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霍爾效應(yīng)系統(tǒng)登上Nature！新型鈣鈦礦太陽(yáng)能電池， 獲得32%獨(dú)立認(rèn)證效率
全新電磁體霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)
搭載M91快速霍爾測(cè)量模塊
測(cè)試速度提升100倍
更快、更精準(zhǔn)測(cè)量極低遷移率材料
適用于各類磁體系統(tǒng)
助力鈣鈦礦關(guān)鍵數(shù)據(jù)測(cè)量
登頂Nature
搭載M91快速測(cè)量模塊的MCS-EMP霍爾效應(yīng)系統(tǒng)
單片鈣鈦礦/硅疊層串聯(lián)太陽(yáng)能電池因其能以低廉的成本實(shí)現(xiàn)高功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)而具有高的研究?jī)r(jià)值。目前，先進(jìn)的疊層串聯(lián)太陽(yáng)能電池中，鈣鈦礦頂部電池通過(guò)自組裝單層(SAM)與硅異質(zhì)結(jié)底部電池電耦合，固定在透明導(dǎo)電氧化物(TCO)上，從而實(shí)現(xiàn)子電池之間的高效電荷轉(zhuǎn)移。然而，這類可再生的高性能串聯(lián)太陽(yáng)能電池，尤其是對(duì)于帶紋理的硅基底太陽(yáng)能電池，需要自組裝單層膜能量在表面均勻覆蓋，這仍非常具有挑戰(zhàn)性。
針對(duì)上述問(wèn)題，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)的Stefaan De Wolf教授團(tuán)隊(duì)采用超薄(5 nm)無(wú)定形氧化銦鋅(IZO)作為互連TCO。IZO因結(jié)構(gòu)無(wú)晶粒而具有高表面電位均勻性，以及與常用晶體TCOs相比更高密度的SAM錨點(diǎn)，有效解決現(xiàn)存難題。通過(guò)同樣薄的IZO后電極和改進(jìn)的前觸點(diǎn)堆疊，結(jié)合光學(xué)增強(qiáng)，獲得了32.5%的獨(dú)立認(rèn)證PCE，是鈣鈦礦/硅串聯(lián)中最高的。不僅如此，上述超薄透明接觸方法減少了約80%的銦消耗，對(duì)于可持續(xù)光伏制造具有重要意義。該成果以《Enhanced optoelectronic coupling for perovskite-silicon tandem solar cells》為題發(fā)表在Nature上[1]。
圖1 三種不同TCO鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池電流密度對(duì)比圖
本文中，作者通過(guò)美國(guó)低溫設(shè)備制造商Lake Shore Cryotronics, Ltd.的霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)鈣鈦礦/硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池的電學(xué)性能進(jìn)行了表征，設(shè)備的便捷操作、更快更精準(zhǔn)的創(chuàng)新技術(shù)，為本研究提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。
全新MCS-EMP霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)搭載自主研發(fā)的M91快速霍爾測(cè)量模塊，與傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)系統(tǒng)相比，測(cè)試速度可提升100倍，從根本上改變了霍爾效應(yīng)的測(cè)量方式，且在測(cè)量過(guò)程中無(wú)需翻轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，尤其對(duì)使用強(qiáng)磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體或測(cè)量極低遷移率材料時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更快、更精確的測(cè)量。
一、M91快速霍爾測(cè)量模塊
