CN209342609U - 一种利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备，包括光致发光监测装置以及检测分析系统，光致发光监测装置包括激光源、伸缩透镜、单色仪、光电倍增管以及锁相放大器，伸缩透镜和单色仪设置在真空密封舱内，以及被蒸发控制系统控制的蒸发源。激光源发出的激光照射到真空密封舱内部的钙钛矿太阳能电池基片表面，使表面钙钛矿薄膜受激辐射产生激发光，激发光依次通过伸缩透镜、单色仪、光电倍增管以及锁相放大器后被输送至检测分析系统，检测分析系统并将分析后的数据反馈至蒸发控制系统，从而实现对钙钛矿薄膜的实时监测。本实用新型通过监测钙钛矿薄膜的生产过程中的性能参数，控制其反应进程，提高各批次钙钛矿薄膜生产的重复性。

Description

一种利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备

技术领域

本实用新型涉及太阳能电池生产设备的技术领域，特别涉及一种利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备。

背景技术

太阳能电池是一种光电转换器件，利用半导体的光伏效应将太阳能转化为电能。发展至今，太阳能发电已经成为除水力发电和风力发电之外最重要的可再生能源。现用于商业化的半导体有单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒等等，但大多能耗大、成本高。

近年来，一种钙钛矿太阳能电池受到广泛关注，这种钙钛矿太阳能电池以有机金属卤化物为光吸收层，其晶型结构为ABX₃型的立方八面体结构。此种材料制备的薄膜太阳能电池工艺简便、生产成本低、稳定且转化率高。自2009年至今，光电转换效率已从3.8%提升至23%以上，显示出巨大的商业价值。

各种钙钛矿太阳能电池薄膜成型工艺可分为两大类：溶液法和气相法。溶液法操作简便，但薄膜均一性、重复性差，影响电池的效率。气相法有双源共蒸发法、气相辅助溶液法、化学气相沉积（CVD）等方法，其中气相溶液辅助法可制备晶粒均一、晶粒尺寸大、表面粗糙度小的钙钛矿薄膜，但各批次的重复性有待提高。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备，通过监测钙钛矿薄膜的生产过程中的各类性能参数，控制其反应进程，提高各批次钙钛矿薄膜生产的重复性。

本实用新型是这样实现的，提供一种利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备，包括光致发光监测装置以及检测分析系统，所述光致发光监测装置的光线监测数据传输至检测分析系统，所述光致发光监测装置包括激光源、伸缩透镜、单色仪、光电倍增管以及锁相放大器，所述伸缩透镜和单色仪设置在真空密封舱内，在所述真空密封舱内设置有加热钙钛矿太阳能电池基片的加热台，以及被蒸发控制系统控制的蒸发源，所述激光源设置在真空密封舱的外部，所述激光源发出的激光通过激光通道后照射到真空密封舱内部的钙钛矿太阳能电池基片表面，使沉积在所述钙钛矿太阳能电池基片表面的钙钛矿薄膜受激辐射产生激发光激发光通过伸缩透镜收集进入单色仪后被分解成单色光，该单色光通过光电倍增管转换成电信号后进入锁相放大器，经过锁相放大器放大的电信号输送至检测分析系统，所述检测分析系统的分析数据反馈至蒸发控制系统。

进一步地，所述激光通道包括滤光片、反射镜和通道透镜，所述激光光线通过滤光片进入激光通道后再经反射镜变化光路以及通道透镜转换汇集后照射到钙钛矿太阳能电池基片表面上。

