CN101398453B - 单光路量子效率测试系统 - Google Patents

Abstract

一种单光路量子效率测试系统，包括：一卤钨灯光源、一凸透镜、一光斩波器；一单色仪，卤钨灯光源、凸透镜和光斩波器位于该单色仪输入光入口的光路上；一锁相放大器，其频率参考输入端与光斩波器斩波频路输出端连接；一计算机负责控制和处理台单色仪和锁相放大器的数据，使单色仪与锁相放大器协调工作；一转动式样品定位器位于单色仪输出光出口的光路上，并与锁相放大器通过线缆连接，转动式样品定位器可通过旋转动作使样品和标准探测器处于光路的同一位置；一组偏置光源位于单色仪输出光出口的光路上的周围，该偏置光源将偏置光照射到待测样品表面，起短路样品的非测量子电池的作用。

Description

单光路量子效率测试系统

技术领域

本发明涉及用于测量半导体器件，尤其是测量多结光电池的量子效率和光谱响应的测试系统

背景技术

量子效率(QE)是表征光电器件性能的一个重要参数。所谓量子效率就是指入射光照射到光电器件上时，器件内产生的光生载流子的数目与入射的光子数目的比值。这是一个小于1的无量纲数。

QE测量的原理如下：利用单色仪把光源发出的白光分解成不同波长的单色光，单色光通过斩波器斩波后转变成脉冲光，让这些不同波长的脉冲单色光照射到待测样品上，样品便产生脉冲光电流。用锁相放大器接受这些微弱的脉冲光电流信号并加以放大，同时在相同的条件下测量已知QE值的标准探测器的相应的脉冲光电流信号，然后将两个信号进行比较，便可计算出待测样品的QE值。

对于只包含一个pn结的光电池，通常称其为单结电池；而对于由多个pn结组成的光电池，通常称其为多结电池，其中每个pn结组成的电池又称为子电池。在多结电池中，各子电池材料的带隙宽度不同，按从电池上表面到下表面的方向，子电池的带隙宽度逐渐减小，对应于吸收各个波段太阳光谱的能量。

多结光电池是光伏电池研究领域的热点，而光电池的量子效率(QE)是表征太阳能电池性能的一个重要参数。从QE测量结果不仅可以帮助人们辨认太阳电池不同区域的量子产额并清楚的知道光电池的光谱响应分布，而且还可以由QE值计算出太阳电池的短路电流值Isc。因此建立一套完善的QE测量系统，对促进光电池尤其是多结光电池的研究工作有非常重要的意义。

传统的QE系统的光路一般经单色仪后经分光片分光而变为双光路，其中一路照射标准探测器，另一路照射待测样品。由于分光片对各波长入射光的反射透射率并不一致，因此需对经分光片分光后各波长单色光的通量比值进行标定，很容易造成误差。本发明采用转动时样品定位器，巧妙地解决了这一问题，使标准探测器和待测样品先后测量时所处光路中的几何位置相同，确保了辐射通量相等，因此本发明对进一步拓展QE系统的应用范围，和提高QE系统测量结果的准确性，都有非常现实的意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种单光路量子效率测试系统，解决传统双光路量子效率测试系统两路光的光通量不相等的问题，使标准探测器和待测样品先后测量时先后处于光路中同一几何位置，确保标准探测器与样品表面入射光辐射通量相等，提高QE系统测量结果的准确性。

本发明提供一种单光路量子效率测试系统，其特征在于，包括：

一卤钨灯光源、一凸透镜、一光斩波器；

一单色仪，所述的卤钨灯光源、凸透镜和光斩波器位于该单色仪输入光入口的光路上，卤钨灯光源发出的光经凸透镜汇聚在单色仪光入口处；

一锁相放大器，该锁相放大器的频率参考输入端与光斩波器斩波频路输出端连接；

一计算机，该计算机负责控制和处理该单色仪和锁相放大器的数据，使单色仪与锁相放大器协调工作；

一转动式样品定位器，该转动式样品定位器位于单色仪输出光出口的光路上，并与锁相放大器通过线缆连接，转动式样品定位器通过旋转动作使样品和参考标准探测器处于光路的同一位置；

