鈣鈦礦太陽能電池作為新一代光伏技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程面臨大面積制備質(zhì)量控制的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。本研究提出了一種創(chuàng)新的非破壞性表征技術(shù)——k參數(shù)成像法（k-imaging），通過美能鈣鈦礦在線PL測(cè)試機(jī)對(duì)光強(qiáng)依賴性光致發(fā)光（PL）的冪律關(guān)系分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的快速、精準(zhǔn)評(píng)估。

光強(qiáng)依賴性光致發(fā)光PL成像技術(shù)

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(a) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(b-c) PL強(qiáng)度圖像與冪律擬合(d) k參數(shù)空間分布圖

k參數(shù)的物理內(nèi)涵研究發(fā)現(xiàn)，鈣鈦礦薄膜的PL強(qiáng)度隨激發(fā)光強(qiáng)變化遵循冪律關(guān)系，其中指數(shù)k具有明確物理意義：

• k→1：輻射復(fù)合主導(dǎo)(高質(zhì)量)
• k→2：缺陷輔助的非輻射復(fù)合顯著通過速率方程推導(dǎo)，k值與非輻射復(fù)合效率ηnr存在定量關(guān)系：ηnr≈(k-1)

成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)上圖展示了自主搭建的光學(xué)系統(tǒng)：

• 激發(fā)源：雙467nm LED陣列，實(shí)現(xiàn)<3%不均勻度(135×75mm2)
• 檢測(cè)模塊：715nm長通濾光片+sCMOS(70μm/pixel)
• 多光強(qiáng)激發(fā)：18級(jí)梯度(0.01-0.1suns)，單次測(cè)量5分鐘

系統(tǒng)通過像素級(jí)冪律擬合獲取k分布圖，標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)試顯示k=1.53±0.01，對(duì)應(yīng)非輻射損失~30%。

抗干擾驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

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抗干擾驗(yàn)證(a-b)非均勻激發(fā)對(duì)比(c-d)鏡面反射干擾實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證k成像技術(shù)對(duì)光學(xué)偽影的免疫力，研究者設(shè)計(jì)了兩個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)。在非均勻激發(fā)實(shí)驗(yàn)中，人為制造邊緣區(qū)域23%的光強(qiáng)增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)盡管PL強(qiáng)度出現(xiàn)顯著梯度變化，但k參數(shù)空間分布仍保持均勻。此現(xiàn)象通過速率方程理論得以解釋：k參數(shù)本質(zhì)上反映復(fù)合機(jī)制的比例關(guān)系，與絕對(duì)光強(qiáng)無關(guān)。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)將樣品部分置于鏡面上方。結(jié)果顯示鏡面反射區(qū)PL強(qiáng)度提升44%，而k值差異小于1%。這一結(jié)果具有重要意義：傳統(tǒng)PL成像中，由于襯底反射率差異導(dǎo)致的信號(hào)波動(dòng)常被誤判為薄膜質(zhì)量變化，而k參數(shù)有效規(guī)避了這一誤診風(fēng)險(xiǎn)。這對(duì)工業(yè)化應(yīng)用中常見的多樣化襯底場景尤為重要。

空穴傳輸層HTL界面診斷

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界面工程評(píng)估(a-c) 三種空穴傳輸層k成像(d-e) 積分球驗(yàn)證

通過對(duì)比三種空穴傳輸結(jié)構(gòu)對(duì)鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的影響。發(fā)現(xiàn)k 值與界面缺陷密度直接相關(guān)：引入 2PACz 界面層可降低 k 值（從 1.61 降至 1.54），表明非輻射復(fù)合減少；而旋涂 NiOx 層因表面缺陷導(dǎo)致 k 值回升（1.62），驗(yàn)證了界面工程對(duì)復(fù)合過程的調(diào)控作用。

鈍化工藝優(yōu)化

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鈍化濃度優(yōu)化(a-d) PEAI梯度實(shí)驗(yàn)（c）TRPL佐證

k成像在PEAI體鈍化濃度優(yōu)化中的應(yīng)用。隨著PEAI濃度從0增至10 mg/ml，k值呈單調(diào)遞減趨勢(shì)，但電池Voc在7.5 mg/ml達(dá)到峰值1.17 V后下降。TRPL測(cè)試顯示7.5 mg/ml時(shí)載流子壽命達(dá)312 ns，較未鈍化樣品提升75%。進(jìn)一步阻抗分析表明：過量PEAI雖然繼續(xù)改善體相質(zhì)量（k↓），但會(huì)引入絕緣層效應(yīng)，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加和FF降低。這體現(xiàn)了k成像的特色價(jià)值——可獨(dú)立評(píng)估鈍化效果，避免電池整體性能參數(shù)的互相耦合干擾。本研究開發(fā)的k參數(shù)成像技術(shù)，通過光強(qiáng)依賴性光致發(fā)光(PL)的冪律分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈣鈦礦薄膜質(zhì)量的精確評(píng)估。實(shí)驗(yàn)證明該方法對(duì)光學(xué)偽影具有獨(dú)特魯棒性，能夠有效診斷界面工程效果、優(yōu)化鈍化工藝窗口。特別地，k參數(shù)與Voc變化（靈敏度20mV）的關(guān)聯(lián)性為生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)質(zhì)量決策提供了可靠依據(jù)。

美能鈣鈦礦在線PL測(cè)試機(jī)

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在線PL缺陷檢測(cè)通過非接觸、高精度、實(shí)時(shí)反饋等特性，系統(tǒng)性解決了太陽能電池生產(chǎn)中的速度、良率、成本、工藝優(yōu)化與穩(wěn)定性等核心痛點(diǎn)，并且結(jié)合AI深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋。

• PL高精度成像：采用線掃激光，成像精度＜50um/pix，（成像精度可定制）
• 高速在線PL檢測(cè)缺陷：檢測(cè)速度≤ 2s，漏檢率< 0.1%；誤判率< 0.3%
• AI缺陷識(shí)別分類訓(xùn)練：實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)缺陷識(shí)別與工藝反饋

本研究開發(fā)的k參數(shù)成像技術(shù)已通過美能鈣鈦礦在線PL測(cè)試機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化，結(jié)合工業(yè)級(jí)檢測(cè)速度與大面積覆蓋能力，成為鈣鈦礦太陽能電池量產(chǎn)中的關(guān)鍵質(zhì)量控制工具。

原文參考：Intensity Dependent Photoluminescence Imaging for In-Line Quality Control of Perovskite Thin Film Processing

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