霍尔效应系统登上Nature！新型钙钛矿太阳能电池， 获得32%独立认证效率
时间：2024-09-23 阅读：300
全新电磁体霍尔效应测量系统
搭载M91快速霍尔测量模块
测试速度提升100倍
更快、更精准测量极低迁移率材料
适用于各类磁体系统
助力钙钛矿关键数据测量
登顶Nature
搭载M91快速测量模块的MCS-EMP霍尔效应系统
单片钙钛矿/硅叠层串联太阳能电池因其能以低廉的成本实现高功率转换效率(PCE)而具有高的研究价值。目前，先进的叠层串联太阳能电池中，钙钛矿顶部电池通过自组装单层(SAM)与硅异质结底部电池电耦合，固定在透明导电氧化物(TCO)上，从而实现子电池之间的高效电荷转移。然而，这类可再生的高性能串联太阳能电池，尤其是对于带纹理的硅基底太阳能电池，需要自组装单层膜能量在表面均匀覆盖，这仍非常具有挑战性。
针对上述问题，阿卜杜拉国王科技大学的Stefaan De Wolf教授团队采用超薄(5 nm)无定形氧化铟锌(IZO)作为互连TCO。IZO因结构无晶粒而具有高表面电位均匀性，以及与常用晶体TCOs相比更高密度的SAM锚点，有效解决现存难题。通过同样薄的IZO后电极和改进的前触点堆叠，结合光学增强，获得了32.5%的独立认证PCE，是钙钛矿/硅串联中最高的。不仅如此，上述超薄透明接触方法减少了约80%的铟消耗，对于可持续光伏制造具有重要意义。该成果以《Enhanced optoelectronic coupling for perovskite-silicon tandem solar cells》为题发表在Nature上[1]。
图1 三种不同TCO钙钛矿/硅串联太阳能电池电流密度对比图
本文中，作者通过美国低温设备制造商Lake Shore Cryotronics, Ltd.的霍尔效应测量系统对钙钛矿/硅串联太阳能电池的电学性能进行了表征，设备的便捷操作、更快更精准的创新技术，为本研究提供了关键数据支撑。
全新MCS-EMP霍尔效应测量系统搭载自主研发的M91快速霍尔测量模块，与传统的霍尔效应系统相比，测试速度可提升100倍，从根本上改变了霍尔效应的测量方式，且在测量过程中无需翻转磁场，尤其对使用强磁场超导磁体或测量极低迁移率材料时，可以实现更快、更精确的测量。
一、M91快速霍尔测量模块
随着研究的深入发展，诸多材料如光伏材料(太阳能电池材料)、热电材料、有机材料都表现出较低的迁移率，而低迁移率(10-3 cm2/v s)材料的测量难度也是极大的。传统的霍尔效应测量系统采用DC/AC模式进行测量，DC模式无法测量低迁移率的材料，AC模式虽然可以测量低迁移率材料，但由于测试过程中需要交流磁场积分运算，耗时甚多，会导致样品产生热量影响测量结果。
全新一代M91快速霍尔测量模块采用了Lakeshore(号：9797965和10073151)的快速霍尔测量技术，有效解决了传统霍尔测量耗时长和低迁移率测试准确性低的问题。该技术的主要特点是从根本上改变了霍尔效应的测量方式，无需进行磁场极性的切换，从而实现更快速、更精准的霍尔效应测量。这项技术的加持下，M91快速霍尔测量模块可以适配于各种类型的磁体(永磁体、电磁体、超导磁体)和系统使用，并且都有成熟的解决方案。
M91快速测量模块
M91测试模块与传统霍尔测试对比表
二、MCS-EMP电磁体平台
Lakeshore全新一代的霍尔效应系统采用其自主研发生产的MCS-EMP电磁体平台提供背景磁场。MCS-EMP多用途电磁铁平台提供了自动化可变磁场实验所需的所有基本组件，包括两种尺寸可选的电磁体(4英寸/7英寸)，两种尺寸可选的磁极帽(2英寸/4英寸)和磁体底座、以及电磁体系统控制柜。根据需要，还可以选配光学接口。
电磁体系统控制柜中的各个组件也均由Lakeshore自主研发生产，包括643/648型高可靠性线性磁体电源、F71型多轴高斯计和单轴磁场监测探头，以及功能强大的专用MeasureLINK-MCS操作软件和仪器控制台。
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| MCS-EMP电磁体平台 | 电磁体系统控制柜（ESC） |
