專利名稱：一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料應(yīng)用領(lǐng)域和測(cè)試領(lǐng)域，尤其是太陽能電池外量子效率，或
入射單色光光電轉(zhuǎn)換效率的測(cè)試，為一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法。
背景技術(shù)：
能源是人類社會(huì)存在和賴以發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，尤其是 二戰(zhàn)之后，世界經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了全新的發(fā)展時(shí)期，對(duì)能源的需求也與日倶增，煤炭、石油、天然氣 等礦物能源被大量的消耗，人類面臨日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)。由于能源消費(fèi)構(gòu)成 的不同，發(fā)展中國家面臨的問題尤為嚴(yán)重。以中國為例，2006年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示煤炭占一 次能源消費(fèi)構(gòu)成的69. 7% ，石油占20. 3% ，天然氣占3% 。目前，加快開發(fā)與利用風(fēng)能、太陽 能等可再生能源已成為國際社會(huì)的共識(shí)。其中，太陽能取之不盡，用之不竭，且不受地域限 制而備受矚目。近些年，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)迅速，造就了無錫尚德、天威英禾U、南京中 電等著名企業(yè)。 光伏發(fā)電的基本單元是太陽能電池，所以要提高太陽能的利用效率，就需要太陽 能電池具有較高的光電轉(zhuǎn)化效率。國際上，相繼發(fā)展了單晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化鎵、碲 化鎘、銅銦鎵錫等無機(jī)物太陽能電池，其中砷化鎵多結(jié)電池的實(shí)驗(yàn)室效率已達(dá)40.7%。另 外，為了更好的利用太陽能，要求太陽能電池具有低廉的制作成本，相繼出現(xiàn)了染料敏化太 陽能電池、有機(jī)小分子太陽能電池和有機(jī)聚合物太陽能電池。1991年瑞士洛桑高等理工學(xué) 院的M. Gratzel教授報(bào)道了全新的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池的研究成果，其廉價(jià)的 生產(chǎn)成本、與工業(yè)化生產(chǎn)兼容的工藝技術(shù)，得到了國際上廣泛的關(guān)注和重視。隨著技術(shù)的發(fā) 展、工藝的成熟以及對(duì)低成本的追求，薄膜型太陽能電池將會(huì)受到越來越多的關(guān)注。
—塊太陽能電池質(zhì)量的高低，最關(guān)鍵的指標(biāo)是光電轉(zhuǎn)換效率?？蒲袑?shí)驗(yàn)室和工業(yè) 界采用各種手段來優(yōu)化其各項(xiàng)性能參數(shù)，例如晶體硅電池，對(duì)其上表面進(jìn)行織構(gòu)化、蒸鍍減 反射膜以增加對(duì)太陽光的吸收，目的是提高光電轉(zhuǎn)換效率。對(duì)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換性能的
表征，目前主要有兩種測(cè)量手段。一是，在標(biāo)準(zhǔn)太陽光模擬器照射下，對(duì)太陽能電池進(jìn)行i-v
