專利名稱：光電性能綜合測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種測量光電轉(zhuǎn)換材料和器件的光電性能的裝置，尤其是一種光電化學(xué)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換性能的測試儀器。
背景技術(shù)：
測試光電轉(zhuǎn)換材料和器件(如光電池)的光電特性有二電極和三電極法，以二電極法較為常用。見諸報道的是一些研究機(jī)構(gòu)自行組裝的分立裝置。用脈沖氙(Xe)燈模擬太陽光源照射到光電池上，通過測量光電池在模擬光源照射下的電壓電流數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)光電池的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到光電池的性能參數(shù)。整個過程自動化程度較低，單色光的調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處理、性能參數(shù)的對比等都不能計(jì)算機(jī)控制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差，不能充分滿足研究的需要。
由于太陽能的利用對緩解能源危機(jī)、減輕環(huán)境污染有著十分重要的意義，人們對光電轉(zhuǎn)換材料和器件的研究越來越重視。用一體化的光電池光電性能測試裝置高效而準(zhǔn)確地測定光電池的特性有助于推動太陽能電池的研究與開發(fā)。
通過計(jì)算機(jī)控制的單色儀或帶通濾光片，可以得到連續(xù)的所需各種波長的單色光；高精度的數(shù)字電壓電流表用于測量出光電池的開路電壓和短路電流以及不同負(fù)載特性下的電壓電流數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集接口采集數(shù)據(jù)，通過計(jì)算得到光電池量子效率、光電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)；編制自動測量程序使測試過程可以自動進(jìn)行調(diào)整和測量，大大減少人工調(diào)整的時間，提高測量的效率。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種光電轉(zhuǎn)換材料和器件的一體化光電性能綜合測試裝置，可以自動進(jìn)行調(diào)整、測量和數(shù)據(jù)處理，解決目前該類裝置效率低，測量精度低，重現(xiàn)性差的缺點(diǎn)。
技術(shù)方案本發(fā)明的電性能綜合測試裝置，包括光源、樣品室、檢測部分、控制部分，在該裝置中氙燈光源作為模擬太陽光源，光柵單色儀與氙燈光源間以光纖導(dǎo)光束相連，光柵單色儀與測試暗箱以光纖導(dǎo)光束相連；測試暗箱中設(shè)有光電池、光度計(jì)傳感器，光電池的輸出端接電壓/電流表，光度計(jì)傳感器的輸出端接光度計(jì)主機(jī)，光度計(jì)主機(jī)、電壓/電流表的輸出端通過數(shù)據(jù)采集接口與計(jì)算機(jī)相接，原位測量照射在光電池上的光強(qiáng)度。
在測試暗箱中設(shè)有測試平臺，在測試平臺上設(shè)有光電池、光度計(jì)傳感器，光纖導(dǎo)光束穿過測試暗箱壁上的入射光孔將光引入光電池，光電池兩極由導(dǎo)線與電壓/電流表相連，光度計(jì)傳感器置于測試暗箱中光電池的位置；光度計(jì)傳感器與光度計(jì)主機(jī)相接。氙燈光源同時采用單色光和白光。光纖導(dǎo)光束的接口為長方形光纖接口，使光柵單色儀的入射光和出射光能更有效的耦合。
大功率氙(Xe)燈的功率可以通過穩(wěn)流電源調(diào)節(jié)；用光纖導(dǎo)光，單色儀或帶通濾光片通過計(jì)算機(jī)控制可以得到連續(xù)的所需各種波長的單色光；測試暗箱為50cm×50cm×50cm鐵制箱體，必須是密閉不透光的，箱體內(nèi)的溫度可以控制在室溫～80℃之間，箱體內(nèi)有測試平臺、樣品池、光度計(jì)傳感器等部件；光度計(jì)經(jīng)國家級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)單位標(biāo)定，檢測范圍200nm～1100nm；高精度的數(shù)字電壓電流表測量光電池的開路電壓和短路電流以及不同負(fù)載特性下的電壓電流數(shù)據(jù)，可以測量到毫伏和微安級；電壓電流數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動采集，記錄和保存；自編程序包括對單色儀的自動控制，對整個測試過程自動進(jìn)行設(shè)置和采集數(shù)據(jù)的計(jì)算處理。
