專利名稱：用于測量光伏太陽能電池光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)的設備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電半導體技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于對光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)進行測量的設備及方法。
背景技術(shù)：
能源、環(huán)境和資源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。預計2050年，地球人口將達到120億。伴隨經(jīng)濟的增長，全球能量消耗總量將為28TW。目前全球用量約14TW，能源缺口為14TW。太陽能作為清潔的可再生能源是解決這些問題的最佳途徑之一。太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為可以利用的電能，是利用太陽能資源的有效手段之一。低成本、高效率的太陽能電池可以滿足未來對能源的需求。
新一代有機太陽能電池可以提供廉價的發(fā)電技術(shù)，非常有希望替代目前使用的硅基太陽能電池。有機太陽能電池按照半導體的材料可以分為P-N異質(zhì)結(jié)有機薄膜太陽能電池和染料敏化納米晶太陽能電池(dye-sensitized solar cells)等。例如,染料敏化納米晶太陽能電池(縮寫為DSSC)所用的材料價格低廉，制作工藝相對簡單，制備成本低，設備投資少，而且使用壽命長，性能穩(wěn)定，在生產(chǎn)、制作和使用過程中沒有污染和毒害作用。以染料敏化太陽能電池為例，對于這類新型有機太陽能電池，當光子被敏化劑吸收后，電荷在TiO2納米晶/敏化劑界面進行分離，電子由染料注入半導體導帶，并由其收集、傳輸?shù)酵怆娐?，完成電流回路。近年來隨著染料的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，如采用寬光譜吸收敏化劑，光譜響應從可見光區(qū)拓展到涵蓋從紫外到近紅外的大部分區(qū)域，充分利用太陽光中大部分光譜能量可以有效提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率。發(fā)生在染料敏化納米晶異質(zhì)結(jié)界面的電荷傳遞過程及其電荷在納米半導體材料中的傳輸過程特性直接決定了器件的性能。研究和表征這兩個動力學過程對提高DSSC等電池的光電轉(zhuǎn)換效率具有實際意義。通常電荷在納米半導體材料中的傳輸過程可以通過電子傳輸壽命τ c或電子擴散系數(shù)Dn進行表征，其中TC表示電子在納米晶傳輸過程中的平均存在時間，TC越小，電子傳輸越快，傳輸性能越好；Dn表示電子在納米晶中的表觀擴散系數(shù)，用于反映電子擴散能力的大小。電荷在異質(zhì)結(jié)界面的傳輸過程可以通過電子復合壽命Te來表征，其中Te表示電子在異質(zhì)晶中的平均存在時間，Te越大，則電子復合越慢。此外，其他一些相關(guān)特性參數(shù)包括擴散長度L、化學電容C、表面態(tài)密度DOS等，其中擴散長度L表示光生載流子在納米晶中的平均擴散距離；化學電容C表示當電勢變化IV時電池對應的電荷變化量，它可以用來反映電池半導體電極的表面態(tài)密度DOS ;表面態(tài)密度DOS用于表示電池半導體電極的能帶結(jié)構(gòu)和表面態(tài)密度分布。因此，以上這些特性參數(shù)可以有效表征電池光電轉(zhuǎn)換的能力，并用來對電池產(chǎn)品的實際性能做出準確評估。例如，電子傳輸壽命與電子復合壽命兩者之間的競爭關(guān)系可以用來表明器件對光致電荷的收集效率。τη越大，Tc越小，則DSSC等電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高。有鑒于此，對這些光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)進行測量有極其重要的意義，因為一方面可以根據(jù)測量結(jié)果來獲知電池產(chǎn)品的實際性能尤其是電池傳輸和界面復合兩方面的性能性能，另一方面能夠相應對電池的制造工藝、組成元件類型、具體應用環(huán)境等方面進行適當調(diào)整，例如對TiO2納米晶體的摻雜、燒結(jié)溫度的選擇，吸光材料的分子化學修飾，表面修飾劑的選擇，以及電解液中添加劑的選擇等，由此盡可能地發(fā)揮包括染料敏化電池在內(nèi)的光伏太陽能電池的最大 效能。