專利名稱：一種太陽能電池量子效率的交流測量裝置及其使用方法
一種太陽能電池量子效率的交流測量裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電池生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是太陽能電池量子效率的測試技術(shù)。背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)日益突出，保護(hù)生態(tài)環(huán)境逐漸受到人們的重視。目前，加 快開發(fā)與利用太陽能等可再生能源已經(jīng)成為國際共識。近年來，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長 迅速，研發(fā)高性能太陽能電池已成為重中之重。衡量太陽能電池質(zhì)量的好壞，最關(guān)鍵的指標(biāo) 是光電轉(zhuǎn)換效率。要獲得太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率就需要測量太陽能電池在不同波長單色 光下的量子效率。太陽能電池的量子效率的測量是用一定強(qiáng)度的單色光照射太陽能電池， 測量此時(shí)太陽能電池的短路電流，然后依次改變單色光的波長，再重復(fù)測量從而得到在各 個(gè)波長下的短路電流，由此反映出太陽能電池在不同波長下的光電轉(zhuǎn)換效率。太陽能電池的量子效率是指太陽能電池產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目與照射在太陽 能電池表面的光子數(shù)目的比率，它與照射在太陽能電池表面的各個(gè)波長光的響應(yīng)有關(guān)?？?觀表征太陽能電池的量子效率對于太陽能電池的研究尤為重要，它是衡量太陽能電池光電 轉(zhuǎn)換效率最重要的參數(shù)之一。由于量子效率的測量可以得到太陽能電池對太陽光的波長響應(yīng)范圍，可以區(qū)分出 不同波段的光對太陽能電池短路電流的貢獻(xiàn)，因此它可以幫助辨認(rèn)出太陽能電池對不同波 長光的量子產(chǎn)額，對太陽能電池性能的改進(jìn)有指導(dǎo)作用。對于太陽能電池，在太陽光譜組成 分布較強(qiáng)的光譜位置上具有最好的光譜響應(yīng)是極其重要的，所以，太陽能電池量子效率測 試在太陽能電池材料研究和太陽能電池設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵。目前，太陽能電池量子效率的常規(guī)測試方法有兩種，第一種是比較法，第二種為分 步測量法。采用比較法測試太陽能電池量子效率的裝置如圖1所示它包括光源1、聚焦透鏡 2、濾光片3、單色儀4、準(zhǔn)直透鏡5、樣品架6、標(biāo)準(zhǔn)樣品7、待測太陽能電池8、電流(電壓) 放大器9和計(jì)算機(jī)10，聚焦透鏡2和濾光片3設(shè)置在封閉倉11內(nèi)，樣品架6安裝在樣品室 12內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)樣品7鑲嵌在樣品架6上，先測量標(biāo)準(zhǔn)樣品7在單色儀4分光后的單色光光照條 件下的短路電流，然后，將待測太陽能電池8安裝在樣品架6上，使之擋住標(biāo)準(zhǔn)樣品7，再測 量待測太陽能電池8的短路電流，由于標(biāo)準(zhǔn)樣品7的量子效率參數(shù)是已知的，它由權(quán)威測量 機(jī)構(gòu)中國計(jì)量院進(jìn)行標(biāo)定，因此只要將先后獲得的短路電流做比較，就能得出待測太陽能 電池的量子效率。采用比較法測試太陽能電池量子效率的現(xiàn)有儀器存在如下缺陷1)由于需要先后測試標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測太陽能電池的短路電流，而在測量過程中外 界因素是不穩(wěn)定的例如環(huán)境溫度，濕度、雜散光、噪音、地面震動(dòng)等，特別是光源功率、光譜 穩(wěn)定性不夠，因此會導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。2)標(biāo)準(zhǔn)樣品在使用一段時(shí)間后，其量子效率也會有漂移，需要重新校準(zhǔn)，否則，也 會導(dǎo)致測試結(jié)果不準(zhǔn)確。