一组偏置光源，该偏置光源位于单色仪输出光出口的光路上的周围，该偏置光源将偏置光照射到样品表面，起短路样品的非测量子电池的作用；以及

一偏置电压发生器，该偏置电压发生器与转动式样品定位器连接，该偏置电压发生器提供-3-+3V可连续变化的偏置电压，变化灵敏幅度最小达到0.1V。

其中转动式样品定位器包括：

一盘形底座；

一转轴，该转轴固定在盘形底座上的中间部位；

一长方形盒体，该长方形盒体的底部中心固定在转轴上，在该长方形盒体的四个侧壁面上的下方分别安装有BNC插座，在该长方形盒体的一侧的上方开有一定位用的矩形窗口，在该长方形盒体的另三个侧壁的上方分别开有定位孔；

一样品架，该样品架的形状与长方形盒体上的矩形窗口相同，该样品架置放在该矩形窗口上；

一盒盖，该盒盖位于长方形盒体的顶部。

其中样品架包括：一样品台，该样品台为矩形，在样品台的四角处安装有探针座，每个探针座固定有探针。

其中所述的偏置光源提供波长处于0.3μm-0.68μm、0.68-0.91μm和0.91μm-1.81μm三个波段范围内的偏置光。

其中还包括参考标准探测器，该参考标准探测器位于该长方形盒体的另三个侧壁上方分别开有的定位孔内。

其中该参考标准探测器，提供0.2μm-1.9μm波长范围的标准参考数据。

附图说明：

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是单光路量子效率测试系统示意图；

图2(a)、(b)是转动式样品定位器示意图；

图3(a)、(b)是样品架的俯视示意图和对角线剖视示意图；

图4本发明系统测量的GaInP/GaAs/Ge三结光电池的量子效率。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种单光路量子效率测试系统，包括：

一卤钨灯光源10、一凸透镜20、一光斩波器30；

一单色仪40，所述的卤钨灯光源10、凸透镜20和光斩波器30位于该单色仪40输入光入口的光路上，卤钨灯光源10发出的光经凸透镜20汇聚在单色仪40光入口处；

一锁相放大器50，该锁相放大器50的频率参考输入端与光斩波器30斩波频路输出端连接；

一计算机60，该计算机60负责控制和处理台单色仪40和锁相放大器50的数据，使单色仪与锁相放大器协调工作；

一转动式样品定位器70，该转动式样品定位器70位于单色仪40输出光出口的光路上，并与锁相放大器50通过线缆连接，转动式样品定位器70可通过旋转动作使样品和标准探测器处于光路的同一位置；

其中转动式样品定位器70包括：

一盘形底座71；

一转轴72，该转轴72固定在盘形底座71上的中间部位；

一长方形盒体73，该长方形盒体73的底部中心固定在转轴72上，在该长方形盒体73的四个侧壁面上的下方分别安装有BNC插座75，在该长方形盒体73的一侧的上方开有一定位用的矩形窗口76，在该长方形盒体73的另三个侧壁的上方分别开有定位孔77；

一样品架78，该样品架78的形状与长方形盒体73上的矩形窗口76相同，该样品架78置放在该矩形窗口76上；

其中样品架78包括：一样品台781，该样品台781为矩形，在样品台781的四角处安装有探针座782，每个探针座782固定有探针783；

一盒盖74，该盒盖74位于长方形盒体73的顶部；

一组偏置光源80，该偏置光源80位于单色仪40输出光出口的光路上的周围，该偏置光源将偏置光照射到待测样品表面，起短路样品的非测量子电池的作用；

其中所述的偏置光源80提供波长处于0.3μm-0.68μm、0.68-0.91μm和0.91μm-1.81μm三个波段范围内的偏置光；

其中还包括一偏置电压发生器90，该偏置电压发生器90与转动式样品定位器70连接，该偏置电压发生器90提供-3～+3V可连续变化的偏置电压，变化灵敏幅度最小达到0.1V。