此外，除了染料敏化電池之外，上述光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)對于有機小分子太陽能電池、量子點太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池等其他類型電池，以及P-N異質(zhì)結(jié)有機薄膜太陽能電池等同樣具備類似的意義?，F(xiàn)有技術(shù)中，針對這些光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)進行測量的方式主要為準平衡態(tài)測試法。所謂準平衡態(tài)測試法，這種測試方法首先需要在研究對象內(nèi)部建立準平衡態(tài)(通過外加恒定的偏置電壓或偏置光照)，然后給研究對象施加一個微小擾動調(diào)制信號(光學或電氣)，并采用相關(guān)儀器測量研究對象由該微小擾動調(diào)制信號引起的(光)電響應(如光電壓或光電流)。根據(jù)這種測試原理，現(xiàn)有技術(shù)中包括強度可調(diào)光電流/電壓譜儀技術(shù)aMPs/MVS)、以及電化學阻抗譜(EIS)技術(shù)等，以便對包括染料敏化電池在內(nèi)的太陽能電池器件測量其特征參數(shù)。然而，這些測量方式分別存在以下的不足或缺陷例如，對于IMPS/IMVS技術(shù)，現(xiàn)有的測試裝置例如德國Zahner公司研制的控強度光電測試系統(tǒng)功能齊全，但是軟件的操作和數(shù)據(jù)的處理均需要較強的電化學專業(yè)知識，操作復雜而且對操作人員要求很高；不足；對于EIS測量技術(shù)，其主要研究電極及其表面特性，對于其他方面尤其是染料的性能不能夠很好的研究，因此適用性存在不足其測量手段單一，且運算過程非常復雜，不能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)自動化運算及處理。因此，如何構(gòu)建一種便于操作、測量誤差小、準確高速的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)的測量設備及其測量方式，正成為太陽能電池研究領(lǐng)域的迫切技術(shù)需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和/或技術(shù)需求，本發(fā)明的目的在于提供一種用于對光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)進行測量的設備及其方法，在階躍光誘導光電壓和光電流瞬態(tài)衰減原理的基礎(chǔ)上，能夠便利、準確地實現(xiàn)對光伏電池的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)的測量，并具備數(shù)據(jù)自動化處理、測量誤差低，適用于測量不同強度下的特性參數(shù)等方面的優(yōu)點。按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于對光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)進行測量的設備，該設備包括光源組件、測量裝置和計算裝置，其特征在于所述光源組件包括平衡光源，該平衡光源用于對電池提供穩(wěn)定的入射光輻照，由此在電池內(nèi)部建立準平衡態(tài)；多個擾動光源，所述擾動光源用于對電池提供與平衡光源顏色不同的脈沖光輻射，由此對電池內(nèi)部所建立的準平衡態(tài)進行干擾；平衡光電源和擾動光電源，所述平衡光電源和擾動光電源彼此獨立，并分別通過電路與平衡光源和各個擾動光源相連；快速開關(guān)，所述快速開關(guān)分別設置在平衡光源與平衡光電源之間的電路、以及各個擾動光源與擾動光電源之間的電路中，用于使電路連通或斷開；快速開關(guān)控制模塊，該快速開關(guān)控制模塊分別與各個所述快速開關(guān)和所述計算裝置相連，用于根據(jù)計算裝置的指令來相應控制各個快速開關(guān)；所述測量裝置包括