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采用分步測量法測試太陽能電池量子效率的現(xiàn)有裝置如圖2所示包括光源1、聚 焦透鏡2、濾光片3、單色儀4、準(zhǔn)直透鏡5、樣品架6、光強(qiáng)探測器14、待測太陽能電池8、電流 (電壓)放大器9和計(jì)算機(jī)10，聚焦透鏡2和濾光片3設(shè)置在封閉倉11內(nèi)，樣品架6安裝 在樣品室12內(nèi)，光強(qiáng)探測器14鑲嵌在樣品架6上，先使用光強(qiáng)探測器14測試單色儀4在 各波長下射出的光強(qiáng)Pinl，然后將待測太陽能電池8安裝在樣品架6上，使之擋住光強(qiáng)探測 器14，測量待測太陽能電池8在相同波長的光照下所產(chǎn)生的短路電流Is。，然后，通過計(jì)算公 式 得到待測太陽能電池的量子效率。在分步測量法過程中外界因素的不穩(wěn)定性同樣會導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。綜上所述，無論采用比較法還是分步測量法，都無法消除外界因素的不穩(wěn)定性對 測量準(zhǔn)確性影響，例如環(huán)境溫度，濕度、雜散光、噪音、地面震動(dòng)等，特別是光源功率、光譜的 不穩(wěn)定性對測試結(jié)果都會產(chǎn)生影響。鑒于上述問題，有必要提供一種能夠克服現(xiàn)有技術(shù)不足的測試太陽能電池量子效
率的裝置。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種太陽能電池量子效率的交流測量裝置及其使用方法，它 能同時(shí)獲得光強(qiáng)探測器所檢測到的光強(qiáng)Pinl和待測太陽能電池產(chǎn)生的短路電流Is。，能消除 外界環(huán)境因素對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響，更客觀的反映被測太陽能電池的量子效率；由于太 陽能電池的短路電流信號比較微弱，使用了斬波器和鎖相放大器，采用交流法測量，進(jìn)一步 提高了測試結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性。本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下所述一種太陽能電池量子效率的交流測量裝置，如圖3所示，它包括光源、聚焦透 鏡、濾光片、單色儀、準(zhǔn)直透鏡、樣品架、待測太陽能電池和計(jì)算機(jī)，聚焦透鏡和濾光片放置 在封閉倉內(nèi)，待測太陽能電池安裝在樣品架上，并設(shè)置在樣品室內(nèi)，光源、封閉倉、單色儀、 準(zhǔn)直透鏡和樣品室依次連接，單色儀與計(jì)算機(jī)電連接，其特征是在準(zhǔn)直透鏡和樣品室之間 設(shè)有斬波器，在樣品室內(nèi)還設(shè)有分束鏡和光強(qiáng)探測器，且待測太陽能電池和光強(qiáng)探測器相 對于分束鏡垂直分布，光強(qiáng)探測器和與計(jì)算機(jī)電連接；斬波器和待測太陽能電池均與鎖相 放大器電連接；鎖相放大器與計(jì)算機(jī)電連接；所述樣品室為用吸光材料做成暗室，它能屏 蔽雜散光；所述聚焦透鏡為石英聚焦透鏡，在樣品架內(nèi)設(shè)有電子控溫裝置。測試太陽能電池量子效率的公式為 式中，EQE為太陽能電池單波長量子效率，Ne為光照后產(chǎn)生的電子數(shù)目；Np為入射 單色光光子數(shù)；1%為太陽能電池短路電流，單位P A ;Pin為入射單色光功率，單位y W ；入_。為入射單色光波長，單位nm。由此可知，要測定太陽能電池單波長量子效率EQE，必須先測 得太陽能電池短路電流Ise和入射單色光功率Pin。在本發(fā)明中，光源、聚焦透鏡、單色儀組成的光學(xué)部分為測量提供了一定強(qiáng)度的單 色光；光路封閉倉和樣品室能屏蔽雜散光，提供太陽能電池的測試環(huán)境；分束鏡能將單色 儀射出的光分成兩束，分別照射在待測太陽能電池光敏面和光強(qiáng)探測器的光敏面上；鎖相 放大器檢測待測太陽能電池的短路電流Is。