Рамановская спектроскопия «зеленой фотоники»

Когда большинство людей слышат фразу «зеленая фотоника», они сразу же думают о зеленых лазерных указках. Однако зеленая фотоника – это больше, чем просто лазерные лучи с длинами волн от 500 до 550 нм. Угроза нашему энергоснабжению, создаваемая исчерпанием запасов ископаемого топлива, требует обновленных инноваций в разработке технологий, которые могут поддерживать наш нынешний технологически ориентированный образ жизни. Технологии фотоники будут играть все более важную роль в этой области и уже находятся в авангарде многих глобальных инициатив, от фундаментальных исследований фотоэлектрических материалов для улавливания солнечной энергии до разработки инновационного маломощного освещения.

В компании Semrock активно участвует в этой «зеленой» революции, сотрудничая с исследовательскими лабораториями и производителями, чтобы предоставить им лучшие в своем классе оптические фильтры, отвечающие требованиям их исследований и разработок. Ниже представлена одна из ключевых областей, в которой компания Semrock играет ключевую роль: контроль солнечных элементов.

Проверка солнечных батарей с помощью рамановской спектроскопии

Конечная цель технологий сбора света, таких как солнечные батареи, состоит в том, чтобы собрать как можно больше солнечного света и эффективно преобразовать этот свет в полезное электричество. В основе современных фотоэлектрических технологий лежит разработка солнечных элементов с высокой эффективностью преобразования на основе кремния. Для достижения более высокой эффективности преобразования требуются высококристаллические, бездефектные и устойчивые к нагрузкам кремниевые пленки/слои. Однако не менее сложно использовать надежный и количественный аналитический инструмент для мониторинга и понимания того, как кремниевые материалы работают после производства.

Рамановская спектроскопия - один из таких инструментов, который широко используется при производстве солнечных элементов для контроля качества кремния, производимого для фотоэлементов. Понимание кристалличности материала имеет решающее значение для изготовления солнечных элементов из монокристаллического кремния, поскольку присутствие некристаллического кремния приводит к снижению эффективности преобразования. Рамановская спектроскопия – отличный инструмент для определения количественной оценки кристалличности кремния. В кристаллическом кремнии валентные углы, прочность связи и энергия связи очень однородны и упорядочены. В результате высококристаллический кремний имеет очень острые пики, например пик с центром при ~ 520 см^-1. В некристаллическом (т.е. аморфном) кремнии валентные углы, прочность связи и энергия связи изменяются, что приводит к широким диффузным спектральным характеристикам около 480 см^-1. Из измерений комбинационного рассеяния света можно построить количественную картину кристаллической фракции, исходя из отношения интенсивностей рамановских пиков I520 / I480.

Рисунок 1. Понимание кристалличности в кремнии: спектры комбинационного рассеяния, измеренные в областях кремния, выявляют присутствие высококристаллического (оранжевый) и некристаллического (зеленый, голубой, красный) материала

Возможность количественного определения как теплового, так и межфазного напряжения в материалах солнечных элементов имеет решающее значение. Напряжение может значительно повлиять на эффективность преобразования в фотоэлементах. Поэтому очень важно понимать, где находятся напряжения, как они влияют на производительность электролизера и, в конечном итоге, как ими можно управлять для повышения производительности процесса. Рамановская спектроскопия обеспечивает прямое измерение напряжения (или деформации) в солнечных элементах на основе кремния путем мониторинга спектрального положения пика 520 см^-1 на образце, из которого можно создать карту напряжений с субмикрометровым пространственным разрешением. В результате рамановская спектроскопия дает прямое представление об обработке солнечных элементов и предотвращает выход менее эффективных элементов из производства.

Рисунок 2. Отображение напряжения в кремнии: Карта напряжений, созданная путем отслеживания положения пика комбинационного рассеяния с центром на ~ 520 см^-1 из проделанного лазером отверстия в кремниевой пластине

Альтернативными и хорошо изученными материалами для солнечных элементов являются карбид кремния и диселенид галлия, индия, или CIGS (селенид меди-индия-галлия). Учитывая, что CGIS представляет собой сплав, его можно производить с различными смесями каждого отдельного компонента. Высокопроизводительная рамановская спектроскопия с использованием фильтров с резкими краями и малой шириной перехода позволяет обнаруживать низкоэнергетические колебательные моды, которые лежат намного ближе (<190 см^-1) к лазерной линии, чем пик 520 см^-1 от кремния. Наблюдая за пиком комбинационного рассеяния около 172 см^-1, можно количественно определить концентрации индия и галлия и создать карты неоднородности сплава по всей пленке CIGS.

Рисунок 3. Рамановская спектроскопия альтернативных солнечных материалов: Рамановская спектроскопия с использованием высокоэффективных краевых фильтров может использоваться для точного контроля состава сплава индия и галлия в пленках солнечных элементов из диселенида меди, индия и галлия (CIGS).

© Semrock

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Semrock на территории РФ