Photoluminescence Spectroscopy는 광전지 특성을 밝힙니다.

소개

태양광 발전 기술은 태양의 힘을 활용하여 전기를 생산하여 지속 가능한 개발에 중요한 깨끗하고 재생 가능한 에너지원을 제공합니다. 재료 특성화는 재료 및 재료의 특성을 자세히 분석할 수 있으므로 태양광 장치의 성능을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. Photoluminescence spectroscopy는 반도체의 품질과 에너지 변환 효율성을 조사하는 데 사용되는 강력한 분석 도구로, 광전지 성능을 향상시킬 수 있는 통찰력을 제공합니다.

그림 1: 광전지(태양 전지)의 층 다이어그램.

Photoluminescence 분광법.

Photoluminescence는 물질이 빛 에너지를 흡수 (여기) 한 다음 다른 파장의 빛 (방출)을 방출하는 현상입니다. 이 과정에는 재료의 전자 구조와 빛의 상호 작용이 포함됩니다.

기본 원칙

1. 여기(흥분): 물질이 적절한 파장의 빛에 노출되면 물질 내의 전자가 에너지를 흡수하고 더 높은 에너지 상태로 전환될 수 있습니다.
2. 이완:  여기된 전자는 결국 더 낮은 에너지 상태로 돌아가 흡수된 에너지를 빛의 형태로 방출합니다.
3. 방출: 방출되는 빛의 파장은 여기 상태와 바닥 상태 사이의 에너지 차이에 따라 달라집니다. 이 방출을 광발광 (photoluminescence)이라고 합니다.

그림 2: 광발광의 원리.

Photoluminescence의 종류

1. 형광(형광): 방출은 여기 후 즉시, 일반적으로 나노초 이내에 발생합니다.
2. 인광: 방출은 더 오랜 기간에 걸쳐 발생하며 종종 몇 초 또는 몇 분 동안 지속됩니다.

Photoluminescence에 영향을 미치는 요인

1. 재료 특성: 재료 내의 전자 구조, 불순물 및 결함은 광발광 특성에 영향을 미칩니다.
2. 흥분 파장: 흥분 광의 파장은 흥분의 효율성과 그에 따른 방출 스펙트럼에 영향을 미칩니다.
3. 온도: 온도는 광발광의 강도와 스펙트럼 분포에 영향을 줄 수 있습니다.
4. 외부 필드: 전기장 또는 자기장은 특정 재료의 광발광 특성에 영향을 줄 수 있습니다.

Photoluminescence Spectroscopy의 응용

1. 반도체 연구: 반도체의 밴드갭, 불순물 수준 및 캐리어 역학을 분석합니다.
2. 생화학: 생물학적 분자 및 과정의 특성을 연구합니다.
3. 재료 과학: 고분자, 세라믹 및 나노 물질과 같은 재료의 특성화.
4. 환경 과학: 오염 물질 및 오염 물질 검출.

광전지 특성을 측정하기 위한 Photoluminescence Spectroscopy의 응용.

Photoluminescence spectroscopy는 광전지 물질의 기본 특성을 분석하기 위한 강력한 도구입니다. 여기될 때 재료가 방출하는 빛을 연구함으로써 연구자들은 밴드갭, 불순물, 재결합 메커니즘, 캐리어 역학 및 전반적인 재료 품질에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

1. 밴드갭 측정: 방출된 빛의 에너지를 측정하면 태양 에너지 변환을 이해하는 데 중요한 밴드갭이 드러납니다.
2. 불순물 및 결함 분석: 스펙트럼 특징을 분석하여 장치 효율성에 영향을 미치는 불순물 및 결함을 식별합니다.
3. 재결합 메커니즘: 스펙트럼 모양과 강도를 연구하면 방사 및 비방사 재조합을 이해하는 데 도움이 됩니다.
4. 캐리어 동역학(캐리어 다이나믹스): 광발광 감쇠를 측정하고 시간 분해 기법을 사용하면 캐리어 수명, 확산 길이 및 이동성을 확인할 수 있습니다.
5. 재료 품질 평가: 결정화도, 결함 밀도 및 균질성을 평가하여 재료 관련 문제를 식별하고 해결합니다.