該測試裝置的工作過程為打開電源，調(diào)節(jié)大功率氙(Xe)燈的工作電流，給出一定強(qiáng)度的模擬太陽光源，經(jīng)低通凹面鏡反射濾去波長為1200nm以上的紅外光，導(dǎo)入單色儀，打開計(jì)算機(jī)測試界面，輸入工作條件，設(shè)置單色光波長或掃描方式，在計(jì)算機(jī)控制下，單色儀給出一定波長的單色光或進(jìn)行掃描，單色光經(jīng)光纖引入測試暗箱照射到光電池上(測模擬太陽光下的光電性能時，不經(jīng)單色儀)，產(chǎn)生光能-電能的轉(zhuǎn)換，光電池的開路電壓和短路電流以及不同負(fù)載特性下的電壓電流數(shù)據(jù)由高精度的數(shù)字電壓電流表測量，照射在光電池表面的光強(qiáng)度由光功率計(jì)測定，所有測量數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動采集，記錄和保存，經(jīng)過校正后，計(jì)算出量子效率、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率等性能參數(shù)。計(jì)算公式為IPCE=1243×ISC×100%λ×Pin---(1)]]>FF=IPh(max)×VPh(max)ISC×VOC---(2)]]>
η=ISC×VOC×FFPin---(3)]]>式中IPCE、FF、η分別為量子效率、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率；λ、Pin分別是入射光的波長和光功率；ISC、VOC分別是光電池的短路電流和開路電壓；IPh(max)、VPh(max)分別是光電池在有負(fù)載條件下獲得最大輸出功率時的光電流與光電壓。
有益效果1.使用電流穩(wěn)定可調(diào)的光源，使光源的照度可以調(diào)節(jié)、照射到光電池表面的光強(qiáng)度穩(wěn)定。
2.采用單色光頻率的自動掃描、測量信號的自動記錄和處理，實(shí)現(xiàn)了光電池性能的自動測試。
3.測試速度快，1分鐘內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)200-800nm單色光的掃描與量子效率的測定。
4.測試結(jié)果重現(xiàn)性好，儀器系統(tǒng)誤差小于2％。
5.自偏程序在windows下運(yùn)行，界面為中文，操作簡單。
6.全部組件均為國產(chǎn)。
7.一機(jī)多用，還可以用于光催化、光電導(dǎo)等方面的測試。


圖1是本發(fā)明的光電性能綜合測試儀框圖。
圖2是本發(fā)明中測試暗箱5的結(jié)構(gòu)示意圖。
以上的圖中有氙燈光源1；光纖導(dǎo)光束21、22；光柵單色儀3；電壓/電流表4；測試暗箱5；光電池51；光度計(jì)傳感器52；測試平臺53；入射光孔54；計(jì)算機(jī)6；光度計(jì)主機(jī)7。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是一種測量光電轉(zhuǎn)換材料和器件的光電性能的裝置，包括光源、樣品室、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。該裝置中氙燈光源1作為模擬太陽光源，光柵單色儀3與氙燈光源1間以光纖導(dǎo)光束21相連，光柵單色儀3與測試暗箱5以光纖導(dǎo)光束22相連；測試暗箱5中設(shè)有光電池51、光度計(jì)傳感器52，光電池51的輸出端接電壓/電流表4，光度計(jì)傳感器52的輸出端接光度計(jì)主機(jī)7，光度計(jì)主機(jī)7、電壓/電流表4的輸出端通過數(shù)據(jù)采集接口與計(jì)算機(jī)6相接，原位測量照射在光電池51上的光強(qiáng)度。在測試暗箱5中設(shè)有測試平臺53，在測試平臺53上設(shè)有光電池51、光度計(jì)傳感器52，光纖導(dǎo)光束22穿過測試暗箱5壁上的入射光孔54將光引入光電池51，光電池51兩極由導(dǎo)線與電壓/電流表4相連，光度計(jì)傳感器52置于測試暗箱5中光電池51的位置；光度計(jì)傳感器52與光度計(jì)主機(jī)7相接。氙燈光源1同時采用單色光和白光。光度計(jì)、電壓\電流計(jì)通過數(shù)據(jù)采集接口與計(jì)算機(jī)相接，在windows系統(tǒng)下，編寫操作與數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)現(xiàn)測試自動化。
制造過程為1、氙燈的功率不小于1500W，工作電流可調(diào)，并有散熱裝置。發(fā)出的光經(jīng)過低通的凹面鏡的反射，濾除了大部分的紅外光后，聚焦到耐高溫的光纖導(dǎo)光束一端。
2、光柵單色儀的進(jìn)光與出光端和光纖配套，并由計(jì)算機(jī)自動控制輸出光波長，輸出波長范圍為200～1500nm，波長控制精度0.1nm。