；通過光強(qiáng)探測器所測得的光強(qiáng)Pinl，再根據(jù)分 束鏡的分束比可以獲得入射到待測太陽能電池表面的光功率Pin ；計(jì)算機(jī)集信號采集、數(shù)據(jù) 處理、存儲功能和儀器控制于一身；最后，計(jì)算機(jī)根據(jù)量子效率公式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到 待測太陽能電池的量子效率。斬波器和鎖相放大器的使用，可以提高測量微弱信號的精度； 本發(fā)明側(cè)重于消除光源的不穩(wěn)定性對測量太陽能電池量子效率帶來的影響，使用的是交流 法絕對測量，同時(shí)測得待測太陽能電池的短路電流Is。和入射光功率Pin，能有效消除外界環(huán) 境的不穩(wěn)定性對測試結(jié)果帶來的影響；它能對各種類型的太陽能電池測進(jìn)行測量。本發(fā)明 是一套光電集成測試系統(tǒng)，集分光、微弱光電檢測、信號分析、微機(jī)接口控制于一體的太陽 能電池量子效率的測量裝置，它具有高集成度、精密、測試速度快的優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明能克服傳 統(tǒng)量子效率測量方法中的技術(shù)不足，利用本發(fā)明，能測量各種類型的太陽能電池量子效率， 對于研究人員進(jìn)行電池制備工藝的改進(jìn)，以及部分電池機(jī)理的研究有著很大的指導(dǎo)意義。

圖1為比較法所用測試設(shè)備的組成及其連接示意圖；圖2為分步測量法所用測試設(shè)備的組成及其連接示意圖；圖3為本發(fā)明所用測試設(shè)備的組成及其連接示意圖。圖中1_光源；2-聚焦透鏡；3-濾光片；4-單色儀；5-準(zhǔn)直透鏡；6_樣品架；7_標(biāo) 準(zhǔn)樣品；8-待測太陽能電池；9-電流(電壓)放大器；10-計(jì)算機(jī)；11-封閉倉；12-樣品室； 13-分束鏡；14-光強(qiáng)探測器；15-斬波器；16-鎖相放大器；其中，電流(電壓)放大器是指 電流放大器或電壓放大器。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式所述一種太陽能電池量子效率的交流測量裝置，如圖3所示，包括光源1、聚焦透 鏡2、濾光片3、單色儀4、準(zhǔn)直透鏡5、分束鏡13、樣品架6、待測太陽能電池8、光強(qiáng)探測器 14、斬波器15、鎖相放大器16和計(jì)算機(jī)10，聚焦透鏡2和濾光片3置于封閉倉11內(nèi)，所述 聚焦透鏡2為石英聚焦透鏡；分束鏡13、樣品架6、待測太陽能電池8和光強(qiáng)探測器14均設(shè)置在樣品室12內(nèi)， 所述樣品室12為用吸光材料做成的暗室，它能屏蔽雜散光，待測太陽能電池8安裝在樣品 架6上，在樣品架6內(nèi)設(shè)有電子控溫裝置；待測太陽能電池8和光強(qiáng)探測器14相對于分束 鏡13垂直分布，光源1、封閉倉11、單色儀4、準(zhǔn)直透鏡5、斬波器15和樣品室12依次連接， 單色儀4和光強(qiáng)探測器14與計(jì)算機(jī)10電連接；斬波器15與鎖相放大器16電連接；待測太 陽能電池8產(chǎn)生的短路電流信號輸入鎖相放大器16后與計(jì)算機(jī)10電連接。本發(fā)明的使用方法如下
第一步，測量裝置的準(zhǔn)備，將光源1、聚焦透鏡2、濾光片3、單色儀4、準(zhǔn)直透鏡5、斬 波器15、分束鏡13、樣品架6、待測太陽能電池8、光強(qiáng)探測器14、鎖相放大器16和計(jì)算機(jī) 10按圖3所示順序排列安裝好；第二步，校準(zhǔn)單色儀4，利用汞燈光譜的特征譜線校準(zhǔn)單色儀4，首先校準(zhǔn)0級，其 次校準(zhǔn)1級可任選一條汞的特征譜線校準(zhǔn)；第三步，調(diào)節(jié)光源1，經(jīng)聚焦透鏡2聚焦在單色儀4的入射狹縫處，在光源1到聚 焦透鏡2之間和聚焦透鏡2到單色儀4入射狹縫之間的光路使用吸光材料構(gòu)建光路封閉倉 11 ；單色儀4入射狹縫處設(shè)有多塊濾光片3，組成一個(gè)濾光片輪，根據(jù)單色儀4的輸出波長 由計(jì)算機(jī)10自動(dòng)切換，用來消除多級光譜的影響。