曲線測(cè)量，得到開路電壓、短路電流、填充因子、光電轉(zhuǎn)換效率等各項(xiàng)參數(shù)。二是，入射光源 經(jīng)單色儀分光之后得到一定強(qiáng)度的單色光，然后測(cè)量太陽能電池在不同波長(zhǎng)單色光下的外 量子效率和內(nèi)量子效率。前一種測(cè)量手段是宏觀的，后一種測(cè)量手段是微觀的，能提供更為 豐富的信息，對(duì)于太陽能電池的研究顯得尤為重要。例如，可以從外量子效率曲線上得到某 種太陽能電池對(duì)太陽光的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍；對(duì)比某種太陽能電池優(yōu)化前后的兩條外量子效率 曲線，可以明顯看到在哪些波段發(fā)生了變化，進(jìn)一步可以確定變化的量值；甚至可以藉此做 一部分太陽能電池機(jī)理的研究工作。 太陽能電池單波長(zhǎng)量子效率的測(cè)量分為兩種，一種為直流測(cè)量法，另一種為交流 測(cè)量法。據(jù)了解直流法測(cè)量太陽能電池單波長(zhǎng)外量子效率，目前國內(nèi)的自主研發(fā)很少，國際 上相關(guān)的成套設(shè)備也不多見，太陽能電池單波長(zhǎng)量子效率的測(cè)量目前大都采用的交流測(cè)量 法，而現(xiàn)有的交流測(cè)量法存在一個(gè)較大的問題是，測(cè)量過程中光學(xué)斬波器的斬波頻率會(huì)和太陽能電池的內(nèi)部電容產(chǎn)生耦合，尤其是對(duì)一些電容特性比較顯著的太陽能電池，比如染 料敏化太陽能電池，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，另外一個(gè)問題是現(xiàn)有的交流測(cè)量法采用一塊已經(jīng)標(biāo) 定過的電池進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，這種方法容易產(chǎn)生二次誤差。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有太陽能電池的量子效率測(cè)量方法主要為交流測(cè)量 法，其測(cè)量設(shè)備成本高，精度不能滿足需求，需要提供一種簡(jiǎn)單易行，低成本，高精度，高效 率的太陽能電池量子效率測(cè)量方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案為一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法，包括 如下步驟 1)、準(zhǔn)備測(cè)量裝置，包括氙燈光源、聚焦透鏡、單色儀、單色光功率計(jì)、數(shù)字源表、微 計(jì)算機(jī)和樣品架，聚焦透鏡采用石英平凸透鏡，太陽能電池樣品正負(fù)極短接數(shù)字源表，樣品 架設(shè)置在樣品室內(nèi)，所述樣品室為用吸光材料做成暗室，屏蔽雜散光，太陽能電池樣品固定 于樣品架，樣品架內(nèi)置電子溫控裝置； 2)、利用汞燈光譜的特征譜線校準(zhǔn)單色儀，首先校準(zhǔn)0級(jí)，其次校準(zhǔn)1級(jí)任選一條 汞的特征譜線校準(zhǔn)； 3)、調(diào)節(jié)氙燈光源，氙燈光源出射平行光，經(jīng)石英平凸透鏡二次聚焦在單色儀的入
射狹縫處，在氙燈光源到單色儀入射狹縫之間使用吸光材料構(gòu)建光路封閉倉，對(duì)聚焦透鏡
到單色儀入射狹縫之間的光路進(jìn)行封閉；入射光經(jīng)單色儀分光，分光裝置為3塊互成60°
夾角的閃耀光柵，得到的單色光匯聚后，由單色儀的出射狹縫射出，垂直入射到太陽能電池
樣品的光敏面上，同時(shí)固定太陽能電池樣品受光面積的大小，使入射單色光覆蓋光敏面，單
色儀的出射狹縫直接連接樣品室，這里入射單色光是指單色儀的輸出光； 4)、樣品架內(nèi)置的電子控溫裝置保持測(cè)試溫度滿足25±2°C ; 5)、設(shè)定數(shù)字源表工作于"電流測(cè)量"模式下，測(cè)量太陽能電池樣品的短路光電 流； 6)、確定單色儀的掃描參數(shù)，包括波長(zhǎng)掃描范圍、掃描間隔和掃描次數(shù)，設(shè)定之 后，由微計(jì)算機(jī)控制單色儀進(jìn)行掃描，數(shù)字源表檢測(cè)到的信號(hào)隨之存入微計(jì)算機(jī)；