其中还包括参考标准探测器100，该参考标准探测器100位于该长方形盒体73的另三个侧壁上方分别开有的定位孔77内；该参考标准探测器100，提供0.2μm～1.9μm波长范围的标准参考数据。

本系统由如图1所示：一卤钨灯光源10、一凸透镜20、一斩波器30、一单色仪40、一锁相放大器50、一内置GPIB控制卡的计算机60、一转动式样品定为器70、偏置光源80和偏置电压发生器90，两个标准探测器100等部件构成单光路系统，在高级语言环境下编制控制程序，通过GPIB控制卡，对单色仪40与锁相放大器50进行自动化控制并实现测量数据的实时采集记录。本发明系统的工作原理如下：

由卤钨灯10提供0.3μm-2μm连续谱光源；

卤钨灯10发出的光经凸透镜20汇聚后在单色仪40光入口处由斩波器斩波30，将连续光辐射变为脉冲光辐射，同时斩波器30将脉冲频率信号提供给锁相放大器50作为参考信号；

脉冲光辐射经单色仪40单色处理后变为脉冲单色光；

脉冲单色光照射在标准探测器100或待测样品表面产生光生脉冲电流；

待测样品由样品架78承载；样品架置于转动时样品定位器的矩形窗口76中，标准探测器100置于转动式样品定位器的定位孔77中。

转动式样品定为器70配合样品架78，可以使标准探测器与待测样品轮换处于光路中同一几何位置先后进行测量，确保标准探测器与待测样品表面所接受的单色光辐射通量相同；

标准探测器核待测样品产生的光生脉冲电流由BNC线缆传输到锁相放大器进行放大处理；

由计算机60通过GPIB卡控制单色仪40和锁相放大器50的协调工作，能够按要求改变单色光波长，并对各脉冲单色光产生的脉冲光电流进行实时的放大并记录，计算机60和锁相放大器50与单色仪40由GPIB线缆连接；

将标准探测器100和待测样品的光生电流信号进行比较，配合标准探测器100的QE值，即可得出待测样品的QE值。

测量多结光电池时，需偏置光源80与偏置电压发生器90配合：

偏置光源80提供波长处于0.3μm-0.68μm、0.68-0.91μm和0.91μm-1.81μm三个波段范围内的偏置光来匹配多结电池中各子结的带隙宽度；本系统由卤钨灯和相应滤波片配合组成偏置光源80；

偏置电压发生器90提供-3～+3V可连续变化的偏置电压，变化灵敏幅度最小应达到0.1V；

测量某一子结电池，需要将相应的偏置光源80打开，使非被测子电池受偏置光源辐射处于导通状态，而被测子电池不受偏置光源辐射，只接受脉冲单色光信号，这样锁相放大器50只对脉冲信号进行收集放大，而过滤掉其他非被测子电池的连续信号。

偏置电压发生器90与偏置光源80配合使用，其大小要使被测子电池的光生信号最大，同时抑制非被测子电池的失真信号。

如图2所示，转动样品定位器组成如下：

盘形底座71中心带有通孔，通孔直径与转轴72直径相同，转轴72可以插入通孔中形成转动配合，这样盘形底座71起到了轴承的作用。

转轴72上部带有法兰盘，通过法兰盘与长方形盒体73底壳紧固，使盒体与转轴一起转动。

长方形盒体73的三个侧壁带有定位孔77，而且定位孔77在侧壁的位置相同，处于侧壁中线的上部。定位孔用于置放标准探测器100。第四个侧壁带有矩形窗口76，用于置放正方形的样品架。矩形窗口76的几何中心位置与定位孔77相同，保证置于样品架中心的样品与标准探测器100位置相同。

盒盖74起到封闭长方形盒体的作用，可以取下，便于盒体内部线路的连接和置放探测器100。

BNC插座75固定在长方形盒体73四壁的中线下部。四个BNC插座75中的两个与长方形盒体73内部与对面位于定位孔中的标准探测器100的电极用同轴电缆连接，用于收集传输标准探测器信号。矩形窗口对面的BNC插座75经由同轴电缆与样品架的电极连接，用于收集传输待测样品信号。