进一步地，所述伸缩透镜通过连接杆的伸缩控制其自动伸缩。

进一步地，所述光致发光监测装置的测试次数与时间间隔由检测分析系统设置。

与现有技术相比，本实用新型通过将光致发光检测系统整合到钙钛矿太阳能电池蒸镀设备中，利用光致发光技术实时监测钙钛矿薄膜的成膜过程，并将钙钛矿薄膜受激光照射后产生的荧光信号收集转化成电信号传输至检测分析系统，通过检测分析系统自动调节蒸镀参数，从而达到控制蒸镀反应进程，提高各批次钙钛矿薄膜生产的重复性目的。本实用新型可与各类气相蒸发设备结合制备钙钛矿太阳能电池薄膜，在不同时刻或阶段性监测钙钛矿薄膜生产过程的各类性能参数，从而控制薄膜的化学反应进程，使金属卤化物与卤化物蒸汽反应完全。

附图说明

图1为本实用新型利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备一较佳实施例的立体示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以溶液辅助气相法制备钙钛矿薄膜为例，其制备过程分以下几步：第一步，首先利用旋涂、刮涂、真空沉积等方法在玻璃基底上沉积一种或多种金属卤化物BX₂薄膜。

第二步，将第一步制成的钙钛矿太阳能电池基片放入金属密封舱进行蒸镀加工，密封舱内下方放置一个或多个蒸发源蒸发反应物AX，蒸发反应物AX与钙钛矿太阳能电池基片上的金属卤化物BX₂进行化学反应生成ABX₃型薄膜。

第三步，蒸镀完成后取出钙钛矿太阳能电池基片进行后续加工。

在第一步中，B为二价金属阳离子，可为铅、锡、钨、铜、锌、镓、锗、砷、硒、铑、钯、银、镉、铟、锑、锇、铱、铂、金、汞、铊、铋、钋中任意一种阳离子，X为碘、溴、氯、砹中任意一种阴离子。BX₂薄膜厚度在80nm~300nm。

在第二步中，A为铯、铷、胺基、脒基或者碱族中任意的一种阳离子，X为碘、溴、氯、砹中任意一种阴离子。制备的钙钛矿ABX₃型薄膜厚度为100nm~500nm。

请参照图1所示，本实用新型利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备的较佳实施例，适用于制备前述的钙钛矿太阳能电池及其他光电器件。本实用新型利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备的较佳实施例，包括光致发光监测装置以及检测分析系统1，所述光致发光监测装置的光线监测数据传输至检测分析系统1。所述光致发光监测装置包括激光源2、伸缩透镜3、单色仪4、光电倍增管5以及锁相放大器6。

所述激光源2包括但不限于氦氖激光器、氩离子激光器、氮分子激光器、红宝石激光器、半导体激光器等激光发射源。

所述伸缩透镜3的作用是将钙钛矿薄膜材料受激光照射后发出的荧光等激发光收集起来，会聚到单色仪上。由于在蒸镀过程中固定的透镜会遮挡AX蒸发物沉积到钙钛矿太阳能电池基片表面，因此本实用新型中将此透镜设计为连接杆可伸缩的形式，只有在收集发射光时才会伸长，不收集光时处于蒸镀舱内壁边。

所述单色仪4的作用是将钙钛矿薄膜受激光照射后发出的激发光的宽谱带分解为单色谱，以便得到钙钛矿薄膜的特定荧光光谱。

所述光电倍增管5的作用是将单色仪接受的微弱光信号转换成电信号，然后传输到锁相放大器中。

所述锁相放大器6的作用是将光电倍增管传输过来的电信号进行放大，才能被检测分析系统记录并分析。

所述伸缩透镜3及单色仪4设置在真空密封舱7内，在所述真空密封舱7内设置有加热钙钛矿太阳能电池基片8的加热台9。在所述加热台9的下部放置钙钛矿太阳能电池基片8，以及被蒸发控制系统控制的蒸发源10。在本实施例中，在所述真空密封舱7设置了多个蒸发源10。