7)、將樣品架上的太陽能電池調(diào)換為單色光功率計(jì)，單色光光斑覆蓋功率計(jì)探頭 的光敏面，但不超出，單色儀重復(fù)步驟6)的掃描，由單色光功率計(jì)得到的單色光功率值存 入微計(jì)算機(jī)； 8)、根據(jù)步驟6)數(shù)字源表檢測(cè)到的短路光電流信號(hào)，及步驟7)測(cè)得的單色光功率 值，在整個(gè)波長(zhǎng)掃描范圍內(nèi)，得到太陽能電池單波長(zhǎng)外量子效率，也即入射單色光光電轉(zhuǎn)換 效率
7V 1240-/c五^E(/戶C5)
_—_
w —尸 ；i 式中，EQE為太陽能電池單波長(zhǎng)外量子效率，IPCE為入射單色光光電轉(zhuǎn)換效率，Ne 為電子數(shù)，Np為入射單色光光子數(shù)，1^，單位PA，為太陽能電池短路光電流，Pin，單位P W， 為入射單色光功率，A m。n。，單位nm，為入射單色光波長(zhǎng)。 進(jìn)一步的，單色儀入射狹縫處設(shè)有多塊濾光片，組成一個(gè)濾光片輪，用來消除二級(jí)
5光譜的影響，濾光片由單色儀自身的操作軟件來控制濾光片輪的轉(zhuǎn)換，即從一個(gè)濾光片轉(zhuǎn) 到下一個(gè)濾光片。 本發(fā)明數(shù)字源表測(cè)量范圍為-1A +1A ;在1 ii A量程下，測(cè)量分辨率10pA。
步驟6)中，對(duì)于單晶硅太陽能電池樣品，波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為300nm 1100nm，波長(zhǎng) 掃描間隔設(shè)為10nm ;對(duì)于染料敏化太陽能電池樣品，波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為300nm 800nm，波 長(zhǎng)掃描間隔設(shè)為10nm。；步驟7)中單色光功率計(jì)的測(cè)量波段是200nm-1100nm。
作為優(yōu)選方式，氙燈光源的光抖動(dòng)在1%以內(nèi)，輸出功率IOOOW;單色儀具備高精 度和可重復(fù)性，分辨率0. 05nm，波長(zhǎng)435. 8nm處，縫寬10 y m，準(zhǔn)確度0. 2nm， 1200g/mm光 柵，重復(fù)性0. 05nm。 現(xiàn)有的太陽能電池外量子效率測(cè)量?jī)x器存在很多問題如光源功率不夠，測(cè)量精 度不夠，也得不到好的測(cè)量結(jié)果等，或者是過于集成，不便于后續(xù)的再開發(fā)；最大的問題是 采用標(biāo)定過的電池作為衡量待測(cè)電池量子效率的基礎(chǔ)，易引入二次誤差。
本發(fā)明相比具有以下特點(diǎn)1)絕對(duì)測(cè)量，高精度的數(shù)字源表和單色光功率計(jì)，對(duì)
太陽能電池樣品的短路光電流和入射單色光功率進(jìn)行直接的絕對(duì)測(cè)量，不同于現(xiàn)有的對(duì)比
法的間接對(duì)比測(cè)量，避免了二次誤差；2)、普適，適用于多種類型的太陽能電池外量子效率
的測(cè)量；3)、高精度，氙燈光源的高穩(wěn)定性、單色儀的高重復(fù)性、數(shù)字源表的精密性保證了本
發(fā)明的高精度；4、高集成度，本發(fā)明作為一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)，儀器的運(yùn)行控制、信號(hào)的采集、
數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理都由微計(jì)算機(jī)來執(zhí)行，能高效地測(cè)量太陽能電池單波長(zhǎng)外量子效率曲
線；5)、簡(jiǎn)潔，本測(cè)量方法相比交流測(cè)量，在儀器配制上要簡(jiǎn)化，節(jié)約了成本。 本發(fā)明側(cè)重于直流法測(cè)量，且是絕對(duì)測(cè)量，能針對(duì)多種類型的太陽能電池。本發(fā)明
為一套光電集成系統(tǒng)，集分光、微弱光電檢測(cè)、信號(hào)分析、微機(jī)接口控制于一體，具有高集成