隨著研究的深入發(fā)展，諸多材料如光伏材料(太陽(yáng)能電池材料)、熱電材料、有機(jī)材料都表現(xiàn)出較低的遷移率，而低遷移率(10-3 cm2/v s)材料的測(cè)量難度也是極大的。傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)采用DC/AC模式進(jìn)行測(cè)量，DC模式無(wú)法測(cè)量低遷移率的材料，AC模式雖然可以測(cè)量低遷移率材料，但由于測(cè)試過(guò)程中需要交流磁場(chǎng)積分運(yùn)算，耗時(shí)甚多，會(huì)導(dǎo)致樣品產(chǎn)生熱量影響測(cè)量結(jié)果。
全新一代M91快速霍爾測(cè)量模塊采用了Lakeshore(號(hào)：9797965和10073151)的快速霍爾測(cè)量技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)霍爾測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)和低遷移率測(cè)試準(zhǔn)確性低的問(wèn)題。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是從根本上改變了霍爾效應(yīng)的測(cè)量方式，無(wú)需進(jìn)行磁場(chǎng)極性的切換，從而實(shí)現(xiàn)更快速、更精準(zhǔn)的霍爾效應(yīng)測(cè)量。這項(xiàng)技術(shù)的加持下，M91快速霍爾測(cè)量模塊可以適配于各種類型的磁體(永磁體、電磁體、超導(dǎo)磁體)和系統(tǒng)使用，并且都有成熟的解決方案。
M91快速測(cè)量模塊
M91測(cè)試模塊與傳統(tǒng)霍爾測(cè)試對(duì)比表
二、MCS-EMP電磁體平臺(tái)
Lakeshore全新一代的霍爾效應(yīng)系統(tǒng)采用其自主研發(fā)生產(chǎn)的MCS-EMP電磁體平臺(tái)提供背景磁場(chǎng)。MCS-EMP多用途電磁鐵平臺(tái)提供了自動(dòng)化可變磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)所需的所有基本組件，包括兩種尺寸可選的電磁體(4英寸/7英寸)，兩種尺寸可選的磁極帽(2英寸/4英寸)和磁體底座、以及電磁體系統(tǒng)控制柜。根據(jù)需要，還可以選配光學(xué)接口。
電磁體系統(tǒng)控制柜中的各個(gè)組件也均由Lakeshore自主研發(fā)生產(chǎn)，包括643/648型高可靠性線性磁體電源、F71型多軸高斯計(jì)和單軸磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)探頭，以及功能強(qiáng)大的專用MeasureLINK-MCS操作軟件和儀器控制臺(tái)。
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| MCS-EMP電磁體平臺(tái) | 電磁體系統(tǒng)控制柜（ESC） |
三、樣品組件
樣品組件由樣品腔和樣品卡組成。樣品腔內(nèi)部設(shè)有高性能樣品插件，用于與樣品卡物理安裝和電氣連接。根據(jù)系統(tǒng)配置的不同，插件包括 8 個(gè)三軸連接器，用于為樣品提供保護(hù)信號(hào)，以進(jìn)行電阻測(cè)量（最高可達(dá) 200 GΩ）。其圓形連接器包含溫度監(jiān)控導(dǎo)線、插入件標(biāo)識(shí)和安全聯(lián)鎖，確保了測(cè)試的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
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| 樣品組件頂部與三軸線纜連接 | 樣品組件底部與樣品卡連接 |
根據(jù)不同類型和尺寸的樣品，MCS-EMP霍爾效應(yīng)系統(tǒng)同樣提供了不同類型樣品卡供選擇。根據(jù)類型不同分為探針式樣品卡和焊盤(pán)式樣品卡；根據(jù)尺寸不同有10 mm和50 mm兩種尺寸可選，50 mm只有探針式樣品卡。
10mm探針樣品卡（左）、10mm焊盤(pán)式樣品卡（中）、50mm探針式樣品卡（右）
為了滿足角度測(cè)量需求，MCS電磁體平臺(tái)同樣配備了樣品旋轉(zhuǎn)組件。EMP-HP-ROTATE 樣品旋轉(zhuǎn)選件為 MCS-EMP 電磁體平臺(tái)增加了0°至360°手動(dòng)樣品旋轉(zhuǎn)功能。該組件作為樣品腔的選件，也可以與變溫選件聯(lián)用。樣品旋轉(zhuǎn)組件適用于 10 mm大小的樣品卡，不能與50 mm尺寸的樣品卡使用。