3、測試暗箱的大小根據(jù)測試要求而定，用冷軋鋼板制成，內(nèi)部烤黑，密封不透光，內(nèi)外壁間夾層以石棉為隔熱層，采用PID溫度控制系統(tǒng)，箱內(nèi)溫度可以從室溫到80℃恒溫控制。
4、光照強(qiáng)度采用經(jīng)過標(biāo)定的智能光功率計(jì)測量，帶有GPIB控制接口，可以由計(jì)算機(jī)自動測量從單色儀入射的單色光的光強(qiáng)，光譜響應(yīng)范圍為400nm～1100nm，測量范圍為1nW～1.000mW，光敏面積為2.00mm2。
5、高精度數(shù)字電壓電流表電壓量程為0～±12000.0mV，輸入阻抗＞10MΩ，非線性＜±0.002％F.S.，溫度系數(shù)＜2ppm/℃；電流量程為0～±3.0000mA，等效取樣電阻＜1Ω，非線性＜±0.002％F.S.，溫度系數(shù)＜7ppm/℃。
6、將上述光源、單色儀、光纖導(dǎo)光束、測試暗箱、智能光功率計(jì)、高精度數(shù)字電壓電流表、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)按照附圖結(jié)構(gòu)連接裝配成本光電性能綜合測試儀。主要儀器規(guī)格與主要參數(shù)1、光源氙燈功率1500W；工作電流0～100A可調(diào)2、光柵單色器輸出波長范圍為200～1500nm，波長控制精度0.1nm3、光度計(jì)光譜響應(yīng)范圍為400nm～1100nm，測量范圍為1nW～1.000mW，光敏面積為2.00mm2。
4、電壓電流表電壓量程為0～±12000.0mV，輸入阻抗＞10MΩ，非線性＜±0.002％F.S.，溫度系數(shù)＜2ppm/℃；電流量程為0～±3.0000mA，等效取樣電阻＜1Q，非線性＜±0.002％F.S.，溫度系數(shù)＜7ppm/℃。
權(quán)利要求
1.一種光電性能綜合測試裝置，包括光源、樣品室、檢測部分、控制部分，其特征在于該裝置中氙燈光源(1)作為模擬太陽光源，光柵單色儀(3)與氙燈光源(1)間以光纖導(dǎo)光束(21)相連，光柵單色儀(3)與測試暗箱(5)以光纖導(dǎo)光束(22)相連；測試暗箱(5)中設(shè)有光電池(51)、光度計(jì)傳感器(52)，光電池(51)的輸出端接電壓/電流表(4)，光度計(jì)傳感器(52)的輸出端接光度計(jì)主機(jī)(7)，光度計(jì)主機(jī)(7)、電壓/電流表(4)的輸出端通過數(shù)據(jù)采集接口與計(jì)算機(jī)(6)相接，原位測量照射在光電池(51)上的光強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電性能綜合測試裝置，其特征在于在測試暗箱(5)中設(shè)有測試平臺(53)，在測試平臺(53)上設(shè)有光電池(51)、光度計(jì)傳感器(52)，光纖導(dǎo)光束(22)穿過測試暗箱(5)壁上的入射光孔(54)將光引入光電池(51)，光電池(51)兩極由導(dǎo)線與電壓/電流表(4)相連，光度計(jì)傳感器(52)置于測試暗箱(5)中光電池(51)的位置；光度計(jì)傳感器(52)與光度計(jì)主機(jī)(7)相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電性能綜合測試裝置，其特征在于氙燈光源(1)同時采用單色光和白光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電性能綜合測試裝置，其特征在于光纖導(dǎo)光束(22)的接口為長方形光纖接口，使光柵單色儀(3)的入射光和出射光能更有效的耦合。
全文摘要
光電性能綜合測試裝置是一種測量光電轉(zhuǎn)換材料和器件的光電性能的裝置，該裝置中氙燈光源(1)作為模擬太陽光源，光柵單色儀(3)與氙燈光源(1)間以光纖導(dǎo)光束(21)相連，光柵單色儀(3)與測試暗箱(5)以光纖導(dǎo)光束(22)相連；測試暗箱(5)中設(shè)有光電池(51)、光度計(jì)傳感器(52)，光電池(51)的輸出端接電壓/電流表(4)，光度計(jì)傳感器(52)的輸出端接光度計(jì)主機(jī)(7)，光度計(jì)主機(jī)(7)、電壓/電流表(4)的輸出端通過數(shù)據(jù)采集接口與計(jì)算機(jī)(6)相接，原位測量照射在光電池(51)上的光強(qiáng)度。在測試暗箱(5)中設(shè)有測試平臺(53)，在測試平臺(53)上設(shè)有光電池(51)、光度計(jì)傳感器(52)，光度計(jì)傳感器(52)置于測試暗箱(5)中光電池(51)的位置。
文檔編號G01N21/00GK1564005SQ20041001432
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月15日
發(fā)明者李康, 孫岳明, 馬春光, 袁春偉 申請人:東南大學(xué)