度、精密的優(yōu)點(diǎn)，相比現(xiàn)有的交流測(cè)量法其成本要低，本發(fā)明的成本為一般交流測(cè)量法的設(shè)
備的三分之二左右；相比現(xiàn)有的交流測(cè)量法采用的對(duì)比測(cè)量，本發(fā)明所采用的絕對(duì)測(cè)量，測(cè)
量結(jié)果更為準(zhǔn)確。利用本發(fā)明，對(duì)各種類型的太陽能電池測(cè)量其單波長(zhǎng)外量子效率曲線，對(duì)
于研究人員進(jìn)行電池的工藝改進(jìn)，有著很大的指導(dǎo)意義。本發(fā)明減少了太陽能電池參數(shù)測(cè)
量設(shè)備的成本，克服傳統(tǒng)量子效率測(cè)量方法中的技術(shù)不足，提高信號(hào)強(qiáng)度與精度，能夠提供
更加全面的電池參數(shù)信息，用以指導(dǎo)制備工藝的改進(jìn)，以及進(jìn)行部分電池機(jī)理的研究。
圖1為本發(fā)明方法具體實(shí)現(xiàn)的測(cè)量裝置方框圖。 圖2(a)為由本發(fā)明方法得到的單晶硅太陽能電池光電流曲線。 圖2(b)為對(duì)應(yīng)圖2(a)的入射單色光功率曲線。 圖3為由本發(fā)明方法得到的單晶硅太陽能電池外量子效率曲線。 圖4(a)為由本發(fā)明方法得到的染料敏化太陽能電池光電流曲線。 圖4(b)為對(duì)應(yīng)圖4(a)的入射單色光功率曲線。 圖5為由本發(fā)明方法得到的染料敏化太陽能電池外量子效率曲線。
具體實(shí)施例方式如圖l，本發(fā)明方法包括以下步驟
6
1)、準(zhǔn)備測(cè)量裝置，包括氙燈光源1、聚焦透鏡2、單色儀5、單色光功率計(jì)、數(shù)字源 表9、微計(jì)算機(jī)10和樣品架8，聚焦透鏡2采用石英平凸透鏡，太陽能電池樣品7正負(fù)極短 接數(shù)字源表9，樣品架8設(shè)置在樣品室6內(nèi)，所述樣品室為用吸光材料做成暗室，屏蔽雜散 光，太陽能電池樣品7固定于樣品架8，樣品架8內(nèi)置電子溫控裝置； 2)、利用汞燈光譜的特征譜線校準(zhǔn)單色儀5，首先校準(zhǔn)0級(jí)，其次校準(zhǔn)1級(jí)任選一 條汞的特征譜線校準(zhǔn)； 3)、調(diào)節(jié)氙燈光源l，氙燈光源1出射平行光，經(jīng)石英平凸透鏡二次聚焦在單色儀5 的入射狹縫處，在氙燈光源1到單色儀5入射狹縫之間使用吸光材料構(gòu)建光路封閉倉4，對(duì) 聚焦透鏡到單色儀入射狹縫之間的光路進(jìn)行封閉，避免外界雜散光對(duì)光路的影響；單色儀 入射狹縫處設(shè)有多塊濾光片3，組成一個(gè)濾光片輪，用來消除二級(jí)光譜的影響，濾光片3由 單色儀5自身的操作軟件來控制其轉(zhuǎn)換；單色儀入射狹縫處的入射光經(jīng)單色儀5分光，分光 裝置為3塊互成60°夾角的閃耀光柵，得到的單色光匯聚后，由單色儀5的出射狹縫射出， 垂直入射到太陽能電池樣品7的光敏面上，同時(shí)固定太陽能電池樣品受光面積的大小，使 入射單色光覆蓋光敏面，單色儀的出射狹縫直接連接樣品室6，這里入射單色光是指單色儀 的輸出光； 4)、樣品架8內(nèi)置的電子控溫裝置保持測(cè)試溫度滿足25±2°C，為了測(cè)量的準(zhǔn)確， 樣品室6用吸光材料做成暗室，屏蔽雜散光； 5)、設(shè)定數(shù)字源表9工作于"電流測(cè)量"模式下，測(cè)量太陽能電池樣品7的短路光 電流；數(shù)字源表9必須滿足高精度的要求，測(cè)量范圍為-1A +1A ;在1 ii A量程下，測(cè)量分 辨率可達(dá)10pA，以達(dá)到檢測(cè)微弱信號(hào)的目的； 6)、確定單色儀5的掃描參數(shù)，包括波長(zhǎng)掃描范圍、掃描間隔和掃描次數(shù)，設(shè)定之 后，由微計(jì)算機(jī)10控制單色儀5進(jìn)行掃描，數(shù)字源表9檢測(cè)到的電壓降信號(hào)隨之存入微計(jì) 算機(jī)； 7)、將樣品架8上的太陽能電池調(diào)換為單色光功率計(jì)，單色光光斑覆蓋功率計(jì)探 頭的光敏面，但不超出，單色儀重復(fù)步驟6)的掃描，由單色光功率計(jì)得到的單色光功率值 存入微計(jì)算機(jī)10 ;由于該步驟和步驟6)是先后進(jìn)行，所以對(duì)單色儀5的重復(fù)性和氙燈光源 1的功率穩(wěn)定性有很高的要求，單色儀的重復(fù)性要求可達(dá)O. 05nm，氙燈光源的光抖動(dòng)要求 在1%以內(nèi)； 8)、根據(jù)數(shù)字源表9檢測(cè)到的短路光電流信號(hào)，結(jié)合步驟7)測(cè)得的單色光功率