電池承載基座，該電池承載基座用于承載樣品電池和參比電池，并設置在所述平衡光源和擾動光源所產(chǎn)生的光路上；預標定單元,該預標定單元與所述參比電池構(gòu)成回路，當參比電池受到平衡光源和擾動光源的光輻射后，預標定單元分別對其短路電流信號進行測試，由此獲取光源對應的輻照度強度值并將結(jié)果傳輸給所述計算裝置以完成對各個光源的預標定過程；瞬態(tài)響應測試單元，該瞬態(tài)響應測試單元由偏置電路和測試電路組成，并與所述樣品電池分別相并聯(lián)地構(gòu)成回路，當樣品電池先后受到平衡光源和干擾光源的光輻射后，瞬態(tài)響應測試單元對其開路電壓和偏流狀態(tài)下的短路電流進行測試，并將結(jié)果及與各個結(jié)果相對應的時間值傳輸給所述計算裝置以執(zhí)行后續(xù)計算處理過程；所述計算裝置用于供測試人員輸入指令以設定平衡光源和擾動光源、對各個所述快速開關(guān)進行控制、接收和顯示所述預標定單元所獲取的結(jié)果，以及對所述瞬態(tài)響應測 試單元的測試結(jié)果進行計算處理，由此獲得包括電子傳輸壽命、電子復合壽命、電子擴散系數(shù)、擴散長度、化學電容和表面態(tài)密度在內(nèi)的一系列光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)。作為進一步優(yōu)選地，所述擾動光源的最大輻照度小于所述平衡光源最大輻照度的10%，并且這些光源的響應速度均低于10微秒。作為進一步優(yōu)選地，所述平衡光源為白色LED燈組，所述多個擾動光源分別為紅色LED燈組、黃色LED燈組和藍色LED燈組，這些燈組集成安裝在一個具備凹陷表面、并與散熱裝置相連的聚光器上，其中白色LED燈組設置在凹陷表面的中央位置，其他顏色的LED燈組以其為中心環(huán)繞設置在白色LED燈組的四周。作為進一步優(yōu)選地，所述平衡光電源為單獨的可編程直流電壓源，所述擾動光電源為單獨的可編程電流電壓源、或者包括多個可編程直流電壓源分別對各個擾動光源供電；并且各個電源具有通信端口與所述計算裝置相連，由此可根據(jù)計算裝置的指令來調(diào)整其輸出電流或電壓。作為進一步優(yōu)選地，作為待測量對象的所述樣品電池為染料敏化電池。進一步優(yōu)選地，所述快速開關(guān)為NMOS管。作為進一步優(yōu)選地，所述快速開關(guān)控制模塊由輸入端、微處理器和輸出端組成，其中輸入端與所述計算裝置相連并接收由計算裝置所發(fā)出表示測試者所選擇的光源、光源工作狀態(tài)和脈沖光脈沖寬度等參數(shù)的數(shù)字信號，所述微處理器將所接收的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，所述輸出端與各個所述快速開關(guān)的控制端相連，由此根據(jù)模擬信號來對快速開關(guān)相應進行控制。作為進一步優(yōu)選地，所述電池承載基座由彼此分隔的參比電池基座和樣品電池基座組成，兩者均呈燕尾槽結(jié)構(gòu)并安裝在可沿著三維方向運動的數(shù)控平移臺上。作為進一步優(yōu)選地，所述參比電池譬如為按照國家標準GB/T6495. 2-1996完成標定的娃太陽能電池。按照本發(fā)明的另一方面，還提供了相應的測量方法，該方法包括下列步驟(a)通過所述計算裝置來設定平衡光源和擾動光源，包括設定平衡光源的輻照度強度，以及擾動光源的顏色、輻照度強度和脈沖強度等；(b)首先開啟所設定的平衡光源，通過所述預標定單元測試參比電池在此狀態(tài)下的短路電流信號，接著關(guān)閉平衡光源并開啟所設定的擾動光源來照射參比電池，通過所述預標定單元測試參比電池在此狀態(tài)下的短路電流信號，由此獲得相應的輻照度強度值以完成對各個光源的預標定過程；(C)先后開啟執(zhí)行預標定后的平衡光源和擾動光源來照射樣品電池，通過所述測試電路對樣品電池在擾動光源關(guān)閉后的開路電壓進行測量，并將所測得的開路電壓值、以及與該開路電壓值所對應的時間值傳輸給計算裝置；(d)繼續(xù)使用平衡光源來照射樣品電池，通過所述測試電路測量電池在此狀態(tài)下的短路電流值；接著開啟擾動光源來照射樣品電池，通過所述偏置電路按照所測得的短路電流值乘以一定系數(shù)而確定的偏流值給予電池反向偏流，同時通過所述測試電路對電池在擾動光源關(guān)閉后處于偏流狀態(tài)下的短路電流進行測試，并將所測得的短路電流值、以及與該短路電流值相對應的時間值傳輸給計算裝置；(e)所述計算裝置根據(jù)所接收的開路電壓值和短路電流值，通過擬合計算獲得樣品電池的電子傳輸壽命和電子復合壽命參數(shù)，并相應計算得出包括電子擴散系數(shù)、擴散長度、化學電容和表面態(tài)密度在內(nèi)的其他光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)。 