결과

그림 3: 페로브스킷 태양 전지의 발광 스펙트럼 및 FTO-TiO2 테스트 구조.

한 연구에서 연구진은 발광 분광법, 페로브스카이트 태양전지의 전기발광 스펙트럼, FTO-TiO2 층이 있는 태양전지 표본의 발광 스펙트럼을 비교했습니다. 페로브스카이트 태양전지의 광발광(PL)과 전기발광(EL) 스펙트럼을 비교합니다. 두 스펙트럼 모두 783nm에서 유사한 피크 강도를 나타냅니다. 그러나 단파장(750nm 미만)과 장파장(810nm 초과) 파장 범위에서 상당한 차이가 관찰됩니다. 이러한 변화는 테스트 샘플에 FTO 및 TiO2 층이 존재하기 때문이며, 이는 순방향 바이어스 전압이 아닌 조명 하에서만 발광을 방출합니다. 페로브스카이트의 발광을 분리하기 위해 광학 필터 세트를 사용하여 감지된 신호를 750-850nm 범위로 제한했습니다.

 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide) 및 TiO2(Titanium Dioxide) 층은 페로브스카이트 태양전지의 구조와 기능에 중요한 역할을 합니다.

1. FTO 층: 투명 전도성 전극 역할을 합니다. 전기를 전도하는 동안 빛이 통과할 수 있도록 하여 생성된 전하 캐리어를 수집할 수 있습니다.
2. TiO2 층: 차단층 및 전자 수송층 역할을합니다. 전자의 분리 및 수송을 도와 재결합을 방지하고 태양 전지의 효율성을 향상시킵니다.

측정 시스템

Ocean QEPro는 고감도 분광기로, 태양광 연구의 여기 광발광과 같은 응용 분야에서 탁월한 성능을 제공하도록 설계되었습니다. 견고한 광학 설계는 185-1100nm의 넓은 파장 범위에서 뛰어난 스펙트럼 성능을 보장하며 10μm 슬릿을 사용할 때 1.20-1.60nm 사이의 광학 해상도를 보장합니다. QEPro의 85000:1의 높은 다이내믹 레인지와 1000:1의 신호 대 잡음비는 매우 민감하여 가장 미묘한 광발광 신호도 감지하는 데 적합합니다. 또한 스펙트럼 버퍼링 기능은 고속 데이터 수집 중에 데이터 무결성을 보장하여 고급 광전지 분석을 위한 신뢰할 수 있는 도구입니다.

그림 4: QEPro 분광기.

Ocean LDC-1C LED 광원은 태양광 재료의 광발광을 정밀하게 여기하도록 설계된 최첨단 기기입니다. 이 제품은 차세대 LED 광원 모듈(LSM)에 맞게 조정된 소형 단일 채널 드라이버 및 컨트롤러를 갖추고 있어 최적의 성능을 보장하고 과도한 전류에 대한 보호를 보장합니다. 사용자 친화적인 메뉴 기반 인터페이스를 갖춘 LDC-1C는 LSM과의 원활한 작동 및 통합을 용이하게 하여 태양광 기술 분야의 연구원 및 전문가에게 필수적인 도구입니다.

그림 5: LDC-C1 LED 제어기 및 LSM LED 모듈.

결론

Photoluminescence spectroscopy는 광전지 물질을 분석하기 비파괴 강력한 도구입니다. 밴드갭 측정, 불순물 및 결함 분석, 재조합 메커니즘 및 캐리어 역학에 대한 통찰력을 제공함으로써 태양광 장치의 성능을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. Ocean QEPro 분광기 및 Ocean LDC-1C LED 광원과 같은 고급 기기를 사용하면 이러한 측정의 정밀도와 신뢰성이 향상되어 보다 효율적이고 지속 가능한 태양 에너지 솔루션을 위한 길을 열 수 있습니다.