入射光經(jīng)單色儀4分光后，由單色儀4 的出射狹縫射出，然后經(jīng)準(zhǔn)直透鏡5和斬波器15后進(jìn)入樣品室12 ；第四步，將待測太陽能電池8安裝在樣品架6上，并將待測太陽能電池8產(chǎn)生的短 路電流信號輸入鎖相放大器16，樣品架6放置于樣品室12內(nèi)，在樣品架6內(nèi)設(shè)有電子控溫 裝置，保持測試溫度滿足25士2°C要求；第五步，在樣品室12內(nèi)，經(jīng)斬波器15調(diào)制后的準(zhǔn)直單色光經(jīng)分束鏡13分成兩束， 其中一束光垂直入射到光強(qiáng)探測器14上，單色光光斑覆蓋光強(qiáng)探測器14的光敏面，但不超 出；另一束光垂直入射到待測太陽能電池8的光敏面上；第六步，使用鎖相放大器16測量待測太陽能電池8的短路電流Is。；使用光強(qiáng)探測 器14探測入射到該光強(qiáng)探測器14光敏面上的光強(qiáng)Pinl ；第七步，確定單色儀4的掃描參數(shù)，包括波長掃描范圍、掃描間隔和掃描次數(shù)，設(shè) 定之后，由計(jì)算機(jī)10控制單色儀4進(jìn)行掃描，在每個(gè)波長下，鎖相放大器16測到的短路電 流信號和光強(qiáng)探測器14探測到的光強(qiáng)信號均存入計(jì)算機(jī)10 ；第八步，根據(jù)上步中鎖相放大器16檢測到的短路電流信號Is。；通過光強(qiáng)探測器14 所測得的光強(qiáng)Pinl，再根據(jù)分束鏡13的分束比可以獲得入射到待測太陽能電池8表面的光 功率Pin，通過量子效率的計(jì)算公式 得到整個(gè)光波掃描范圍內(nèi)太陽能電池的量子效率。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)1)、能消除光源不穩(wěn)定帶來的影響，使用鎖相放大器16測量待測太陽能電池的短 路電流的同時(shí)，使用光強(qiáng)探測器14探測入射單色光功率，消除了外界環(huán)境因素的不穩(wěn)定 性，尤其是光源功率的不穩(wěn)定性對測試結(jié)果的影響；使用了斬波器和鎖相放大器，采用交流 法，進(jìn)一步提高了測試的精度。2)、測試速度快，由于測試過程是同時(shí)測得待測太陽能電池的短路電流和入射單 色光功率，不需要在光強(qiáng)探測器(或標(biāo)準(zhǔn)樣品)和待測太陽能電池之間切換，測試速度更 快，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)、逐點(diǎn)在電腦上輸出，更直觀。3)、絕對測量，對太陽能電池的短路電流和入射單色光功率進(jìn)行直接的絕對測量， 不同于現(xiàn)有的對比法的間接測量，避免了二次誤差；4)、適用范圍廣，適用于各種類型的太陽能電池量子效率的測量；
5)、高集成度，本發(fā)明作為一個(gè)光電探測系統(tǒng)，儀器的運(yùn)行控制、信號的采集、數(shù)據(jù) 的存儲與處理均由計(jì)算機(jī)來完成。
權(quán)利要求
一種太陽能電池量子效率的交流測量裝置，它包括光源(1)、聚焦透鏡(2)、濾光片(3)、單色儀(4)、準(zhǔn)直透鏡(5)、樣品架(6)、待測太陽能電池(8)和計(jì)算機(jī)(10)，聚焦透鏡(2)和濾光片(3)放置在封閉倉(11)內(nèi)，待測太陽能電池(8)安裝在樣品架(6)上，并設(shè)置在樣品室(12)內(nèi)，光源(1)、封閉倉(11)、單色儀(4)、準(zhǔn)直透鏡(5)和樣品室(12)依次連接，單色儀(4)與計(jì)算機(jī)(10)電連接，其特征是在準(zhǔn)直透鏡(5)和樣品室(12)之間設(shè)有斬波器(15)，在樣品室(12)內(nèi)還設(shè)有分束鏡(13)和光強(qiáng)探測器(14)，且待測太陽能電池(8)和光強(qiáng)探測器(14)相對于分束鏡(13)垂直分布，光強(qiáng)探測器(14)和與計(jì)算機(jī)(10)電連接；斬波器(15)和待測太陽能電池(8)均與鎖相放大器(16)電連接；鎖相放大器(16)與計(jì)算機(jī)(10)電連接；所述樣品室(12)為用吸光材料做成的暗室；所述聚焦透鏡(2)為石英聚焦透鏡；在樣品架(6)內(nèi)設(shè)有電子控溫裝置。