三、样品组件
样品组件由样品腔和样品卡组成。样品腔内部设有高性能样品插件，用于与样品卡物理安装和电气连接。根据系统配置的不同，插件包括 8 个三轴连接器，用于为样品提供保护信号，以进行电阻测量（最高可达 200 GΩ）。其圆形连接器包含温度监控导线、插入件标识和安全联锁，确保了测试的准确性和稳定性。
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| 样品组件顶部与三轴线缆连接 | 样品组件底部与样品卡连接 |
根据不同类型和尺寸的样品，MCS-EMP霍尔效应系统同样提供了不同类型样品卡供选择。根据类型不同分为探针式样品卡和焊盘式样品卡；根据尺寸不同有10 mm和50 mm两种尺寸可选，50 mm只有探针式样品卡。
10mm探针样品卡（左）、10mm焊盘式样品卡（中）、50mm探针式样品卡（右）
为了满足角度测量需求，MCS电磁体平台同样配备了样品旋转组件。EMP-HP-ROTATE 样品旋转选件为 MCS-EMP 电磁体平台增加了0°至360°手动样品旋转功能。该组件作为样品腔的选件，也可以与变温选件联用。样品旋转组件适用于 10 mm大小的样品卡，不能与50 mm尺寸的样品卡使用。
样品旋转组件
四、变温选件
除了室温测量外，MCS-EMP霍尔系统同样提供高温和低温选件实现变温测量。
低温选件采用闭循环制冷机方式和低温专用样品卡实现10K-400K的变温测量。
使用闭循环制冷机的电磁体平台和低温专用样品卡
高温选件采用采用高温炉选件和高温专用样品卡，可实现室温到1273K的高温测量。目前市面上的霍尔效应系统，只有搭配MCS-EMP电磁体平台和高温选件的霍尔效应系统才能达到1273K的最高测量温度。
使用高温炉选件的电磁体平台和高温专用样品卡
五、与其他磁体系统联用
M91快速霍尔测量技术，由于测量过程中磁极不需要反转，使得其可以有效适配于各种类型的磁体和系统。目前，对于不同类型的磁体系统，均有成熟的解决方案和产品供选择。
1. FastHall Station桌面级M91快速霍尔测试平台
Lakeshore的桌面级M91快速霍尔测试平台FastHall Station是由M91快速霍尔测量模块与1.0T的永磁体组合使用进行霍尔测量。它同时还有室温和77K单点温度选件可选。
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| FastHall Station桌面级M91霍尔测试平台 | 77K单点温度选件 |
2. 与PPMS系统联用
M91快速测试模块可以与Quantum Design的综合物性测量系统（PPMS）进行联用，由PPMS提供变温和磁场环境，M91完成霍尔测量。目前，PPMS的两个型号Dynacool和VersaLab均有成熟的解决方案。
M91 FastHall测试模块与PPMS系统联用
3.与其他磁体定制
除了现有的解决方案外，M91快速霍尔测量模块也可以根据需求，与其他品牌的磁体和恒温器或者客户现有的磁场和温度环境结合使用。如有上述定制化的使用需求，可以联系我们沟通解决方案。
关于 Lake Shore Cryotronics, Ltd.：
美国Lake Shore公司（www.lakeshore。。ｃｏｍ）是严苛温度和磁场条件下高精度测量和控制解决方案的创新者。主要产品包括低温探针台、振动样品磁强计、霍尔效应测量系统、M81同步源测量系统、Janis系列低温恒温器、低温控温仪、低温温度传感器、高斯计及霍尔传感器等。Lake Shore公司一直致力于推动科学发展，其产品解决方案不断创新，应用领域从物理实验室到深太空科学探索不断发展。
参考文献：
[1]. Aydin, E., Ugur, E., Yildirim, B.K. et al. Enhanced optoelectronic coupling for perovskite-silicon tandem solar cells. Nature, 623,pages 732–738 (2023).