作為進一步優(yōu)選地，在完成步驟(e)之后，可以改變對平衡光源和擾動光源的設定，再依次重復執(zhí)行步驟(b) (e)，由此獲得樣品電池在不同條件下的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)，并根據(jù)這些特性參數(shù)獲取相應的特性參數(shù)曲線?？傮w而言，按照本發(fā)明的測量設備及其測量方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點I、通過在光源組件中設置快速開關(guān)來執(zhí)行對光源的開關(guān)，并相應設置與計算裝置相連的控制模塊對控制快速開關(guān)的動作，這樣一方面便于根據(jù)測試人員的需求來輸入及調(diào)整對平衡光源和擾動光源的控制，另一方面能夠保證光源的開閉操作在符合要求的極短時間內(nèi)完成，相應提高了測量的效率和準確性；2、通過對光源的最大輻照度、響應時間及其設置方式的具體限定，能夠確保電池順利建立準平衡態(tài)及對準平衡態(tài)的擾動過程，此外，可以使得各個光源的光斑中心更為一致，同時便于安裝和散熱；3、通過采用與計算裝置通信連接的可編程電源來為平衡光源和擾動光源供電，可以方便地按照測量人員的指令來調(diào)整電源的輸出電流或電壓由此改變光源的輻照度，相應地，利用本設備既可以測試某一輻照強度下的參數(shù)，也可以測試不同強度下的表征參數(shù)，提高了不同場合下的適用性；4、通過將電池安裝在可沿著三維方向運動的數(shù)控平移臺上，這樣可以通過譬如電動方式來移動三維平移臺，進而確保待測量的電池處于光源的光路下；此外，通過設置特定的光源預標定單元，能夠有效減少因為人為原因或光源本身所造成的測量誤差，提高系統(tǒng)測量精確度和可靠性；5、整體設備數(shù)據(jù)處理自動化，由于所有數(shù)據(jù)通信、計算和處理都通過計算裝置來執(zhí)行，能夠極大提高測量過程的效率，降低測量誤差，同時減少測量人員的工作量；6、在所有的測量過程中，操作人員不需要非常專業(yè)的電化學知識，也不需要經(jīng)過專門的培訓即可使用，因此極大方便地適用面。


圖I是按照本發(fā)明的測量設備的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是按照本發(fā)明優(yōu)選實施例的瞬態(tài)響應測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a是按照本發(fā)明優(yōu)選實施例的包括平衡光源和擾動光源的光源件的正視圖；圖3b是按照本發(fā)明優(yōu)選實施例的包括平衡光源和擾動光源的光源件的側(cè)視圖；圖4a是樣品電池在100%輻照度下的瞬態(tài)光電壓衰減曲線示意圖；圖4b是樣品電池在100%輻照度下的瞬態(tài)光電流衰減曲線示意圖；圖5是樣品電池在不同輻照度條件下所測得的電荷傳輸壽命曲線示意圖；圖6是樣品電池在不同輻照度條件下所測得的電荷復合壽命曲線示意圖； 圖7是樣品電池在不同輻照度條件下所測得的電容曲線示意圖；圖8是樣品電池的擴散系數(shù)與開路電壓之間的關(guān)系曲線示意圖；圖9是樣品電池的擴散長度與開路電壓之間的關(guān)系曲線示意圖；圖10是樣品電池的表面態(tài)密度與開路電壓之間的關(guān)系曲線示意圖。在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中I、光源件2、電源模塊3、快速開關(guān)4、快速開關(guān)控制模塊5、偏置電路6、測試電路7、樣品電池8、參比電池9、數(shù)控平移臺10、預標定單元11、平衡光電源12、擾動光電源13、散熱裝置14、聚光器15、白色LED燈組16、紅色LED燈組17、黃色LED燈組18、藍色LED燈組19、參比電池基座20、樣品電池基座
