及计算机，该计算机至少连接至所述SMU、所述DC电压源、所述开关板以及所述光源，所述方法包括以下步骤：
由所述开关板在所述多个器件当中选择器件以进行测量；
由所述DC电压源向所述器件施加电压，所述电压为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；
由所述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，测量获取时间中的电流值；以及
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。
13.根据权利要求12所述的方法，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。
14.根据权利要求12所述的方法，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。
15.根据权利要求14所述的方法，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。
16.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
获取用于确定所述阶梯函数的形式的电压控制参数，该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。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，
所述选择的步骤包括：由所述开关板遍及所述多个器件顺序地选择器件以进行测量；并且
所述施加的步骤还包括：由所述DC电压源向其它器件施加偏置电压以使处在工作条件之下。
18.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
在所述获得的步骤中以预定间隔重复进行所述施加；以及
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。
19.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
至少控制所述SMU和所述DC电压源，通过向所述器件施加偏置电压并且测量所述电流直到其达到稳态为止，来测量稳态电流值。
20.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
由被容纳在所述腔室中的一个或更多个传感器来监视所述腔室中的包括相对湿度和温度的环境。
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