2.權(quán)利要求1所述太陽能電池量子效率的交流測量裝置的使用方法如下第一步，測量裝置的準(zhǔn)備，將光源(1)、聚焦透鏡(2)、濾光片(3)、單色儀(4)、準(zhǔn)直透鏡 (5)、斬波器(15)、分束鏡(13)、樣品架(6)、待測太陽能電池(8)、光強(qiáng)探測器(14)、鎖相放 大器(16)和計(jì)算機(jī)(10)按圖3所示順序排列安裝好；第二步，校準(zhǔn)單色儀(4)，利用汞燈光譜的特征譜線校準(zhǔn)單色儀(4)，首先校準(zhǔn)0級，其 次校準(zhǔn)1級可任選一條汞的特征譜線校準(zhǔn)；第三步，調(diào)節(jié)光源(1)，經(jīng)聚焦透鏡(2)聚焦在單色儀(4)的入射狹縫處，在光源(1) 到聚焦透鏡⑵之間和聚焦透鏡⑵到單色儀⑷入射狹縫之間的光路使用吸光材料構(gòu)建 光路封閉倉(11)；單色儀(4)入射狹縫處設(shè)有多塊濾光片(3)，組成一個(gè)濾光片輪，根據(jù)單 色儀(4)的輸出波長由計(jì)算機(jī)(10)自動(dòng)切換，用來消除多級光譜的影響。入射光經(jīng)單色儀(4)分光后，由單色儀(4)的出射狹縫射出，然后經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(5)和斬波器(15)后進(jìn)入樣品 室(12)；第四步，將待測太陽能電池(8)安裝在樣品架(6)上，并將待測太陽能電池(8)產(chǎn)生的 短路電流信號輸入鎖相放大器(16)，樣品架(6)放置于樣品室(12)內(nèi)，在樣品架(6)內(nèi)設(shè) 有電子控溫裝置，保持測試溫度滿足25士2°C要求；第五步，在樣品室(12)內(nèi)，經(jīng)斬波器(15)調(diào)制后的準(zhǔn)直單色光經(jīng)分束鏡(13)分成兩 束，其中一束光垂直入射到光強(qiáng)探測器(14)上，單色光光斑覆蓋光強(qiáng)探測器(14)的光敏 面，但不超出；另一束光垂直入射到待測太陽能電池(8)的光敏面上；第六步，使用鎖相放大器(16)測量待測太陽能電池(8)的短路電流Is。；使用光強(qiáng)探測 器(14)探測入射到該光強(qiáng)探測器(14)光敏面上的光強(qiáng)Pinl ；第七步，確定單色儀(4)的掃描參數(shù)，包括波長掃描范圍、掃描間隔和掃描次數(shù)，設(shè)定 之后，由計(jì)算機(jī)(10)控制單色儀(4)進(jìn)行掃描，在每個(gè)波長下，鎖相放大器(16)測到的短 路電流信號和光強(qiáng)探測器(14)探測到的光強(qiáng)信號均存入計(jì)算機(jī)(10)；第八步，根據(jù)上步中鎖相放大器(16)檢測到的短路電流信號Is。；通過光強(qiáng)探測器(14) 所測得的光強(qiáng)Pinl，再根據(jù)分束鏡(13)的分束比可以獲得入射到待測太陽能電池(8)表面 的光功率Pin，通過量子效率的計(jì)算公式 得到整個(gè)光波掃描范圍內(nèi)太陽能電池的量子效率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能電池量子效率的交流測量裝置及其使用方法，該測量裝置包括光源、聚焦透鏡、濾光片、單色儀、準(zhǔn)直透鏡、分束鏡、樣品架、待測太陽能電池、光強(qiáng)探測器、斬波器、鎖相放大器和計(jì)算機(jī)，待測太陽能電池和光強(qiáng)探測器相對于分束鏡垂直分布，光源、封閉倉、單色儀、準(zhǔn)直透鏡、斬波器和樣品室依次連接，單色儀和光強(qiáng)探測器與計(jì)算機(jī)電連接；斬波器與鎖相放大器電連接；待測太陽能電池通過鎖相放大器與計(jì)算機(jī)電連接。它能同時(shí)獲得光強(qiáng)探測器的光強(qiáng)Pin1和待測太陽能電池的短路電流Isc，消除了外界環(huán)境因素對測試結(jié)果的影響，能更客觀的反映被測太陽能電池的量子效率。
文檔編號G01R31/26GK101871992SQ201010210150
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者魏慎金 申請人:常州億晶光電科技有限公司