值，在整個(gè)波長(zhǎng)掃描范圍內(nèi)，得到太陽能電池單波長(zhǎng)外量子效率，即入射單色光光電轉(zhuǎn)換效 率
iV 1240.; =力 sc 式中，EQE為太陽能電池單波長(zhǎng)外量子效率，IPCE為入射單色光光電轉(zhuǎn)換效率，Ne 為電子數(shù)，Np為入射單色光光子數(shù)，1^，單位PA，為太陽能電池短路光電流，Pin，單位P W， 為入射單色光功率，A m。n。，單位nm，為入射單色光波長(zhǎng)。 本發(fā)明的原理氙燈光源、聚焦透鏡、單色儀組成的光學(xué)部分提供一定強(qiáng)度的單色 光；光路封閉倉和暗室屏蔽雜散光，提供太陽能電池的工作環(huán)境；數(shù)字源表檢測(cè)樣品電池 的短路光電流；單色光功率計(jì)探測(cè)入射單色光的功率；微計(jì)算機(jī)集儀器控制、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能于一身；最后，依據(jù)外量子效率公式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到太陽能電池單波長(zhǎng)外 量子效率曲線。 下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 采用Newport 1000W氙燈光源作為入射光源，利用卓立漢光單色儀、Keithley數(shù) 字源表、Newport單色光功率計(jì)，在25±2°C的測(cè)試溫度下、在暗背景下，測(cè)量單晶硅太陽能 電池和染料敏化太陽能電池樣品在紫外至可見光波段范圍內(nèi)的單波長(zhǎng)外量子效率。
Newport 1000W氙燈光源的光抖動(dòng)小于1 % ，保證了這套設(shè)備的精度和穩(wěn)定性， 同時(shí)，1000W的輸出功率也保證了入射單色光具有較高的強(qiáng)度，利于信號(hào)的檢測(cè)。卓立漢 光單色儀具備高精度和可重復(fù)性，分辨率0. 05nm，波長(zhǎng)435. 8nm處，縫寬10 y m，準(zhǔn)確度 0. 2nm， 1200g/mm光柵，重復(fù)性0. 05nm。精密數(shù)字源表工作在"電流測(cè)量"模式下，測(cè)量范圍 為-1A +1A ;在1 ii A量程下，測(cè)量分辨率可達(dá)10pA，如此高的精度保證了此數(shù)字源表對(duì)微 弱信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)。整個(gè)過程，包括儀器的控制、信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理皆由微計(jì) 算機(jī)執(zhí)行。 1)利用汞燈光譜的特征譜線校準(zhǔn)單色儀，首先校準(zhǔn)O級(jí)，其次任選一條汞的特征 譜線，253. 65nm、313. 20nm、365. 48nm、404. 72nm、435. 84nm等進(jìn)行校準(zhǔn)；
