CN101702004A - 一种太阳能电池材料少子寿命测试仪 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能电池材料少子寿命测试仪，涉及一种测试仪。提供一种可实现对太阳能电池材料少数载流子寿命的无接触无破坏的二维测量，获得片状太阳能电池材料少子寿命分布情况分析的太阳能电池材料少子寿命测试仪。设有微波系统、调光器调制电路、数据采集卡和用于数据处理的计算机。微波系统设有压控振荡器、衰减器、谐振腔、二维移动平台和检波器，谐振腔设于样品上，在谐振腔端盖上设有对称的LC谐振式孔缝，压控振荡器输入端接数据采集卡，压控振荡器输出端经衰减器后接谐振腔，数据采集卡接信号放大器输入端，信号放大器输出端接固体激光器，固体激光器设于谐振腔下方，检波器输入端接谐振腔，检波器输出端接数据采集卡，数据采集卡接计算机。

Description

一种太阳能电池材料少子寿命测试仪
技术领域
本发明涉及一种测试仪，尤其是涉及一种基于微波谐振腔传感法的太阳能电池材料少数载流子(简称少子)寿命测试仪。
背景技术
太阳能电池基区的少子寿命是影响电池转换效率的最重要参数之一，它与材料的完整性，某些杂质的含量有极密切的关系，在电池制造过程中工艺监控的重要参数，通过测试少子寿命来控制器件制造工艺已成为优化器件特性的重要手段。因此在太阳能电池研究与生产中，准确测量电池材料少子的寿命显得至关重要。
有文献报道过采用其它微波方法测量少子寿命，如公开号为CN86101518A的中国发明专利公开一种用介质波导测量半导体材料少子寿命的装置；专利号为ZL95243479.2的中国实用新型专利提供一种测试少子寿命的装置；专利号为ZL200310108310.7的中国发明专利提供一种太阳电池少数截流子寿命分析仪。第一种方法利用光照前后微波透过半导体样品传输信号的变化测量少子寿命，后两种方法都是通过测量光照前后微波辐射半导体样品后反射信号的变化测量少子寿命，而实现微波辐射分别采用喇叭天线和微带面天线。这3种方法的共同特点是用脉冲光源激发引起半导体材料少子浓度的跃变，再从撤去激发光后光电导的衰退曲线测量少子寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现对太阳能电池材料少数载流子寿命的无接触无破坏的二维测量，获得片状太阳能电池材料少子寿命分布情况分析的太阳能电池材料少子寿命测试仪。
本发明设有微波系统、调光器调制电路、数据采集卡和用于数据处理的计算机。
微波系统设有压控振荡器、衰减器、谐振腔、二维移动平台和检波器，设于二维移动平台上的样品槽用于放置样品，谐振腔设于样品上，在谐振腔端盖上设有对称的LC谐振式孔缝，被测样品通过LC谐振式孔缝从谐振腔中耦合出微波能量，压控振荡器的输入端接数据采集卡，压控振荡器的输出端经衰减器后接谐振腔，数据采集卡的正弦调制信号输出端接信号放大电路输入端，信号放大电路输出端接固体激光器，固体激光器设于谐振腔下方，检波器的输入端接谐振腔，检波器的输出端接数据采集卡，数据采集卡接用于数据处理的计算机。
二维移动平台的X、Y轴分别与步进电机连接，实现移动。检波器可采用晶体二极管检波器。在谐振腔端盖为对称开有LC谐振式孔缝的铜片，实现材料对微波谐振腔的微扰。
本发明采用激光器调制电路调制激光器激发太阳能电池材料，调制信号和晶体二极管检波器输出信号由高速数据采集卡中高性能的信号调理和放大电路进行隔直、滤波、放大，然后数字化后将数据送入计算机处理完成少数载流子寿命的计算分析。本发明应用微波谐振腔传感法，通过测量调制信号和光电导信号振荡状态的时间差计算得到被测材料的少数载流子寿命，实现对太阳能电池材料少数载流子寿命的无接触无破坏的二维测量。
固体激光器是光强被正弦信号调制的950nm激光二极管，激光准确地照射到被测样品上，引起被测样品的光电导率变化，而被测样品从谐振腔中感应的微波能量与被测样品的光电导率成正相关，微波系统后端的晶体二极管检波器检测出通过微波系统能量的变化，即检测出与调制信号振荡时间状态不同的光电导信号，比较光电导信号和加在激光器上的调制信号的振荡状态时间差，即可计算得到少子寿命。
本发明采用工作于高Q值低损耗模的谐振腔作为微波检测传感器，它具有高灵敏度和易调谐的优点。由于在谐振腔端盖为对称开有LC谐振式孔缝的铜片，实现材料对微波谐振腔的微扰。被激发的被测样品的材料光电导率变化正比于受正弦信号调制的激光光强，被测样品通过LC谐振式孔缝从谐振腔中耦合出部分微波能量，耦合的微波能量正相关于材料的光电导率，使得谐振腔中的微波能量变化随着调制信号而变化，该变化被微波系统后端的晶体二极管检波器检测到，即得到光电导信号。