所述激光源2设置在真空密封舱7的外部。所述激光源2发出的激光通过激光通道11后照射到真空密封舱7内部的钙钛矿太阳能电池基片8表面，使沉积在钙钛矿太阳能电池基片8表面的钙钛矿薄膜受激辐射产生激发光，激发光通过伸缩透镜3收集进入单色仪4后被分解成单色光。该单色光通过光电倍增管5转换成电信号后进入锁相放大器6再放大。经过锁相放大器6放大的电信号数据输送至检测分析系统1。所述检测分析系统1的分析数据反馈至蒸发控制系统（图中未示出），从而通过所述蒸发控制系统调节蒸镀参数，控制反应进程。

所述激光通道11包括反射镜12、通道透镜13和滤光片14。所述激光光线通过滤光片14进入激光通道11后再通过反射镜12变化光路以及通道透镜13转换汇集后照射到钙钛矿太阳能电池基片8表面上。

所述通道透镜13的作用是将激光源发出的激光进行汇集后，以特定波长的单束光的形式照射到钙钛矿太阳能电池基片表面。

所述伸缩透镜3通过连接杆的伸缩控制其自动伸缩。

本实用新型的实时监测设备可在各种制造钙钛矿电池的蒸发系统中共同或单独使用，也可与其他测试方法结合使用。所述光致发光监测装置的测试次数与时间间隔由检测分析系统1设置。

钙钛矿太阳能电池基片表面会预先制备一层金属卤化物BX₂，然后送进蒸镀舱中，通过对反应物AX进行加热蒸发，使其与BX₂进行反应生成钙钛矿ABX₃。在这一过程中，钙钛矿薄膜是逐渐形成的，其材料成分和晶型结构也在时时变化，而每一反应时刻所对应的材料具有各自本征的光谱响应属性，于是可通过光致发光的技术手段，通过特定时刻对钙钛矿太阳能电池基片表面进行照射，使其产生激发光，再经过收集、转换、处理和分析，将信息反馈至蒸镀控制系统，从而达到监测反应进程、调控蒸镀参数的目的。

由于光致发光光谱与半导体材料的电子结构、缺陷状态、杂质等密切相关，因而可以直观的了解钙钛矿薄膜晶体的性质。在制造钙钛矿太阳能电池的蒸镀反应过程中，本实用新型可利用反应不同阶段的钙钛矿薄膜的光致发光光谱了解不同反应阶段钙钛矿薄膜光电性质的变化，分析判断最优蒸镀条件；也可通过已知的光致发光光谱对比实时的测试结果，控制钙钛矿薄膜反应进程或蒸镀参数，也可判断各批次钙钛矿薄膜的性质差异。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备，其特征在于，包括光致发光监测装置以及检测分析系统，所述光致发光监测装置的光线监测数据传输至检测分析系统，所述光致发光监测装置包括激光源、伸缩透镜、单色仪、光电倍增管以及锁相放大器，所述伸缩透镜和单色仪设置在真空密封舱内，在所述真空密封舱内设置有加热钙钛矿太阳能电池基片的加热台，以及被蒸发控制系统控制的蒸发源，所述激光源设置在真空密封舱的外部，所述激光源发出的激光通过激光通道后照射到真空密封舱内部的钙钛矿太阳能电池基片表面，使沉积在所述钙钛矿太阳能电池基片表面的钙钛矿薄膜受激辐射后产生激发光，激发光通过伸缩透镜收集进入单色仪后被分解成单色光，该单色光通过光电倍增管转换成电信号后进入锁相放大器，经过锁相放大器放大的电信号输送至检测分析系统，所述检测分析系统的分析数据反馈至蒸发控制系统。

2.如权利要求1所述的利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备，其特征在于，所述激光通道包括滤光片、反射镜和通道透镜，所述激光光线通过滤光片进入激光通道后再经反射镜变化光路以及通道透镜转换汇集后照射到钙钛矿太阳能电池基片表面上。

3.如权利要求1所述的利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备，其特征在于，所述伸缩透镜通过连接杆的伸缩控制其自动伸缩。

4.如权利要求1所述的利用光致发光对钙钛矿薄膜检测的设备，其特征在于，所述光致发光监测装置的测试次数与时间间隔由检测分析系统设置。