專(zhuān)利名稱(chēng)：一種太陽(yáng)能電池量子效率的直流測(cè)量裝置的制作方法
一種太陽(yáng)能電池量子效率的直流測(cè)量裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其是太陽(yáng)能電池量子效率的測(cè)試裝置。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(kāi)發(fā)與利用太陽(yáng)能等可再生能源已經(jīng)成為國(guó)際共識(shí)。近年來(lái)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng) 迅速，研發(fā)高性能太陽(yáng)能電池已成為重中之重。衡量太陽(yáng)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(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率就需要測(cè)量太陽(yáng)能電池在不同波長(zhǎng)單色 光下的量子效率。太陽(yáng)能電池的量子效率的測(cè)量是用一定強(qiáng)度的單色光照射太陽(yáng)能電池， 測(cè)量此時(shí)太陽(yáng)能電池的短路電流，然后依次改變單色光的波長(zhǎng)，再重復(fù)測(cè)量從而得到在各 個(gè)波長(zhǎng)下的短路電流，由此反映出太陽(yáng)能電池在不同波長(zhǎng)下的光電轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)能電池的量子效率是指太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)目與照射在太陽(yáng) 能電池表面的光子數(shù)目的比率，它與照射在太陽(yáng)能電池表面的各個(gè)波長(zhǎng)光的響應(yīng)有關(guān)。客 觀表征太陽(yáng)能電池的量子效率對(duì)于太陽(yáng)能電池的研究尤為重要，它是衡量太陽(yáng)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(cè)量可以得到太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍，可以區(qū)分出 不同波段的光對(duì)太陽(yáng)能電池短路電流的貢獻(xiàn)，因此它可以幫助辨認(rèn)出太陽(yáng)能電池對(duì)不同波 長(zhǎng)光的量子產(chǎn)額，對(duì)太陽(yáng)能電池性能的改進(jìn)有指導(dǎo)作用。對(duì)于太陽(yáng)能電池，在太陽(yáng)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(yáng)能電池量子效率測(cè) 試在太陽(yáng)能電池材料研究和太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵。目前，太陽(yáng)能電池量子效率的常規(guī)測(cè)試方法有兩種，第一種是比較法，第二種是分 步測(cè)量法。采用比較法測(cè)試太陽(yáng)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(cè)太陽(yáng)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(cāng)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(cè)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(cè)太陽(yáng)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(cè) 量待測(cè)太陽(yáng)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(cè)量 機(jī)構(gòu)中國(guó)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(cè)太陽(yáng)能 電池的量子效率。采用比較法測(cè)試太陽(yáng)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)太陽(yáng)能電池的短路電流，而在測(cè)量過(guò)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(huì)導(dǎo)致測(cè)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(huì)有漂移，需要重新校準(zhǔn)，否則，也 會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。
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采用分步測(cè)量法測(cè)試太陽(yáng)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(cè)器14、待測(cè)太陽(yáng)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(cāng)11內(nèi)，樣品架6安裝 在樣品室12內(nèi)，光強(qiáng)探測(cè)器14鑲嵌在樣品架6上，先使用光強(qiáng)探測(cè)器14測(cè)試單色儀4在 各波長(zhǎng)下射出的光強(qiáng)Pinl，然后將待測(cè)太陽(yáng)能電池8安裝在樣品架6上，使之擋住光強(qiáng)探測(cè) 器14，測(cè)量待測(cè)太陽(yáng)能電池8在相同波長(zhǎng)的光照下所產(chǎn)生的短路電流Is。，然后，通過(guò)計(jì)算公 式 得到待測(cè)太陽(yáng)能電池的量子效率。在分步測(cè)量法過(guò)程中外界因素的不穩(wěn)定性同樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。綜上所述，無(wú)論采用比較法還是分步測(cè)量法，都無(wú)法消除外界因素的不穩(wěn)定性對(duì) 測(cè)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(duì)測(cè)試結(jié)果都會(huì)產(chǎn)生影響。鑒于上述問(wèn)題，有必要提供一種能夠克服現(xiàn)有技術(shù)不足的測(cè)試太陽(yáng)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(yáng)能電池量子效率的直流測(cè)量裝置，它能利用同束光 源同時(shí)獲得光強(qiáng)探測(cè)器所檢測(cè)到的光強(qiáng)Pinl和待測(cè)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的短路電流Is。