本发明采用了一个二维的移动平台，用在平移片状的被测样品，实现片状样品的少子寿命的分析。该移动平台的运动受到计算机的控制。移动平台中心是一个样品槽，厚度与样品厚度一致，样品放上后形成一个平面与谐振腔紧贴，激光通过下部的圆孔激发，样品平台的X、Y轴被两个步进电机牵引，实现移动。
本发明的激光器调制电路用于产生符合测试需要的激光调制信号对半导体激光二极管光强调制。高速数据采集卡产生的正弦调制信号经放大，叠加在一直流偏置电压上，保证激光二极管正常工作并受正弦信号调制。电路中另设计有过流保护电路，避免激光二极管的烧毁。
本发明的高速数据采集卡对调制信号和晶体二极管检波器输出信号进行隔直、滤波、放大和数字化处理。晶体检波二极管把谐振腔中微波能量的变化转换成输出电压的变化，该电压信号存在这一个直流分量，同时不可避免地存在高频干扰成分，所以在信号放大之前，光电导信号需要通过隔直和低通滤波电路，再经过差分放大电路，A/D转换电路，得到数字化的光电导信号。调制信号也经过相同的处理过程，得到数字化的调制信号，这两路信号通过FPGA(现场可编程门阵列)控制，经以太网送入计算机，计算机比较两信号振荡状态的时间差，通过计算得到少子寿命。
本发明采用的方法完全不同且有自身的优势。本发明采用工作于高Q值低损耗模的谐振腔作为微波检测传感器，它具有高灵敏度和易调谐的优点。正弦波调制激光源激发被测样品，其光电导率变化通过谐振腔端盖对称开设的孔缝对微波谐振腔内的电磁场微扰，高Q值的谐振腔对微扰灵敏响应，其中的微波能量随着调制信号而变化，经微波系统后端的晶体二极管检波器检测得到光电导信号。比较光电导信号与调制信号振荡状态的时间差计算得到少子寿命。除采用高Q值谐振腔作为传感器外，本发明方法的另一优点是单频正弦波形式的激发信号和光电导信号更容易实现无失真放大调理，采集后送入计算机进行数据处理，实现自动化测量。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为本发明实施例的开LC谐振式孔缝的谐振腔的结构示意图。
图3为本发明实施例的二维移动平台的结构示意图。
图4为本发明实施例的谐振腔、二维移动平台和激光器的结构示意图。
图5为本发明实施例的激光器调制电路组成框图。
图6为本发明实施例的高速数据采集卡组成框图。
图7为本发明实施例的现场可编程门阵列(FPGA)的内部设计图。
具体实施方式
参见图1～6，本发明实施例设有微波系统、调光器调制电路2、数据采集卡3和用于数据处理的计算机4。
微波系统设有压控振荡器11、衰减器12、谐振腔13、二维移动平台14和晶体二极管检波器15，设于二维移动平台14上的样品槽用于放置样品，谐振腔13设于样品上，在谐振腔13端盖上设有对称的LC谐振式孔缝131，被测样品通过LC谐振式孔缝131从谐振腔13中耦合出微波能量，压控振荡器11的输入端接数据采集卡3，压控振荡器11的输出端经衰减器12后接谐振腔13。数据采集卡3的正弦调制信号输出端接信号放大电路5输入端，信号放大电路5输出端经信号偏置电路6接固体激光器7，固体激光器7设于谐振腔13下方，晶体二极管检波器15的输入端接谐振腔13，晶体二极管检波器15的输出端接数据采集卡3，数据采集卡3接用于数据处理的计算机4。
二维移动平台14的X、Y轴分别与步进电机8连接，实现移动。在谐振腔13端盖的对称开有LC谐振式孔缝131的铜片，实现材料对微波谐振腔的微扰。
激光器调制电路调制激光器激发太阳能电池材料。调制信号和晶体二极管检波器输出信号由高速数据采集卡中高性能的信号调理和放大电路进行隔直、滤波、放大，然后数字化后将数据送入计算机处理完成少数载流子寿命的计算分析。本发明应用微波谐振腔传感法，通过测量调制信号和光电导信号振荡状态的时间差计算得到被测材料的少数载流子寿命，实现对太阳能电池材料少数载流子寿命的无接触无破坏的二维测量。
固体激光器是光强被正弦信号调制的950nm激光二极管，激光准确地照射到被测样品上，引起被测样品的光电导率变化，而被测样品从谐振腔中感应的微波能量与被测样品的光电导率成正相关，微波系统后端的晶体二极管检波器检测出通过微波系统能量的变化，即检测出与调制信号振荡时间状态不同的光电导信号，比较光电导信号和加在激光器上的调制信号的振荡状态时间差，即可计算得到少子寿命。