如图3所示，样品架78主要主要由样品台781，探针座782，探针783组成。其中样品台781用于承载样品；探针座782分布于样品台781四角，起固定调节探针783的作用；四个钨丝探针783，用于探接半导体器件的电极，和加载偏置电压。

以下列举一实施例说明本发明的可行性，完成本发明系统，需配备以下部件：

1、一台卤钨灯光源，功率不小于100W；

2、一个凸透镜，直径不小于5cm，焦距20cm；

3、一台单色仪，最小步距0.1nm，实用光谱范围100nm～2um，分辨率小于0.2nm；

4、一个光斩波器，频率范围1-100Hz；

5、一台锁相放大器，要求可检测pA级电流；

6、一台带内置GPIB卡的计算机；

7、一个偏置电压发生器，可提供-3-+3V可连续变化的偏置电压，变化灵敏幅度最小应达到0.1V；

8、一组偏置光源，可选用波长为460nm、820nm的干涉滤波片，和硅片，配合50W卤钨灯可以得到构成波长为460nm、820nm和波长大于1087nm的偏置光源。

9、一个转动式样品定为器，主要包括一个盘形底座、一个转轴、一个长方形盒体、一个盒盖、四个BNC插座。其中长方形盒体侧面为长方形，截面为正方形。盒体三个侧壁中线上部处开一通孔，用于置放标准探测器；于侧壁中线下部通孔，用于置放BNC插头。第四个侧壁上部有矩形框口；置放BNC插头的通孔位置与其他侧壁上的位置相同。长方形盒体底壳为正方形，边带有四个定位螺纹孔，用于固定转轴上的法兰盘。按如图二所示结构搭建。

10、一个样品架包括：一样品台，四个探针座，四个探针组成。样品台大小要与转动式样品定位器的矩形窗口配合，使样品台置放在定位器的矩形窗口中后样品台面几何中心的位置与定位孔位置相对应，确保此二者经旋转动作后可处于同一空间几何位置，样品台的电极与矩形窗口对侧BNC插座的电极连接。

11、一组标准探测器，可提供0.2μm-1.9μm波长范围的标准参考数据，可选用标准Si探测器和Ge探测器。将两个探测器置放于转动式样品定位器的定位孔中，并将其电极与定位孔对侧的BNC插座电极相连。

12、GPIB线缆，用于传输计算机和单色仪及锁相放大器的通信信号

13、BNC线缆，用于将探测信号传输入锁相放大器以上各组成部分硬件配备齐全后，按图1所示的原理图搭建光路，并在高级语言环境下编写控制程序，能够使单色仪与锁相放大器协调工作，实现各波长的连续测量与实时记录。

本发明可以实现对响应波长处于0.2μm-1.81μm范围内单结和各种多结光电池量子效率的测量，能后提供准确可靠的测试数据供科研工作和生产实践参考，对于进一步研发高转化率、新型太阳电池具有非常现实的意义。

本发明系统的应用举例

GaInP/GaAs/Ge三结光电池QE的测量过程：

1、首先将待测电池置于样品架78上，使待测电池处于样品台781台面的几何中心，通过探针783探接电池的电极，然后将样品架78放在转动式样品定位器70的矩形窗口76中，将样品架78的电极与相应BNC插座75电极相连。

2、按以下次序接通电源：计算机60电源，单色仪40电源，锁相放大器50电源，斩波器电源30，卤钨灯光源10电源。

3、待单色仪40自检过程完成之后，同过控制程序调整单色仪40入光口和出处光口的狭缝宽度，设定位1000μm，设定斩波器30频率为22Hz，锁相放大器50电流档调至nA级。

4、调整光路：使卤钨光源10，凸透镜20，单色仪40入光口出光口和转动式样品定位器70的定位孔77处于同一直线上。

5、将待测样品对准单色仪40出光口。

6、通过编写的控制程序设定单色仪40的扫描起始波长为300nm和终止波长为700nm以及扫描步长为10nm。打开波长为820nm和波长大于1087nm的偏置光源80后开始扫描，并实通过锁相放大器50收集光生信号，并通过计算机60实时记录。