，消除了 外界環(huán)境因素對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的影響，能更客觀的反映被測(cè)太陽(yáng)能電池的量子效率，提高 了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下所述一種太陽(yáng)能電池量子效率的直流測(cè)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(cè)太陽(yáng)能電池、光強(qiáng)探測(cè)器、電流(電壓)放大器 和計(jì)算機(jī)，聚焦透鏡和濾光片設(shè)置在封閉倉(cāng)內(nèi)，樣品架、待測(cè)太陽(yáng)能電池和光強(qiáng)探測(cè)器均設(shè) 置在樣品室內(nèi)，光源、封閉倉(cāng)、單色儀、準(zhǔn)直透鏡和樣品室依次連接，單色儀和電流(電壓) 放大器與計(jì)算機(jī)電連接，其特征是在樣品室內(nèi)還設(shè)有分束鏡，待測(cè)太陽(yáng)能電池安裝在樣品 架上，且待測(cè)太陽(yáng)能電池和光強(qiáng)探測(cè)器相對(duì)于分束鏡垂直分布，光強(qiáng)探測(cè)器與計(jì)算機(jī)電連 接，待測(cè)太陽(yáng)能電池與電流(電壓)放大器電連接。進(jìn)一步，所述樣品室為用吸光材料做成的暗室，能屏蔽雜散光。進(jìn)一步，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(cè)試太陽(yáng) 能電池量子效率的公式為 式中，EQE為太陽(yáng)能電池單波長(zhǎng)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(yáng)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(zhǎng)，單位nm。由此可知，要測(cè)定太陽(yáng)能電池單波長(zhǎng)量子效率EQE，必須先測(cè) 得太陽(yáng)能電池短路電流Is。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(cè)量提供了一定強(qiáng)度的單 色光；光路封閉倉(cāng)和樣品室能屏蔽雜散光，提供太陽(yáng)能電池的測(cè)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(cè)太陽(yáng)能電池光敏面和光強(qiáng)探測(cè)器的光敏面上；電流 (電壓)放大器檢測(cè)待測(cè)太陽(yáng)能電池的短路電流Is。；通過(guò)光強(qiáng)探測(cè)器所測(cè)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(cè)太陽(yáng)能電池表面的光功率Pin ；計(jì)算機(jī)集信號(hào)采 集、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理，得到待測(cè)太陽(yáng)能電池的量子效率。本發(fā)明側(cè)重于消除光源的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量太陽(yáng)能電池量子效率帶來(lái)的影響，使用 的是直流法絕對(duì)測(cè)量，同時(shí)測(cè)得待測(cè)太陽(yáng)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(duì)測(cè)試結(jié)果帶來(lái)的影響；它能對(duì)各種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池測(cè)進(jìn)行測(cè) 量。本發(fā)明是一套光電集成測(cè)試系統(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 體的太陽(yáng)能電池量子效率的測(cè)量裝置，它具有高集成度、精密、測(cè)試速度快的優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明 能克服傳統(tǒng)量子效率測(cè)量方法中的技術(shù)不足，利用本發(fā)明，能測(cè)量各種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池 量子效率，對(duì)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(cè)試設(shè)備的組成及其連接示意圖；圖2為分步測(cè)量法所用測(cè)試設(shè)備的組成及其連接示意圖；圖3為本發(fā)明的測(cè)試設(shè)備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(cè)太陽(yáng)能電池；9-電流(電壓)放大器；10-計(jì)算機(jī)；11-封閉倉(cāng)；12-樣品室； 13-分束鏡；14-光強(qiáng)探測(cè)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(shuō)明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式所述一種太陽(yáng)能電池量子效率的直流測(cè)量裝置，如圖3所示，它由光源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(cè)太陽(yáng)能電池8、光強(qiáng)探測(cè)器 14、電流(電壓)放大器9和計(jì)算機(jī)10組成，所述聚焦透鏡2為石英聚焦透鏡，聚焦透鏡2 和濾光片3設(shè)置在封閉倉(cāng)11內(nèi)，分束鏡13、樣品架6、待測(cè)太陽(yáng)能電池8和光強(qiáng)探測(cè)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(cè)太 陽(yáng)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(cè)太陽(yáng)能電池8和光強(qiáng) 探測(cè)器14相對(duì)于分束鏡13垂直分布，光源1、封閉倉(cāng)11、單色儀4、準(zhǔn)直透鏡5和樣品室12 依次連接，單色儀4和光強(qiáng)探測(cè)器14與計(jì)算機(jī)10電連接，待測(cè)太陽(yáng)能電池8產(chǎn)生的短路電 流信號(hào)輸入電流(電壓)放大器9后與計(jì)算機(jī)10電連接。上述測(cè)量裝置的具體測(cè)量方法如下