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖I是按照本發(fā)明的測量設備的整體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I中所示，按照本發(fā)明所構(gòu)思的用于對太陽能光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)進行測量的設備主要包括光源組件、測量裝置和計算裝置。其中光源組件的作用主要在于對待測量的電池提供光輻射并建立準平衡態(tài)、以及對所建立的準平衡態(tài)執(zhí)行擾動；測量裝置的主要作用在于對擾動后的電池狀態(tài)進行測量，由此在階躍光誘導光電壓和光電流瞬態(tài)衰減原理的基礎(chǔ)上獲得反映電池光電轉(zhuǎn)換特性的多項表征參數(shù)。計算裝置分別與光源組件、測量裝置功能連接，主要作用在于提供對測量結(jié)果的運算處理及其他控制操作，如設定光源和對光源的控制等。下面將各個部件的具體構(gòu)造及功能逐一詳細進行描述。光源組件包括由平衡光源和多個擾動光源共同組成的光源件1，由平衡光電源和擾動光電源組成的電源模塊2，快速開關(guān)3，以及快速開關(guān)控制模塊4。其中平衡光源用于對電池提供穩(wěn)定的入射光輻照，由此在電池內(nèi)部建立準平衡態(tài)，例如可以采用白色LED燈組；多個擾動光源用于對電池提供脈沖光輻射，由此對電池內(nèi)部所建立的準平衡態(tài)進行干擾，考慮到一般電池的對不同的光敏感程度不同，可以采用紅、黃、藍三種彩色LED燈組。在一個實施例中，這四種燈組均由四個LED燈珠串聯(lián)組成，光源件I具體構(gòu)造如圖3a和圖3b所示。圖3a為光源件I的正視圖，顯示了四種LED燈組具體排布方式，其中白色LED燈組15排列于聚光器的凹面的中心位置，紅色LED燈組16、黃色LED燈組17、藍色LED燈組18沿圓周交叉均勻排列，這樣排列的好處是所有LED燈組的光斑中心位置基本位于同一個位置，同時可以在較小的空間中完成組裝。圖3b為光源件I側(cè)視圖，包括散熱裝置13、聚光器14和白、紅、黃、藍四種LED燈組。其中聚光器14鑲嵌在散熱裝置13上，四種LED燈組鑲嵌在聚光器14的凹面上，散熱器13用以對四種LED燈組散熱，聚光器14用以增強四種LED燈組的輻照 度。在另外一個優(yōu)選實施例中，擾動光源的最大輻照度被設定為小于平衡光源最大輻照度的10%，并且這些光源的響應速度均低于10微秒。測量時，為了保證數(shù)據(jù)擬合和處理更符合，電源模塊2包括平衡光電源11和擾動光電源12，二者彼此獨立，并分別通過電路與平衡光源和各個擾動光源相連。其中平衡光電源11采用直流電壓源。由于三種彩色LED燈組的功能一致，擾動光電源12可以采用一個直流電壓源供電，也可以采用多個直流電壓源分別供電。因此電源模塊2可以為雙通道或者多通道直流電壓源，也可以是多個直流電壓源。本實施例中采用2個直流電壓源作為平衡光電源11和擾動光電源12，分別對平衡光源和擾動光源供電。白色LED燈組15的輻照度強度與平衡光電源11提供的電流大小關(guān)系已知，各個彩色LED燈組的輻照度強度與擾動光電源12提供的電流大小關(guān)系也已知。本實施例中采用的2個直流電壓源均為可編程直流電壓源，通信端口均為USB接口，相應地，可以根據(jù)通過與計算裝置相連并根據(jù)計算裝置的指令來方便、實時地調(diào)整其輸出電流或電壓。快速開關(guān)3分別設置在平衡光源與平衡光電源之間的電路、以及各個擾動光源與擾動光電源之間的電路中，用于使電路連通或斷開快速開關(guān)。由于樣品電池的電子在傳輸和復合過程中，壽命均為微秒量級或者小于微秒量級，為了保證測試的準確度，將光源組件的響應速度也設置在此量級。在一個優(yōu)選實施例中，快速開關(guān)3為開關(guān)時間小于IOus的開關(guān)并具有繼電器。，例如，可以采用NMOS管作為快速開關(guān)3，其開關(guān)速度為100ns。對應于四種燈組，一共采用四個快速開關(guān)，每種LED燈組都串聯(lián)一個快速開關(guān)3，并與各自的供電電源串聯(lián)。當快速開關(guān)3的控制端電平為高電平時，開關(guān)處于導通狀態(tài)；當快速開關(guān)3的控制端電平為低電平時，開關(guān)處于斷開狀態(tài)。快速開關(guān)3的控制端與快速開關(guān)控制模塊4輸出端連接，快速開關(guān)控制模塊4分別與各個所述快速開關(guān)3和所述計算裝置相連，用于根據(jù)計算裝置的指令來相應控制各個快速開關(guān)。