第二十四章 性能测试

  “接下来，我们检验一下学弟的成果如何吧。”陈婉清道。
  “学姐你放心，肯定没问题的。”许秋自信满满。
  “好呀，那我拭目以待，”陈婉清道：”先教你如何测试。”
  顺着学姐的指引，许秋看向蒸镀机器右边的一套仪器。
  一台电脑、一个带数显面板的盒子、一个集成了八只探针的元件，一个黑色的罩子；
  最显眼的是一个探照灯状的半球体，嵌在手套箱的底部，旁边的铭牌上标注着“Sol3A Class AAA Solar Simulator， 94043A型太阳模拟器”。
  陈婉清没有急着介绍仪器，而是从原理开始：
  “测试过程，简单来说，就是用模拟的太阳光，照射电池器件。
  在此期间，用线性电压扫描，从而得到电流密度随电压变化的曲线，即J-V特性曲线。
  通过J-V特性曲线，可以计算得到器件的短路电流密度Jsc、开路电压Voc和填充因子FF。
  此外，还有输入功率密度，我们模拟的是AM1.5G条件，也就是太阳光入射于地表的平均照度，具体数值为100毫瓦每平方厘米。
  最终，通过公式得出，器件的光电转换效率(PCE）等于Jsc*Voc*FF/输入功率密度。”
  这几个物理量，许秋之前在综述上看到过，所以并不陌生，但模拟光源却是第一次见。
  他疑惑道：“怎么知道这个光源，它模拟的刚好是一个太阳光的强度呢？”
  “最开始使用时，会用标准硅电池标定它的光照强度，”陈婉清解释道：“不过，在长时间使用下，光照强度会衰退，所以每隔一段时间，就需要重新标定，不然测试结果就会偏低。”
  陈婉清继续道：“它有两个开关，一个是总开关，另一个是灯光控制开关。
  把总开关，也就是那个红色的按键从0拨到1，让它先预热起来，一般需要预热十分钟，这段时间我可以给你介绍其他的部件。”
  许秋将总开关打开，仪器内部传来“呼呼”的声音，像是有风扇在运作。
  “学姐，然后是要打开电脑吗？”
  “是的。”
  许秋进入手套箱内，按下电脑的开机键。
  熟悉的XP系统开机画面加载中。
  等了十几秒钟，蓝天白云的电脑桌面出现。
  不过上面干干净净的，除了“我的电脑”外，就只有一个软件，名称是“魔都综合大学物理实验室”。
  “是这个软件吗？”许秋将鼠标移动过去。
  “是的，这个是魏老师从物理系那边要过来的，他们用LabVIEW编写的。”陈婉清道。
  许秋打开软件，发现软件界面没有什么花里胡哨的东西，非常简洁。
  左上方是参数设置区域，左下方是图像显示区域，有横纵两根坐标轴，横轴是电压，单位是伏特，纵轴是电流密度，单位是安培每平方厘米；
  右上方是测试结果显示区域，包括Jsc、Voc、FF、PCE四项，右下方是暗态补偿、启动、停止按钮。
  参数有默认值，基本上已经设置好了。
  起始扫描电压-1伏特，最大电压1伏特，扫描间隔0.01伏特，电池面积0.09平方厘米，暗态补偿0，当前测试条件为暗态。
  熟悉了软件界面后，许秋看向电脑旁边的带数显面板的盒子，问道：
  “学姐，这个是什么？用来测试电流的吗？”
  “很聪明嘛，”陈婉清道：“这个是Keithley 2400源表，它可以提供高度稳定的直流电压，同时实时测试通过的电***度可达1皮安，也就是十的负12次方安培。”
  许秋按下源表的启动键，在“滴”的一声后，仪器启动，两个数显面板亮起，分别显示电流和电压。
  随后，他开始安装基片。
  先取了一片标有“1:1:0，1200r”的氧化锌基片，将基片的背面，也就是玻璃面向下，放置在太阳模拟光源的上方平台。
  平台上有一凹槽，基片刚好可以卡进去，并且正对着模拟光源半球面的上方，
  在开启光源后，光就可以透过玻璃，垂直照射到有效层上，发生光电转换，产生光电流。
  接着，他取来带着八只探针的元件，将其用支架连接，探针朝下，压在基片上方。
  元件外面连接有两组导线，每组导线一黑一红，共四根，以“四线法”的方式与Keithley源表连接着。
  八根探针彼此平行，左右各三根，上下各一根。
  这些探针刚好可以扎在电池器件的边缘。
  其中左右六根探针，刚好扎在器件的六组铝电极的末端，而上下两根则扎在ITO电极上。
  其实六个电池的ITO电极是共用的，只需要一根探针即可，但出于美观、防止探针意外断裂等方面的考虑，还是设计成了两根。
  最后，许秋用黑色的罩子，将太阳模拟光源连同基片、探针元件一起罩起来。
  “好啦，可以准备测试了，”陈婉清道：“测试分为两种，光照和暗态，一般需要先测试一次暗态，然后再持续进行光照下的测试。”
  “因为暗态下，电池器件也会产生少量电流，这部分电流不是因为光照而产生的，所以需要扣除。
  虽然在一般情况下，即使不扣除对结果的影响也不大，但是为了保证结果的严谨性，这个步骤不能省略。”
  “好的。”许秋点击软件的启动按钮。
  “滴。”
  源表开始工作，左侧的电压值以0.01伏特的间隔，从-1伏特开始，不断跳动增加；
  右边电流开始是负值，且只有微安级别，在电压达到0.64伏特后，转为正值，并迅速提高。
  扫描结束，得到结果。
  暗态下，短路电流密度只有-0.0018毫安每平方厘米，光电转换效率为0.0033%。
  许秋点击暗态补偿后，左上角的暗态补偿自动变为-0.0033%。
  看到短路电流密度为负值，他疑惑道：“学姐，这个Jsc为什么是负值呢，文献中都是正值。”
  “这是测试方法导致的，我们给电池提供的是一个反向的偏压，用来抵消它产生的光生电流，因此测得的电流就是负值，代表电流方向与电压方向相反。而在电池器件实际工作的时候，就是正值了。”陈婉清道。
  许秋若有所思的点点头。
  然后，他将软件的测试条件更改为亮态，打开模拟光源的灯光控制开关。
  “啪”的一声响，黑色罩子底部透出一丝丝光线。
  许秋点击启动按钮，电压扫描过后，得到亮态J-V特性曲线。
  软件界面的右边，显示有四项光电参数，短路电流密度为-11.02毫安每平方厘米，开路电压为0.65伏特，填充因子为0.60，光电转换效率为4.30%。
  “学弟，厉害啊！”看到实验结果，陈婉清略显激动道：“第一次做器件就成功啦。”