本发明采用工作于高Q值低损耗模的谐振腔作为微波检测传感器，它具有高灵敏度和易调谐的优点。在谐振腔端盖为对称开有LC谐振式孔缝的铜片，实现材料对微波谐振腔的微扰。被激发的被测样品的材料光电导率变化正比于受正弦信号调制的激光光强，被测样品通过LC谐振式孔缝从谐振腔中耦合出部分微波能量，耦合的微波能量正相关于材料的光电导率，使得谐振腔中的微波能量变化随着调制信号而变化，该变化被微波系统后端的晶体二极管检波器检测到，即得到光电导信号。
本发明采用二维移动平台14，用于平移片状的被测样品，实现片状样品的少子寿命的分析。二维移动平台14的运动受到计算机4的控制。二维移动平台14的中心是一个样品槽141，厚度与样品厚度一致，样品放上后形成一个平面与谐振腔13紧贴，固体激光器6通过二维移动平台14下部的圆孔142激发，二维移动平台14的X、Y轴被两个步进电机8牵引，实现移动。
本发明的激光器调制电路(参见图5)用于产生符合测试需要的激光调制信号对半导体激光二极管光强调制。高速数据采集卡产生的正弦调制信号经信号放大电路5放大，叠加在一直流偏置电压(见图5的信号偏置电路6)上，保证激光二极管正常工作并受正弦信号调制。电路中另设计有过流保护电路9，避免激光二极管的烧毁。
参见图6，本发明的高速数据采集卡对调制信号和晶体二极管检波器输出信号进行隔直、滤波、放大和数字化处理。晶体检波二极管把谐振腔中微波能量的变化转换成输出电压的变化，该电压信号存在这一个直流分量，同时不可避免地存在高频干扰成分，所以在信号放大之前，光电导信号A需要通过隔直和低通滤波电路61，再经过差分放大电路62，A/D转换电路63，得到数字化的光电导信号。调制信号B也经过相同的处理过程，即通过隔直和低通滤波电路64，再经过差分放大电路65，A/D转换电路63，得到数字化的调制信号，这两路信号通过现场可编程门阵列(FPGA)66控制，经以太网接口送入计算机4，计算机4比较两信号振荡状态的时间差，通过计算得到少子寿命。
参见图7，在现场可编程门阵列中，信号调理和AD采样控制缓存单元71完成ADC数据C的数字滤波，ADC芯片AD9248的控制，以及利用先入先出存储器(FIFO)72完成ADC数据C的缓存。增益控制单元73是完成外围电路的自动增益放大模块的增益控制D；DDR控制器74和DDR SDRAM单元75作为嵌入式系统的程序运行空间；Flash控制器76和Flash单元77作为数据和程序的存储空间；先入先出存储器(FIFO)72作为MAC单元78的发送数据和接收数据的缓存；MAC单元78是完成数据的发送和接收；CPU单元79采用PPC405，作为系统控制核心；PLB总线E作为数据总线和控制总线，完成各单元与CPU之间的数据传输和命令传输。
本发明采用的方法完全不同且有自身的优势。本发明采用工作于高Q值低损耗模的谐振腔作为微波检测传感器，它具有高灵敏度和易调谐的优点。正弦波调制激光源激发被测样品，其光电导率变化通过谐振腔端盖对称开设的孔缝对微波谐振腔内的电磁场微扰，高Q值的谐振腔对微扰灵敏响应，其中的微波能量随着调制信号而变化，经微波系统后端的晶体二极管检波器检测得到光电导信号。比较光电导信号与调制信号振荡状态的时间差计算得到少子寿命。除采用高Q值谐振腔作为传感器外，本发明方法的另一优点是单频正弦波形式的激发信号和光电导信号更容易实现无失真放大调理，采集后送入计算机进行数据处理，实现自动化测量。

Claims (3)

1.一种太阳能电池材料少子寿命测试仪，其特征在于设有微波系统、调光器调制电路、数据采集卡和用于数据处理的计算机；
微波系统设有压控振荡器、衰减器、谐振腔、二维移动平台和检波器，设于二维移动平台上的样品槽用于放置样品，谐振腔设于样品上，在谐振腔端盖上设有对称的LC谐振式孔缝，被测样品通过LC谐振式孔缝从谐振腔中耦合出微波能量，压控振荡器的输入端接数据采集卡，压控振荡器的输出端经衰减器后接谐振腔，数据采集卡的正弦调制信号输出端接信号放大电路输入端，信号放大电路输出端接固体激光器，固体激光器设于谐振腔下方，检波器的输入端接谐振腔，检波器的输出端接数据采集卡，数据采集卡接用于数据处理的计算机；二维移动平台的X、Y轴分别与步进电机连接。
2.如权利要求1所述的一种太阳能电池材料少子寿命测试仪，其特征在于检波器为晶体二极管检波器。
3.如权利要求1所述的一种太阳能电池材料少子寿命测试仪，其特征在于在谐振腔端盖为对称开有LC谐振式孔缝的铜片。
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