開關(guān)控制模塊4輸入端為RS232串口，微處理器采用80c51單片機，輸出端為單片機的4個輸入輸出口，每個輸入輸出口與一個快速開關(guān)3的控制端連接，每個輸入輸出口初始狀態(tài)均為低電平。開關(guān)控制模塊4通過輸入端接收計算裝置發(fā)出的表示測試者選擇的LED燈組顏色、工作狀態(tài)、脈沖光脈沖寬度等測試參數(shù)的數(shù)字信號后，微處理器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過輸出端施加到與快速開關(guān)3的控制端上。當工作狀態(tài)為導通時，此時與被選擇的LED燈組連接的快速開關(guān)3的控制端電壓變?yōu)楦唠娖?；當工作狀態(tài)為斷開時，與被選擇的LED燈組連接的快速開關(guān)3的控制端電壓變?yōu)榈碗娖剑划敼ぷ鳡顟B(tài)為脈沖光時，與被選擇的LED燈組連接的快速開關(guān)3的控制端電壓先變?yōu)楦唠娖剑掷m(xù)時間為設定脈沖光的脈沖寬度，后變?yōu)榈碗娖?。這樣實現(xiàn)測試者選擇光源的導通或斷開狀態(tài)，以及選擇LED燈組產(chǎn)生擾動光要求。測量裝置包括電池承載基座，預標定單元，瞬態(tài)響應測試單元等。其中電池承載基座用于承載樣品電池和參比電池，設置在所述平衡光源和擾動光源所產(chǎn)生的光路上，譬如由彼此分隔的參比電池基座19和樣品電池基座20組成。在一個優(yōu)選實施例中，兩者均呈燕尾槽結(jié)構(gòu)并安裝在可沿著三維方向運動的數(shù)控平移臺9上。數(shù)控平移臺9載物臺面與光路垂直，參比電池基座19和樣品電池基座20固定在載物臺面上且高度一致。參比電池8和樣品電池7分別放置在參比電池基座19和樣品電池基座20內(nèi)。通過數(shù)控平移臺9的平移即可方便地使參比電池和樣品電池分別接受光照。預標定單元10與所述參比電池8構(gòu)成回路，當參比電池8受到平衡光源和擾動光源的光輻射后，預標定單元10分別對其短路電流信號進行測試以獲取光源對應的輻照度強度值，并將結(jié)果傳輸給所述計算裝置以便對各個光源執(zhí)行預標定過程，為了使電路簡單，預標定單元10采用數(shù)字電流表。瞬態(tài)響應測試單元由偏置電路5和測試電路6組成，并與所述樣品電池7分別并聯(lián)構(gòu)成回路，當樣品電池7先后受到平衡光源和干擾光源的光輻射后，瞬態(tài)響應測試單元對其開路電壓和偏流狀態(tài)下的短路電流，并將結(jié)果以及與各個結(jié)果分別所對應的時間值傳輸給所述計算裝置以執(zhí)行后續(xù)計算處理過程。由于測試電池的瞬態(tài)響應，偏置電路5和測試電路6均需要較高的響應速度和測試精度，同時為了保證偏置和測試能夠同步，因此瞬 態(tài)響應測試單元可以采用雙通道電源電表，一個通道作為偏置電路5，另一個通道為測試電路6，具體如圖2所示。所述計算裝置用于供測試人員輸入指令以設定平衡光源和擾動光源、對各個所述快速開關(guān)進行控制、接收和顯示所述預標定單元所獲取的結(jié)果，以及對所述瞬態(tài)響應測試單元的測試結(jié)果進行計算處理，由此獲得包括電子傳輸壽命、電子復合壽命、電子擴散系數(shù)、擴散長度、化學電容和表面態(tài)密度在內(nèi)的一系列光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)，本實施例中計算裝置可以采用臺式電腦。下面將具體描述使用按照本發(fā)明的測量設備進行光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)測量的具體過程。為便于說明，該過程例如包括下列步驟(a)設定作為平衡光源的白色LED燈組的輻照度強度(例如I個太陽強度)，作為干擾光源的彩色LED燈組的顏色(例如紅色)、強度(例如O. 01個太陽強度)和脈沖寬度(例如80ms)；(b)白色LED燈組開，數(shù)控平移臺9移動使參比電池接受白色LED燈組照射，通過預標定單元10測試參比電池8在此狀態(tài)下的短路電流信號，從而獲得當前白色LED燈組實際輻照度強度；白色LED燈組關(guān)，彩色LED燈組開，參比電池接受彩色LED燈組的照射，通過預標定單元10測試參比電池8在此狀態(tài)下的短路電流信號，得到當前彩色LED燈組實際輻照度強度；通過將這些實際輻照度傳輸給計算裝置以完成預標定過程；(c)白色LED燈組開，彩色LED燈組關(guān)，數(shù)控平移臺9移動使樣品電池7接受白色LED燈組照射，