有机太阳能电池的发光检测

在文献中，关于有机太阳能电池发光的信息很少，因为只有少数工作组拥有能够记录这种近红外发光的光谱学装置。这种测量在研究有机发光二极管的工作小组中更为常见;然而，它们主要测量光谱的可见部分，发光强度相对较高。当新材料如聚合物被应用于有机太阳能电池的光活性层时，人们通常找不到关于其发光的任何光谱信息。然而，光谱测量是不可避免的，例如，对这种新型设备进行发光成像测量，否则无法正确理解结果。我们的团队选择了Andor三叶草光谱仪SR-193i-B2与Andor iDus InGaAs 1.7 μ m光电二极管阵列(DU490A-1.7)的组合，因为它们出色地满足了我们的要求，此外，其成本远低于竞争对手的同类设备。此外，许多不同竞争对手提供的集成补充功能对我们来说没有任何价值。另一方面，光电二极管阵列的简单和集成的热电冷却是我们的必要前提。

实施及应用

在LOT-QuantumDesign的技术支持下，完成了设置的初始实现;一个简单的测试测量可以在同一天下午用一个临时的样品夹和光学透镜进行，以便将发光光耦合到光谱仪中。由于摄谱仪的脚与Thorlabs提供的支架夹具兼容，因此在光学台上的永久安装没有任何问题。在实验室的计算机上安装测量软件以及与光谱仪的连接都非常顺利。在光学轨道上实现了自制样品架的发光光与光谱仪的耦合。信号强度的优化是我们主要关注的问题。这种优化是使用产生可见光的测试样本进行的。该样品通过光学元件传递到光谱仪的入口狭缝上。使用低功率钨丝灯泡对装置进行相对强度校准。所使用的参考频谱如图1所示。

到目前为止，由于我们在光束路径中定期交换光学元件，因此产生的校正功能仅手动包含在结果中。集成到软件中似乎是可能的;然而，由于校正功能的规律性变化，我们在每种配置的每次使用前记录一次更为可行。

图1:钨丝灯泡的参考光谱。

利用所述结构，可以进行简单的电致发光光谱测量，积分时间约为1分钟。P3HT:PCBM标准太阳能电池的校准示例测量如图2所示。值得注意的是，源自太阳能电池的发光信号比InGaAs光电二极管阵列累积的背景信号弱得多。由于这种背景是系统地积累起来的，可以用关闭的快门单独测量，用打开的快门从测量中减去。这种背景信号是由InGaAs传感器的高暗电流产生的，这是由于与硅等其他半导体相比，InGaAs传感器的带隙较小。这种暗电流主要由探测器阵列的温度决定，但也由来自环境(即摄谱仪内部)的黑体辐射决定。

图2:P3HT:PCBM太阳能电池在不同工作点的相对强度校准电致发光测量。

问题和困难

然而，我们没有预料到的是来自环境黑体辐射的高部分背景信号。在图3(a)中，显示了不同时间背景信号对参考背景的偏差。偏差与某一夜间的温度剖面有关。背景信号的温度依赖性如图3(b)所示，其中探测器阵列对面的光谱仪外壳用吹风机加热约4 K。注意，探测器阵列的温度在此过程中保持恒定。人们可以观察到，背景信号的变化比我们打算测量的太阳能电池信号的(小)强度要强得多。由于这种漂移背景，一些测量，特别是长时间的测量系列，还不可能实现。除了室温外，这种温度变化也是由光电二极管阵列的冷却引起的。虽然它的热量是由水冷却系统散发的，但整个外壳在激活后2小时内加热约3k。为了在较长时间内进行测量，我们对光谱仪外壳进行了绝缘，并使用EuroTherm温度控制器进行了主动温度稳定。

图3:(a)不同时间点百叶窗关闭时的背景偏差，(b)使用吹风机将套管温度升高约4k时的平均检测值。在两个子图中，传感器阵列温度保持恒定在-70°C。

结论

随着三叶草SR-193i-B2和iDus InGaAs DU490A-1.7光电二极管阵列，我们已经实现了一个执行我们完全满意的光谱设置。必要的修改是意料之外的，尽管稍加努力是可能的。所得到的结果与该研究领域的大多数已发表的结果相比，具有更好的信噪比。可以预见，该光谱学装置将在我组未来的科学研究中发挥重要作用。

详细描述的设置(没有主动冷却)以及其他结果可以在论文中找到^［1］伊冯娜·杰内克·莱因哈特著。

参考文献

[1]伊冯娜·杰内克·莱因哈特;有机太阳能电池的成像与薄膜光学研究论文;数学与物理学院;Albert-Ludw