目前，應(yīng)用于材料的電學(xué)參數(shù)表征方法可以分為兩大類：一類為宏觀尺度技術(shù)，比如四點(diǎn)探針法或范德堡法，光學(xué)測(cè)量等，允許快速檢測(cè)，但只能提供直流電導(dǎo)率等單一參數(shù)信息。另一類為納米尺度的技術(shù)，如拉曼光譜、原子力顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等，能夠得到分辨率很高的圖像，然而通常需要復(fù)雜的樣品制備步驟，并且測(cè)量速度十分緩慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量。

在日新月異的材料研究領(lǐng)域中，需要同時(shí)滿足高速與高分辨率要求的情況是十分常見的，而當(dāng)前表征技術(shù)的缺陷導(dǎo)致尖端的研究材料可能很難制造。因此，非接觸和無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)于獲得更深入的知識(shí)與更快地推進(jìn)尖端研究具有重要意義。

CIEMAT（能源研究中心，Medioambientales y Tecnológicas）是隸屬于西班牙科學(xué)與創(chuàng)新部的公共研究組織，主要專注于能源和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域以及與兩者相關(guān)的技術(shù)。CIEMAT 的使命是通過(guò)科學(xué)技術(shù)知識(shí)的產(chǎn)生和應(yīng)用，為西班牙的可持續(xù)發(fā)展和公民的生活質(zhì)量做出貢獻(xiàn)。

光伏作為新能源中最為重要的一類，相關(guān)材料及器件的研究是CIEMAT的重點(diǎn)投入項(xiàng)目。對(duì)于光伏器件制造，無(wú)損檢測(cè)（NDT）的方式是最優(yōu)選擇，一方面不會(huì)對(duì)器件造成損害。另一方面，還需要檢測(cè)每個(gè)器件并可以在盡可能早的階段檢測(cè)到任何缺陷。為了更全面、更快速地表征光伏應(yīng)用設(shè)備的電學(xué)特性（如電導(dǎo)率、電阻、載流子遷移率），CIEMAT正在尋找一種高分辨率、非接觸式、非破壞性和快速測(cè)量的材料表征解決方案。

CIEMAT選擇了太赫茲技術(shù)用于光伏器件的電學(xué)表征。Onyx 系統(tǒng)是基于太赫茲時(shí)域光譜（TDS）的專利系統(tǒng)，利用的太赫茲（THz）波是低能量的非電離波，因此對(duì)人類無(wú)害。通過(guò)以非破壞性和非接觸方式表征從 0.5 mm2 到大面積 (m2) 樣品的特性，填補(bǔ)了宏觀和納米級(jí)工具之間的技術(shù)空白，從而促進(jìn)了材料研究領(lǐng)域的工業(yè)化。這種技術(shù)是無(wú)損檢測(cè)的，不需要樣品制備，并且可以測(cè)量樣品質(zhì)量的空間分布。幾百微米量級(jí)的空間分辨率與太赫茲信號(hào)的快速采集和處理使得 Onyx 能夠快速表征大面積的樣品區(qū)域。

太赫茲技術(shù)提供非破壞性、非接觸式、快速且可靠的質(zhì)量控制過(guò)程，用于表征光伏應(yīng)用設(shè)備的電學(xué)特性。作為一種不需要樣品制備的非接觸、非破壞性方法，利用太赫茲時(shí)域光譜 (THz-TDS) 可以對(duì)獨(dú)特的研究樣品進(jìn)行多次分析，而不會(huì)造成樣品的損傷。此外，太赫茲技術(shù)的表征可以顯著改善光伏器件制造過(guò)程的質(zhì)量控制，因?yàn)槊總€(gè)器件都可以在沒有損壞的情況下進(jìn)行檢查，從而可以及早發(fā)現(xiàn)缺陷。

CIEMAT基于ONYX系統(tǒng)研究了光伏應(yīng)用的器件參數(shù)表征，并撰寫了幾篇科研文章，重點(diǎn)關(guān)注光伏應(yīng)用的導(dǎo)電電極和硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池技術(shù)的電極。

案例1

在“Advanced Graphene-Based Transparent Conductive Electrodes for Photovoltaic Applications”一文中（Fernández等人，Micromachines 2019，10，402），探討了以不同配置結(jié)合石墨烯單層的透明導(dǎo)電電極 (TCE) 的新結(jié)構(gòu)，旨在提高硅異質(zhì)結(jié) (SHJ) 電池正面透明觸點(diǎn)的性能。

圖 1.正在研究的透明導(dǎo)電電極配置。TCO = 透明導(dǎo)電氧化物

案例2

使用 Onyx 系統(tǒng)對(duì)電極的電導(dǎo)和電阻（見圖2）進(jìn)行表征，無(wú)需任何樣品制備。在硅（Si）襯底上沉積的最佳雜化氧化銦錫（ITO）基的TCE的平均電導(dǎo)值為13.12 mS，這個(gè)數(shù)據(jù)非常有意義，因?yàn)樗哂贗TO值（>10 mS）。

圖 2.沉積在硅（Si）襯底上的最佳雜化氧化銦錫（ITO）基TCE的電導(dǎo)和電阻圖。

案例3

在“Transparent electrodes based on graphene”一文中（Fernández 等人，Nanotechnol Adv Mater Sci，第 2(3) 卷：1-3，2019）利用 Onyx 系統(tǒng)探索了將石墨烯納入其設(shè)計(jì)的透明電極的新穎架構(gòu)，以改進(jìn)硅異質(zhì)結(jié)電池技術(shù)。

案例4

在文章“Graphene-Based Electrodes for Silicon Heterojunction Solar Cell Technology ”（Torres等人，Materials 2021，14，4833）中，研究者分析了在硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中將氧化銦錫 (ITO) 與1到3層石墨烯單層結(jié)合作為頂部電極的不同效果。

圖 3.所述硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池成品的方案。圖4顯示了由Onyx系統(tǒng)獲得的四種電池的電導(dǎo)圖，分別為銦錫氧化物（ITO）（a），ITO + 1層石墨烯（b），ITO + 2層石墨烯（c）和ITO + 3層石墨烯（d）。根據(jù)電導(dǎo)圖顯示，每增加一片石墨烯，電學(xué)性能都有明顯的改善。在制作完成的太陽(yáng)能電池的電學(xué)特性表征中，這意味著串聯(lián)電阻的顯著降低和器件填充因子的增加

審核編輯黃宇