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霍爾效應系統登上Nature！新型鈣鈦礦太陽能電池， 獲得32%獨立認證效率
全新電磁體霍爾效應測量系統
搭載M91快速霍爾測量模塊
測試速度提升100倍
更快、更精準測量極低遷移率材料
適用于各類磁體系統
助力鈣鈦礦關鍵數據測量
登頂Nature
搭載M91快速測量模塊的MCS-EMP霍爾效應系統
單片鈣鈦礦/硅疊層串聯太陽能電池因其能以低廉的成本實現高功率轉換效率(PCE)而具有高的研究價值。目前，先進的疊層串聯太陽能電池中，鈣鈦礦頂部電池通過自組裝單層(SAM)與硅異質結底部電池電耦合，固定在透明導電氧化物(TCO)上，從而實現子電池之間的高效電荷轉移。然而，這類可再生的高性能串聯太陽能電池，尤其是對于帶紋理的硅基底太陽能電池，需要自組裝單層膜能量在表面均勻覆蓋，這仍非常具有挑戰性。
針對上述問題，阿卜杜拉國王科技大學的Stefaan De Wolf教授團隊采用超薄(5 nm)無定形氧化銦鋅(IZO)作為互連TCO。IZO因結構無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，有效解決現存難題。通過同樣薄的IZO后電極和改進的前觸點堆疊，結合光學增強，獲得了32.5%的獨立認證PCE，是鈣鈦礦/硅串聯中最高的。不僅如此，上述超薄透明接觸方法減少了約80%的銦消耗，對于可持續光伏制造具有重要意義。該成果以《Enhanced optoelectronic coupling for perovskite-silicon tandem solar cells》為題發表在Nature上[1]。
圖1 三種不同TCO鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池電流密度對比圖
本文中，作者通過美國低溫設備制造商Lake Shore Cryotronics, Ltd.的霍爾效應測量系統對鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的電學性能進行了表征，設備的便捷操作、更快更精準的創新技術，為本研究提供了關鍵數據支撐。
全新MCS-EMP霍爾效應測量系統搭載自主研發的M91快速霍爾測量模塊，與傳統的霍爾效應系統相比，測試速度可提升100倍，從根本上改變了霍爾效應的測量方式，且在測量過程中無需翻轉磁場，尤其對使用強磁場超導磁體或測量極低遷移率材料時，可以實現更快、更精確的測量。
一、M91快速霍爾測量模塊
隨著研究的深入發展，諸多材料如光伏材料(太陽能電池材料)、熱電材料、有機材料都表現出較低的遷移率，而低遷移率(10-3 cm2/v s)材料的測量難度也是極大的。傳統的霍爾效應測量系統采用DC/AC模式進行測量，DC模式無法測量低遷移率的材料，AC模式雖然可以測量低遷移率材料，但由于測試過程中需要交流磁場積分運算，耗時甚多，會導致樣品產生熱量影響測量結果。
全新一代M91快速霍爾測量模塊采用了Lakeshore(號：9797965和10073151)的快速霍爾測量技術，有效解決了傳統霍爾測量耗時長和低遷移率測試準確性低的問題。該技術的主要特點是從根本上改變了霍爾效應的測量方式，無需進行磁場極性的切換，從而實現更快速、更精準的霍爾效應測量。這項技術的加持下，M91快速霍爾測量模塊可以適配于各種類型的磁體(永磁體、電磁體、超導磁體)和系統使用，并且都有成熟的解決方案。
M91快速測量模塊
M91測試模塊與傳統霍爾測試對比表
二、MCS-EMP電磁體平臺
Lakeshore全新一代的霍爾效應系統采用其自主研發生產的MCS-EMP電磁體平臺提供背景磁場。MCS-EMP多用途電磁鐵平臺提供了自動化可變磁場實驗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、以及電磁體系統控制柜。根據需要，還可以選配光學接口。
電磁體系統控制柜中的各個組件也均由Lakeshore自主研發生產，包括643/648型高可靠性線性磁體電源、F71型多軸高斯計和單軸磁場監測探頭，以及功能強大的專用MeasureLINK-MCS操作軟件和儀器控制臺。