7、第6步完成后，设定单色仪40的扫描起始波长为680nm和终止波长为1000nm以及扫描步长为10nm。打开波长为460nm和波长大于1087nm的偏置光源80，将偏置电压发生器90输出的偏置电压加在电池电极之上，选择合适的压值后开始扫描，并实通过锁相放大器50收集光生信号，并通过计算机60实时记录。

8、第7完成之后设定单色仪40的扫描起始波长为900nm和终止波长为1900nm以及扫描步长为10nm。打开波长为460nm和波长为860nm的偏置光源80，将偏置电压发生器90输出的偏置电压加在电池电极之上，选择合适的压值后开始扫描，并实通过锁相放大器50收集光生信号，并通过计算机60实时记录。

9、对待测样品的测量完成之后，将标准探测器100旋转至待测样品所处的位置，使两者所接受的光通量相等。按同样的条件测量标准探测器的光生信号。

10、将待测样品的光生信号测量结果与标准探测器100的光生信号测量结果代入如下公式(1)即可得到待测样品各波长的量子效率。其中QEdet为标准探测器100QE值，Adet和Acell分别为标准探测器100与待测样品受光面积，Idet和Icell为标准探测器与待测样品的光生电流。

$\mathrm{QE}=\frac{I_{\mathrm{cell}}{A}_{\det }}{I_{\det }{A}_{\mathrm{cell}}}\×\mathrm{QE}\det ---\left(1\right)$

11、测量的到的GaInP/GaAs/Ge三结光电池的QE分布如图4。

Claims (6)

1.一种单光路量子效率测试系统，其特征在于，包括：

一卤钨灯光源、一凸透镜、一光斩波器；

一单色仪，所述的卤钨灯光源、凸透镜和光斩波器位于该单色仪输入光入口的光路上，卤钨灯光源发出的光经凸透镜汇聚在单色仪光入口处；

一锁相放大器，该锁相放大器的频率参考输入端与光斩波器斩波频路输出端连接；

一计算机，该计算机负责控制和处理该单色仪和锁相放大器的数据，使单色仪与锁相放大器协调工作；

一转动式样品定位器，该转动式样品定位器位于单色仪输出光出口的光路上，并与锁相放大器通过线缆连接，转动式样品定位器通过旋转动作使样品和参考标准探测器处于光路的同一位置；

一组偏置光源，该偏置光源位于单色仪输出光出口的光路上的周围，该偏置光源将偏置光照射到样品表面，起短路样品的非测量子电池的作用；以及

一偏置电压发生器，该偏置电压发生器与转动式样品定位器连接，该偏置电压发生器提供-3-+3V可连续变化的偏置电压，变化灵敏幅度最小达到0.1V。

2.根据权利要求1所述的单光路量子效率测试系统，其特征在于，其中转动式样品定位器包括：

一盘形底座；

一转轴，该转轴固定在盘形底座上的中间部位；

一长方形盒体，该长方形盒体的底部中心固定在转轴上，在该长方形盒体的四个侧壁面上的下方分别安装有BNC插座，在该长方形盒体的一侧的上方开有一定位用的矩形窗口，在该长方形盒体的另三个侧壁的上方分别开有定位孔；

一样品架，该样品架的形状与长方形盒体上的矩形窗口相同，该样品架置放在该矩形窗口上；

一盒盖，该盒盖位于长方形盒体的顶部。

3.根据权利要求2所述的单光路量子效率测试系统，其特征在于，其中样品架包括：一样品台，该样品台为矩形，在样品台的四角处安装有探针座，每个探针座固定有探针。

4.根据权利要求1所述的单光路量子效率测试系统，其特征在于，其中所述的偏置光源提供波长处于0.3μm-0.68μm、0.68-0.91μm和0.91μm-1.81μm三个波段范围内的偏置光。

5.根据权利要求2所述的单光路量子效率测试系统，其特征在于，其中还包括参考标准探测器，该参考标准探测器位于该长方形盒体的另三个侧壁上方分别开有的定位孔内。

6.根据权利要求5所述的单光路量子效率测试系统，其特征在于，其中该参考标准探测器，提供0.2μm-1.9μm波长范围的标准参考数据。

Images