2)打開氙燈光源，調(diào)試光路得到單色光，在暗室中把太陽能電池固定于樣品架， 單色光垂直入射至太陽能電池光敏面上，且盡量覆蓋。利用電子控溫裝置，使測(cè)試溫度在 25±2"的范圍內(nèi)； 3)啟用數(shù)字源表檢測(cè)太陽能電池樣品正負(fù)極間的短路光電流信號(hào)，數(shù)字源表工作 在"電流測(cè)量"模式下。設(shè)定單色儀的掃描參數(shù)，掃描完畢后數(shù)據(jù)存入微計(jì)算機(jī)。對(duì)于單晶 硅樣品，波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為300nm llOOnm，波長(zhǎng)掃描間隔設(shè)為lOnm ;對(duì)于染料敏化樣品， 波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為300nm 800nm，波長(zhǎng)掃描間隔設(shè)為lOnm ; 4)把樣品架上的電池樣品替換為單色光功率計(jì)，單色光垂直入射至功率計(jì)探頭光 敏面上，且盡量覆蓋。設(shè)定單色儀的掃描參數(shù)，設(shè)定值同步驟3)，掃描完畢后數(shù)據(jù)存入微計(jì) 算機(jī)； 5)根據(jù)步驟3)數(shù)字源表檢測(cè)到的短路光電流信號(hào)，再考慮到步驟4)測(cè)得的單色 光功率值。依據(jù)公式 <formula>formula see original document page 8</formula> 得到整個(gè)波長(zhǎng)掃描范圍內(nèi)太陽能電池單波長(zhǎng)外量子效率及其曲線。式中，Ne為電 子數(shù)；Np為入射單色光光子數(shù)；ISC(P A)為太陽能電池短路光電流；Pin(P W)為入射單色光 功率，、。n。(nm)為入射單色光波長(zhǎng)。數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖2、3、4、5。圖2(a)為由本發(fā)明方 法得到的單晶硅太陽能電池光電流曲線。圖2(b)為對(duì)應(yīng)圖2(a)的入射單色光功率曲線。 圖3為由本發(fā)明方法得到的單晶硅太陽能電池外量子效率曲線。圖4(a)為由本發(fā)明方法 得到的染料敏化太陽能電池光電流曲線。圖4(b)為對(duì)應(yīng)圖4(a)的入射單色光功率曲線。 圖5為由本發(fā)明方法得到的染料敏化太陽能電池外量子效率曲線。 現(xiàn)有太陽能電池單波長(zhǎng)量子效率的測(cè)量中很少有直流測(cè)量法方面的技術(shù)方案，而 主要采用的交流測(cè)量法。交流測(cè)量法存在一個(gè)較大的問題是，測(cè)量過程中光學(xué)斬波器的斬 波頻率會(huì)和太陽能電池的內(nèi)部電容產(chǎn)生耦合，尤其是對(duì)一些電容特性比較顯著的太陽能電池，比如染料敏化太陽能電池，影響測(cè)量結(jié)果，而本發(fā)明采用的直流測(cè)量法取消了光學(xué)斬波 器，從根本上消除了這一影響；另外一個(gè)問題是現(xiàn)有的交流測(cè)量法采用一塊已經(jīng)標(biāo)定過的 電池進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，這種方法容易產(chǎn)生二次誤差，特別是標(biāo)定的電池是否準(zhǔn)確還有待確認(rèn)； 本發(fā)明用單色光功率計(jì)直接獲得入射單色光光子數(shù)，用數(shù)字源表直接獲得電子數(shù)，從根本 上避免了測(cè)量中的不確定因素，因此測(cè)量準(zhǔn)確，使用的各種高精度儀器以及設(shè)置優(yōu)化參數(shù) 保證了測(cè)量的精度。
權(quán)利要求
一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法，其特征包括如下步驟1)、準(zhǔn)備測(cè)量裝置，包括氙燈光源、聚焦透鏡、單色儀、單色光功率計(jì)、數(shù)字源表、微計(jì)算機(jī)和樣品架，聚焦透鏡采用石英平凸透鏡，太陽能電池樣品正負(fù)極短接數(shù)字源表，樣品架設(shè)置在樣品室內(nèi)，所述樣品室為用吸光材料做成暗室，屏蔽雜散光，太陽能電池樣品固定于樣品架，樣品架內(nèi)置電子溫控裝置；2)、利用汞燈光譜的特征譜線校準(zhǔn)單色儀，首先校準(zhǔn)0級(jí)，其次校準(zhǔn)1級(jí)任選一條汞的特征譜線校準(zhǔn)；3)