樣品電池7達到穩(wěn)定狀態(tài)后，彩色LED燈組發(fā)出脈沖光照射電池，同時測試電路6測試脈沖光關(guān)閉后樣品電池的開路電壓V，并將所獲得開路電壓V以及對應的時間tv傳輸給計算裝置；(d)樣品電池7繼續(xù)接受白色LED燈組照射，樣品電池7達到穩(wěn)定狀態(tài)后，測試樣品電池7在此狀態(tài)下的短路電流Isc，彩色LED燈組發(fā)出脈沖光照射電池，此時偏置電路5給予樣品電池7反向偏流(該反向偏流根據(jù)前面所測得的短路電流值乘以一定系數(shù)而確定)，同時測試電路6測試脈沖光關(guān)閉后樣品電池7在偏流狀態(tài)下的短路電流I，并將所獲得短路電流I以及對應的時間h傳輸給計算裝置；(e)計算裝置根據(jù)所接收的開路電壓V及對應的時間tv，對V在脈沖光關(guān)閉后的電壓-時間衰減曲線進行擬合，擬合公式為
權(quán)利要求
1.一種用于對光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)進行測量的設備，該設備包括光源組件、測量裝置和計算裝置，其特征在于 所述光源組件包括 平衡光源，該平衡光源用于對電池提供穩(wěn)定的入射光輻照，由此在電池內(nèi)部建立準平衡態(tài)； 多個擾動光源，所述擾動光源用于對電池提供與平衡光源顏色不同的脈沖光輻射，由此對電池內(nèi)部所建立的準平衡態(tài)進行干擾； 平衡光電源和擾動光電源，所述平衡光電源和擾動光電源彼此獨立，并分別通過電路與平衡光源和各個擾動光源相連； 快速開關(guān)，所述快速開關(guān)分別設置在平衡光源與平衡光電源之間的電路、以及各個擾動光源與擾動光電源之間的電路中，用于使電路連通或斷開； 快速開關(guān)控制模塊，該快速開關(guān)控制模塊分別與各個所述快速開關(guān)和所述計算裝置相連，用于根據(jù)計算裝置的指令來相應控制各個快速開關(guān)； 所述測量裝置包括 電池承載基座，該電池承載基座用于承載樣品電池和參比電池，并設置在所述平衡光源和擾動光源所產(chǎn)生的光路上； 預標定單元，該預標定單元與所述參比電池構(gòu)成回路，當參比電池受到平衡光源和擾動光源的光輻射后，預標定單元分別對其短路電流信號進行測試以獲取光源對應的輻照度強度值，并將結(jié)果傳輸給所述計算裝置以便對各個光源執(zhí)行預標定過程； 瞬態(tài)響應測試單元，該瞬態(tài)響應測試單元由偏置電路和測試電路組成，并與所述樣品電池分別相并聯(lián)地構(gòu)成回路，當樣品電池先后受到平衡光源和干擾光源的光輻射后，瞬態(tài)響應測試單元對其開路電壓和偏流狀態(tài)下的短路電流進行測試，并將結(jié)果及與各個結(jié)果相對應的時間值傳輸給所述計算裝置以執(zhí)行后續(xù)計算處理過程； 所述計算裝置用于供測試人員輸入指令以設定平衡光源和擾動光源、對各個所述快速開關(guān)進行控制、接收和顯示所述預標定單元所獲取的結(jié)果，以及對所述瞬態(tài)響應測試單元的測試結(jié)果進行計算處理，由此獲得包括電子傳輸壽命、電子復合壽命、電子擴散系數(shù)、擴散長度、化學電容和表面態(tài)密度在內(nèi)的一系列光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述的設備，其特征在于，所述擾動光源的最大輻照度小于所述平衡光源最大輻照度的10%，并且這些光源的響應速度均低于10微秒。
3.如權(quán)利要求I或2所述的設備，其特征在于，所述平衡光源為白色LED燈組，所述多個擾動光源分別為紅色LED燈組、黃色LED燈組和藍色LED燈組，這些燈組集成安裝在一個具備凹陷表面、并與散熱裝置相連的聚光器上，其中白色LED燈組設置在凹陷表面的中央位置，其他顏色的LED燈組以其為中心環(huán)繞設置在白色LED燈組的四周。
4.如權(quán)利要求1-3任意一項所述的設備，其特征在于，所述平衡光電源為單獨的可編程直流電壓源，所述擾動光電源為單獨的可編程電流電壓源、或者包括多個可編程直流電壓源分別對各個擾動光源供電；并且各個電源具有通信端口與所述計算裝置相連，由此可根據(jù)計算裝置的指令來調(diào)整其輸出電流或電壓。
5.如權(quán)利要求1-4任意一項所述的設備，其特征在于，作為待測量對象的所述樣品電池為染料敏化電池。
6.如權(quán)利要求5所述的設備，其特征在于，所述快速開關(guān)為NMOS管。
