基于B2912A的有机太阳能电池测试方案

随着能源和环境问题的日趋严重，各种清洁能源的开发应用日益得到重视，在这其中太阳能的利用是解决能源短缺和环境污染的最重要的途径之一，而太阳能电池则是太阳能利用的一个非常重要的方面。当前应用和开发的太阳能电池包括晶硅（单晶硅、多晶硅、类单晶硅）太阳能电池、无机半导体薄膜（非晶硅、CdTe、GaAs、CuInSe2等）太阳能电池、有机染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池等。目前市场上商品化的电池主要是基于无机材料的太阳能电池，但均存在成本高、光伏材料制备和纯化过程耗能高、电池制备过程复杂等问题。

有机太阳能电池是一种新型有机薄膜太阳能电池，可视为第三代电池，典型的有机太阳能电池由共轭聚合物或有机小分子给体和富勒烯衍生物受体组成的共混薄膜夹在透明的ITO导电玻璃正极和金属负极之间所组成。其结构见图1、2。有机太阳能电池具备制备过程简单、成本低、重量轻、可制备柔性器件等突出优点。目前实验室报道的小面积器件最高光电转换效率已从1995年的不到1%提高到大于9%。日前国外已经有不少公司积极开展有机太阳能电池的产业化工作，业界报道的电池效率已经超过10%（日本三菱化学与美国加州理工大学合作开发），已经开始产业化道路的Heliatek公司报道的电池效率也高达10.7%。

图1 ：有机太阳能结构示意图。

图2 ：有代表性的给体P3HT和受体PCBM的有机太阳能电池结构示意图和材料的电子能级。

有机太阳能电池的工作原理和基于无机材料的太阳能电池类似，太阳光从透明电极一侧入射到活性层上，活性层光伏材料吸收光子产生激子（电子-空穴对）；激子向给体/受体界面下扩散和迁移；扩散和迁移到界面处的激子在给/受体电子能级差的作用下发生电荷分离；在电池内部势场的作用下，被分离的空穴沿着给体形成的通道传输到正极，而电子则沿着PCBM受体形成的通道传输到负极；空穴和电子分别被正极和负极收集形成光电池和光电压，从而产生光伏效应。

考察有机太阳能电池性能的最主要参数包括：光电转换效率（Photovoltaic Convert Efficiency，PCE）、开路电压（Open Circuit Voltage， Voc），短路电流（Short Circuit Current, Jsc），填充因子（Fill Factor， FF）。其中电池的转换效率计算公式为：

其中Pmax为电池的最大输出功率，Jmax为电池的最大输出电流，Vmax为最大输出电压。Plight为入射光能量。

图3 ：有机太阳能电池等效电路及相关参数。

作为替代能源，考察太阳能电池的最重要数据是其对能量的利用效率，即太阳能电池对入射的太阳光的转换效率。实验室制备的有机太阳能电池绝在部分是金属栅线电极（小面积的电池电极常为六指结构）。因有机太阳能电池与传统的基于无机材料的电池相比，目前的各方面参数都有所不如，故其对测试的精确度要求更高。当然，其他诸如简单、快速的测试也是必需的。精确的测量数据除了可以得到准确的转换效率外，还可以得到Vmax、Jmax、Pmax以及Rsh、Rs等数值，这些相关参数可以准确的考察电池的各方面性能，并为下一步的电池性能改进提供实验上的依据。

实验室对有机太阳能电池性能测试源表选用的是安捷伦B2912A，采用USB接口。其最小至10fA/100nV的最小测量分辨率能够很好的满足有机太阳能电池小电流的测试，尤其是在暗电流的测试方面。

图4为有机太阳能电池在采用B2912A测试的连接图测试电脑与源表以USB线相连，可以很好的满足数据传输的要求，测试电池与源表之间以屏蔽线直接硬连，可隔绝实验室其他仪器对测试信号的干扰。

图5为基于P3HT和PCBM为给、受体的有机太阳能电池以B2912A测试得到的在一个标准太阳下和无光照条件下的I-V曲线图。可以看到，源表可以满足测试数据高精度的需要，同时可以通过设置不同的延迟时间以满足有机太阳能电池测试信号反馈较慢的要求。

图4 ：B2912A在有机太阳能电池测试中的应用。

图5 ：基于P3HT和PCBM的有机太阳能电池以B2912A测试得到的在1000W/m2光照强度下的I-V曲和无光照条件下的I-V曲线。

在有机太阳能电池科研过程中，要对大量的电池片进行IV测试。相比传统的IV测试系统，B2912A精密测量单元集成的IV测试系统具有系统结构简单，操作方便，精度高，可靠性强，测量迅速等优势，大大降低了太阳能电池IV性能测量的操作成本，时间成本，同时增加了IV测量的灵活性。B2912A还可以对有机LED,有机MOSFET器件进行电学IV特性方面的测试，可以说节省了实验室长期的设备投资。

从长期看来，太阳能的利用必然是解决能源和环境问题的一个非常重要的方法。另一方面，随着新技术的不