樣品旋轉(zhuǎn)組件
四、變溫選件
除了室溫測(cè)量外，MCS-EMP霍爾系統(tǒng)同樣提供高溫和低溫選件實(shí)現(xiàn)變溫測(cè)量。
低溫選件采用閉循環(huán)制冷機(jī)方式和低溫專用樣品卡實(shí)現(xiàn)10K-400K的變溫測(cè)量。
使用閉循環(huán)制冷機(jī)的電磁體平臺(tái)和低溫專用樣品卡
高溫選件采用采用高溫爐選件和高溫專用樣品卡，可實(shí)現(xiàn)室溫到1273K的高溫測(cè)量。目前市面上的霍爾效應(yīng)系統(tǒng)，只有搭配MCS-EMP電磁體平臺(tái)和高溫選件的霍爾效應(yīng)系統(tǒng)才能達(dá)到1273K的最高測(cè)量溫度。
使用高溫爐選件的電磁體平臺(tái)和高溫專用樣品卡
五、與其他磁體系統(tǒng)聯(lián)用
M91快速霍爾測(cè)量技術(shù)，由于測(cè)量過(guò)程中磁極不需要反轉(zhuǎn)，使得其可以有效適配于各種類型的磁體和系統(tǒng)。目前，對(duì)于不同類型的磁體系統(tǒng)，均有成熟的解決方案和產(chǎn)品供選擇。
1. FastHall Station桌面級(jí)M91快速霍爾測(cè)試平臺(tái)
Lakeshore的桌面級(jí)M91快速霍爾測(cè)試平臺(tái)FastHall Station是由M91快速霍爾測(cè)量模塊與1.0T的永磁體組合使用進(jìn)行霍爾測(cè)量。它同時(shí)還有室溫和77K單點(diǎn)溫度選件可選。
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| FastHall Station桌面級(jí)M91霍爾測(cè)試平臺(tái) | 77K單點(diǎn)溫度選件 |
2. 與PPMS系統(tǒng)聯(lián)用
M91快速測(cè)試模塊可以與Quantum Design的綜合物性測(cè)量系統(tǒng)（PPMS）進(jìn)行聯(lián)用，由PPMS提供變溫和磁場(chǎng)環(huán)境，M91完成霍爾測(cè)量。目前，PPMS的兩個(gè)型號(hào)Dynacool和VersaLab均有成熟的解決方案。
M91 FastHall測(cè)試模塊與PPMS系統(tǒng)聯(lián)用
3.與其他磁體定制
除了現(xiàn)有的解決方案外，M91快速霍爾測(cè)量模塊也可以根據(jù)需求，與其他品牌的磁體和恒溫器或者客戶現(xiàn)有的磁場(chǎng)和溫度環(huán)境結(jié)合使用。如有上述定制化的使用需求，可以聯(lián)系我們溝通解決方案。
關(guān)于 Lake Shore Cryotronics, Ltd.：
美國(guó)Lake Shore公司（www.lakeshore。。ｃｏｍ）是嚴(yán)苛溫度和磁場(chǎng)條件下高精度測(cè)量和控制解決方案的創(chuàng)新者。主要產(chǎn)品包括低溫探針臺(tái)、振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)、霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)、M81同步源測(cè)量系統(tǒng)、Janis系列低溫恒溫器、低溫控溫儀、低溫溫度傳感器、高斯計(jì)及霍爾傳感器等。Lake Shore公司一直致力于推動(dòng)科學(xué)發(fā)展，其產(chǎn)品解決方案不斷創(chuàng)新，應(yīng)用領(lǐng)域從物理實(shí)驗(yàn)室到深太空科學(xué)探索不斷發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[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).
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1、M91快速霍爾測(cè)試儀2、Lake Shore霍爾效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)http://www.muquzhou.cn/st166724/product_38146280.html
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