、調(diào)節(jié)氙燈光源，氙燈光源出射平行光，經(jīng)石英平凸透鏡二次聚焦在單色儀的入射狹縫處，在氙燈光源到單色儀入射狹縫之間使用吸光材料構(gòu)建光路封閉倉，對(duì)聚焦透鏡到單色儀入射狹縫之間的光路進(jìn)行封閉；入射光經(jīng)單色儀分光，分光裝置為3塊互成60°夾角的閃耀光柵，得到的單色光匯聚后，由單色儀的出射狹縫射出，垂直入射到太陽能電池樣品的光敏面上，同時(shí)固定太陽能電池樣品受光面積的大小，使入射單色光覆蓋光敏面，單色儀的出射狹縫直接連接樣品室，這里入射單色光是指單色儀的輸出光；4)、樣品架內(nèi)置的電子控溫裝置保持測(cè)試溫度滿足25±2℃；5)、設(shè)定數(shù)字源表工作于“電流測(cè)量”模式下，測(cè)量太陽能電池樣品的短路光電流；6)、確定單色儀的掃描參數(shù)，包括波長(zhǎng)掃描范圍、掃描間隔和掃描次數(shù)，設(shè)定之后，由微計(jì)算機(jī)控制單色儀進(jìn)行掃描，數(shù)字源表檢測(cè)到的信號(hào)隨之存入微計(jì)算機(jī)；7)、將樣品架上的太陽能電池調(diào)換為單色光功率計(jì)，單色光光斑覆蓋功率計(jì)探頭的光敏面，但不超出，單色儀重復(fù)步驟6)的掃描，由單色光功率計(jì)得到的單色光功率值存入微計(jì)算機(jī)；8)、根據(jù)步驟6)數(shù)字源表檢測(cè)到的短路光電流信號(hào)，及步驟7)測(cè)得的單色光功率值，在整個(gè)波長(zhǎng)掃描范圍內(nèi)，得到太陽能電池單波長(zhǎng)外量子效率，也即入射單色光光電轉(zhuǎn)換效率 <mrow><mi>EQE</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>IPCE</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>N</mi><mi>e</mi> </msub> <msub><mi>N</mi><mi>p</mi> </msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>1240</mn><mo>·</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>SC</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>in</mi></msub><mo>·</mo><msub> <mi>λ</mi> <mi>mono</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow>式中，EQE為太陽能電池單波長(zhǎng)外量子效率，IPCE為入射單色光光電轉(zhuǎn)換效率，Ne為電子數(shù)，Np為入射單色光光子數(shù)，ISC，單位μA，為太陽能電池短路光電流，Pin，單位μW，為入射單色光功率，λmono，單位nm，為入射單色光波長(zhǎng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法，其特征 是單色儀入射狹縫處設(shè)有多塊濾光片，組成一個(gè)濾光片輪，用來消除二級(jí)光譜的影響，濾光 片由單色儀自身的操作軟件來控制濾光片輪的轉(zhuǎn)換，即從一個(gè)濾光片轉(zhuǎn)到下一個(gè)濾光片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法，其 特征是數(shù)字源表測(cè)量范圍為-1A +1A ;在1 ii A量程下，測(cè)量分辨率10pA。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法，其 特征是步驟6)中，對(duì)于單晶硅太陽能電池樣品，波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為300nm 1100nm，波長(zhǎng)掃 描間隔設(shè)為10nm ;對(duì)于染料敏化太陽能電池樣品，波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為300nm 800nm，波長(zhǎng) 掃描間隔設(shè)為10nm。