第一步，測(cè)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、分 束鏡13、樣品架6、待測(cè)太陽(yáng)能電池8、光強(qiáng)探測(cè)器14、電流(電壓)放大器9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(jí)，其 次校準(zhǔn)1級(jí)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(cāng) 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(zhǎng) 由計(jì)算機(jī)10自動(dòng)切換，用來(lái)消除多級(jí)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進(jìn)入樣品室12 ；第四步，將待測(cè)太陽(yáng)能電池8安裝在樣品架6上，并將待測(cè)太陽(yáng)能電池8的正負(fù)極 接入電流(電壓)放大器9，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(cè)試溫度滿(mǎn)足25士2°C要求；第五步，在樣品室12內(nèi)，準(zhǔn)直后的單色光經(jīng)分束鏡13分成兩束，其中一束光垂直 入射到光強(qiáng)探測(cè)器14上，單色光光斑覆蓋光強(qiáng)探測(cè)器14的光敏面，但不超出；另一束光垂 直入射到待測(cè)太陽(yáng)能電池8的光敏面上；第六步，使用電流(電壓)放大器9測(cè)量待測(cè)太陽(yáng)能電池8的短路電流Is。；使用 光強(qiáng)探測(cè)器14探測(cè)入射到該光強(qiáng)探測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)下，電流(電壓)放大器9測(cè)到的 短路電流Is。信號(hào)和光強(qiáng)探測(cè)器14探測(cè)到的光強(qiáng)Pinl信號(hào)均存入計(jì)算機(jī)10 ；第八步，根據(jù)上步中電流(電壓)放大器9檢測(cè)到的短路電流信號(hào)Is。；通過(guò)光強(qiáng) 探測(cè)器14所測(cè)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(cè)太陽(yáng)能電池8 表面的光功率Pin，通過(guò)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(yáng)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(lái)的影響，使用電流(電壓)放大器9測(cè)量待測(cè)太陽(yáng)能電 池的短路電流的同時(shí)，使用光強(qiáng)探測(cè)器14探測(cè)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(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；2)、測(cè)試速度快，由于測(cè)試過(guò)程是同時(shí)測(cè)得待測(cè)太陽(yáng)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(cè)器(或標(biāo)準(zhǔn)樣品)和待測(cè)太陽(yáng)能電池之間切換，測(cè)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(duì)測(cè)量，對(duì)太陽(yáng)能電池的短路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)比法的間接測(cè)量，避免了二次誤差；4)、適用范圍廣，適用于各種類(lèi)型的太陽(yáng)能電池量子效率的測(cè)量；5)、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)與處理均由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。
權(quán)利要求
一種太陽(yáng)能電池量子效率的直流測(cè)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(cè)太陽(yáng)能電池(8)、光強(qiáng)探測(cè)器(14)、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)放置在封閉倉(cāng)(11)內(nèi)，樣品架(6)、待測(cè)太陽(yáng)能電池(8)和光強(qiáng)探測(cè)器(14)均設(shè)置在樣品室(12)內(nèi)，光源(1)、封閉倉(cāng)(11)、單色儀(4)、準(zhǔn)直透鏡(5)和樣品室(12)依次連接，單色儀(4)和電流(電壓)放大器(9)與計(jì)算機(jī)(10)電連接，其特征是在樣品室(12)內(nèi)還設(shè)有分束鏡(13)，待測(cè)太陽(yáng)能電池(8)安裝在樣品架(6)上，且待測(cè)太陽(yáng)能電池(8)和光強(qiáng)探測(cè)器(14)相對(duì)于分束鏡(13)垂直分布，光強(qiáng)探測(cè)器(14)與計(jì)算機(jī)(10)電連接，待測(cè)太陽(yáng)能電池(8)與電流(電壓)放大器(9)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種太陽(yáng)能電池量子效率的直流測(cè)量裝置，其特征是所述聚 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；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種太陽(yáng)能電池量子效率的直流測(cè)量裝置，其特征是所述樣 品室(12)為由吸光材料做成的暗室。
全文摘要
一種太陽(yáng)能電池量子效率的直流測(cè)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(cè)太陽(yáng)能電池、光強(qiáng)探測(cè)器、電流放大器和計(jì)算機(jī)，待測(cè)太陽(yáng)能電池安裝在樣品架上，待測(cè)太陽(yáng)能電池和光強(qiáng)探測(cè)器相對(duì)于分束鏡垂直分布，光源、封閉倉(cāng)、單色儀、準(zhǔn)直透鏡和樣品室依次連接，單色儀和光強(qiáng)探測(cè)器與計(jì)算機(jī)電連接，待測(cè)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的短路電流信號(hào)輸入電流放大器后與計(jì)算機(jī)電連接，它能利用同束光源同時(shí)獲得光強(qiáng)探測(cè)器所檢測(cè)到的光強(qiáng)Pin1和待測(cè)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的短路電流Isc，消除了外界環(huán)境因素對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的影響，能更客觀的反映被測(cè)太陽(yáng)能電池的量子效率，提高了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
文檔編號(hào)G01J1/42GK101893680SQ20101021016
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)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(qǐng)人:常州億晶光電科技有限公司