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| MCS-EMP電磁體平臺 | 電磁體系統控制柜（ESC） |
三、樣品組件
樣品組件由樣品腔和樣品卡組成。樣品腔內部設有高性能樣品插件，用于與樣品卡物理安裝和電氣連接。根據系統配置的不同，插件包括 8 個三軸連接器，用于為樣品提供保護信號，以進行電阻測量（最高可達 200 GΩ）。其圓形連接器包含溫度監控導線、插入件標識和安全聯鎖，確保了測試的準確性和穩定性。
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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 |
根據不同類型和尺寸的樣品，MCS-EMP霍爾效應系統同樣提供了不同類型樣品卡供選擇。根據類型不同分為探針式樣品卡和焊盤式樣品卡；根據尺寸不同有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焊盤式樣品卡（中）、50mm探針式樣品卡（右）
為了滿足角度測量需求，MCS電磁體平臺同樣配備了樣品旋轉組件。EMP-HP-ROTATE 樣品旋轉選件為 MCS-EMP 電磁體平臺增加了0°至360°手動樣品旋轉功能。該組件作為樣品腔的選件，也可以與變溫選件聯用。樣品旋轉組件適用于 10 mm大小的樣品卡，不能與50 mm尺寸的樣品卡使用。
樣品旋轉組件
四、變溫選件
除了室溫測量外，MCS-EMP霍爾系統同樣提供高溫和低溫選件實現變溫測量。
低溫選件采用閉循環制冷機方式和低溫專用樣品卡實現10K-400K的變溫測量。
使用閉循環制冷機的電磁體平臺和低溫專用樣品卡
高溫選件采用采用高溫爐選件和高溫專用樣品卡，可實現室溫到1273K的高溫測量。目前市面上的霍爾效應系統，只有搭配MCS-EMP電磁體平臺和高溫選件的霍爾效應系統才能達到1273K的最高測量溫度。
使用高溫爐選件的電磁體平臺和高溫專用樣品卡
五、與其他磁體系統聯用
M91快速霍爾測量技術，由于測量過程中磁極不需要反轉，使得其可以有效適配于各種類型的磁體和系統。目前，對于不同類型的磁體系統，均有成熟的解決方案和產品供選擇。
1. FastHall Station桌面級M91快速霍爾測試平臺
Lakeshore的桌面級M91快速霍爾測試平臺FastHall Station是由M91快速霍爾測量模塊與1.0T的永磁體組合使用進行霍爾測量。它同時還有室溫和77K單點溫度選件可選。
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| FastHall Station桌面級M91霍爾測試平臺 | 77K單點溫度選件 |
2. 與PPMS系統聯用
M91快速測試模塊可以與Quantum Design的綜合物性測量系統（PPMS）進行聯用，由PPMS提供變溫和磁場環境，M91完成霍爾測量。目前，PPMS的兩個型號Dynacool和VersaLab均有成熟的解決方案。
M91 FastHall測試模塊與PPMS系統聯用
3.與其他磁體定制
除了現有的解決方案外，M91快速霍爾測量模塊也可以根據需求，與其他品牌的磁體和恒溫器或者客戶現有的磁場和溫度環境結合使用。如有上述定制化的使用需求，可以聯系我們溝通解決方案。
關于 Lake Shore Cryotronics, Ltd.：
美國Lake Shore公司（www.lakeshore。。ｃｏｍ）是嚴苛溫度和磁場條件下高精度測量和控制解決方案的創新者。主要產品包括低溫探針臺、振動樣品磁強計、霍爾效應測量系統、M81同步源測量系統、Janis系列低溫恒溫器、低溫控溫儀、低溫溫度傳感器、高斯計及霍爾傳感器等。Lake Shore公司一直致力于推動科學發展，其產品解決方案不斷創新，應用領域從物理實驗室到深太空科學探索不斷發展。
參考文獻：
[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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