；步驟7)中單色光功率計(jì)的測(cè)量波段是200nm-1100nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法，其特征是步驟6)中，對(duì)于單晶硅太陽能電池樣品，波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為300nm 1100nm，波長(zhǎng)掃描間 隔設(shè)為10nm ;對(duì)于染料敏化太陽能電池樣品，波長(zhǎng)掃描范圍設(shè)為300nm 800nm，波長(zhǎng)掃描 間隔設(shè)為10nm。；步驟7)中單色光功率計(jì)的測(cè)量波段是200nm-1100nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法， 其特征是氙燈光源的光抖動(dòng)在1%以內(nèi)，輸出功率IOOOW;單色儀具備高精度和可重復(fù)性， 分辨率0. 05nm，波長(zhǎng)435. 8nm處，縫寬10 y m，準(zhǔn)確度0. 2nm， 1200g/mm光柵，重復(fù)性 0.05nm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法，其特征是氙燈光源的光抖動(dòng)在1%以內(nèi)，輸出功率1000W ;單色儀具備高精度和可重復(fù)性，分辨率0. 05nm，波長(zhǎng)435. 8nm處，縫寬10 ii m，準(zhǔn)確度0. 2nm， 1200g/mm光柵，重復(fù)性0. 05nm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法，其特征 是氙燈光源的光抖動(dòng)在1%以內(nèi)，輸出功率1000W ;單色儀具備高精度和可重復(fù)性，分辨率 0. 05nm，波長(zhǎng)435. 8nm處，縫寬10 ii m，準(zhǔn)確度0. 2nm， 1200g/mm光柵，重復(fù)性0. 05nm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法，其特征 是氙燈光源的光抖動(dòng)在1%以內(nèi)，輸出功率1000W ;單色儀具備高精度和可重復(fù)性，分辨率 0. 05nm，波長(zhǎng)435. 8nm處，縫寬10 ii m，準(zhǔn)確度0. 2nm， 1200g/mm光柵，重復(fù)性0. 05nm。
全文摘要
一種直流法絕對(duì)測(cè)量太陽能電池外量子效率的方法，由氙燈光源、聚焦透鏡、單色儀組成的光學(xué)部分提供單色光；光路封閉倉和暗室屏蔽雜散光，提供太陽能電池的工作環(huán)境；數(shù)字源表檢測(cè)樣品電池的短路光電流；單色光功率計(jì)探測(cè)入射單色光的功率；微計(jì)算機(jī)進(jìn)行儀器控制和數(shù)據(jù)處理；最后得到太陽能電池單波長(zhǎng)外量子效率曲線。本發(fā)明側(cè)重于直流法測(cè)量，且是絕對(duì)測(cè)量，適于多種類型的太陽能電池。本發(fā)明具有高集成度、精密的優(yōu)點(diǎn)，減少了太陽能電池參數(shù)測(cè)量設(shè)備的成本，克服傳統(tǒng)量子效率測(cè)量方法中的技術(shù)不足，提高信號(hào)強(qiáng)度與精度，能夠提供更加全面的電池參數(shù)信息，用以指導(dǎo)制備工藝的改進(jìn)，以及進(jìn)行部分電池機(jī)理的研究。
文檔編號(hào)G01R31/26GK101694511SQ20091023375
公開日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者于濤, 田志鵬, 田漢民, 薛國剛, 鄒志剛 申請(qǐng)人:南京大學(xué);