7.如權(quán)利要求1-6任意一項所述的設備，其特征在于，所述快速開關(guān)控制模塊由輸入端、微處理器和輸出端組成，其中輸入端與所述計算裝置相連并接收由計算裝置所發(fā)出表示測試者所選擇的光源、光源工作狀態(tài)和脈沖光脈沖寬度等參數(shù)的數(shù)字信號，所述微處理器將所接收的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，所述輸出端與各個所述快速開關(guān)的控制端相連，由此根據(jù)模擬信號來對快速開關(guān)相應進行控制。
8.如權(quán)利要求I或2所述的設備，其特征在于，所述電池承載基座由彼此分隔的參比電池基座和樣品電池基座組成，兩者均呈燕尾槽結(jié)構(gòu)并安裝在可沿著三維方向運動的數(shù)控平移臺上。
9.一種采用如權(quán)利要求1-8任意一項所述的設備對光伏太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)進行測量的方法，該方法包括下列步驟 (a)通過所述計算裝置來設定平衡光源和擾動光源，包括設定平衡光源的輻照度強度，以及擾動光源的顏色、輻照度強度和脈沖強度等； (b)首先開啟所設定的平衡光源，通過所述預標定單元測試參比電池在此狀態(tài)下的短路電流信號，接著關(guān)閉平衡光源并開啟所設定的擾動光源來照射參比電池，通過所述預標定單元測試參比電池在此狀態(tài)下的短路電流信號，由此獲得相應的輻照度強度值以完成對各個光源的預標定過程； (C)先后開啟執(zhí)行預標定后的平衡光源和擾動光源來照射樣品電池，通過所述測試電路對樣品電池在擾動光源關(guān)閉后的開路電壓進行測量，并將所測得的開路電壓值、以及與該開路電壓值所對應的時間值傳輸給計算裝置； (d)繼續(xù)使用平衡光源來照射樣品電池，通過所述測試電路測量電池在此狀態(tài)下的短路電流值；接著開啟擾動光源來照射樣品電池，通過所述偏置電路按照所測得的短路電流值乘以一定系數(shù)而確定的偏流值給予電池反向偏流，同時通過所述測試電路對電池在擾動光源關(guān)閉后處于偏流狀態(tài)下的短路電流進行測試，并將所測得的短路電流值、以及與該短路電流值相對應的時間值傳輸給計算裝置； (e)所述計算裝置根據(jù)所接收的開路電壓值、短路電流值及時間值，通過擬合計算獲得樣品電池的電子傳輸壽命和電子復合壽命參數(shù)，并相應計算得出包括電子擴散系數(shù)、擴散長度、化學電容和表面態(tài)密度在內(nèi)的其他光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在完成步驟(e)之后，改變對平衡光源和擾動光源的設定，再依次重復執(zhí)行步驟(b) (e)，由此獲得樣品電池在不同條件下的光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)，并根據(jù)這些特性參數(shù)獲取相應的特性參數(shù)曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測量光伏太陽能電池光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)的設備及方法，該設備包括光源組件、測量裝置和計算裝置，其中光源組件包括平衡光源、多個擾動光源、設置在各個光源電路中的快速開關(guān)，以及快速開關(guān)控制模塊；測量裝置包括電池承載基座、光源預標定單元和瞬態(tài)響應測試單元，當樣品電池先后受到平衡光源和干擾光源的光輻射后，瞬態(tài)響應測試單元對電池的開路電壓和偏流狀態(tài)下的短路電流進行測試；計算裝置對瞬態(tài)響應測試單元的測試結(jié)果進行計算處理，由此獲得與相關(guān)光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)。通過本發(fā)明，能夠便利、準確地實現(xiàn)對光伏太陽能電池光電轉(zhuǎn)換特性參數(shù)的測量，并具備數(shù)據(jù)自動化處理、測量誤差低、適用性強，方便可靠等優(yōu)點。
文檔編號G01R31/26GK102778643SQ20121024131
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者崔金, 徐曉寶, 曹昆, 李志鴻, 王鳴魁, 白杰, 程一兵, 魯建峰 申請人:華中科技大學