CN101871992A - 一种太阳能电池量子效率的交流测量装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能电池量子效率的交流测量装置及其使用方法，该测量装置包括光源、聚焦透镜、滤光片、单色仪、准直透镜、分束镜、样品架、待测太阳能电池、光强探测器、斩波器、锁相放大器和计算机，待测太阳能电池和光强探测器相对于分束镜垂直分布，光源、封闭仓、单色仪、准直透镜、斩波器和样品室依次连接，单色仪和光强探测器与计算机电连接；斩波器与锁相放大器电连接；待测太阳能电池通过锁相放大器与计算机电连接。它能同时获得光强探测器的光强P_in1和待测太阳能电池的短路电流I_sc，消除了外界环境因素对测试结果的影响，能更客观的反映被测太阳能电池的量子效率。

Description

一种太阳能电池量子效率的交流测量装置及其使用方法

【技术领域】

本发明涉及太阳能电池生产领域，尤其是太阳能电池量子效率的测试技术。

【背景技术】

随着能源危机和环境危机日益突出，保护生态环境逐渐受到人们的重视。目前，加快开发与利用太阳能等可再生能源已经成为国际共识。近年来，太阳能光伏发电产业增长迅速，研发高性能太阳能电池已成为重中之重。衡量太阳能电池质量的好坏，最关键的指标是光电转换效率。要获得太阳能电池光电转换效率就需要测量太阳能电池在不同波长单色光下的量子效率。太阳能电池的量子效率的测量是用一定强度的单色光照射太阳能电池，测量此时太阳能电池的短路电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量从而得到在各个波长下的短路电流，由此反映出太阳能电池在不同波长下的光电转换效率。

太阳能电池的量子效率是指太阳能电池产生的电子-空穴对数目与照射在太阳能电池表面的光子数目的比率，它与照射在太阳能电池表面的各个波长光的响应有关。客观表征太阳能电池的量子效率对于太阳能电池的研究尤为重要，它是衡量太阳能电池光电转换效率最重要的参数之一。

由于量子效率的测量可以得到太阳能电池对太阳光的波长响应范围，可以区分出不同波段的光对太阳能电池短路电流的贡献，因此它可以帮助辨认出太阳能电池对不同波长光的量子产额，对太阳能电池性能的改进有指导作用。对于太阳能电池，在太阳光谱组成分布较强的光谱位置上具有最好的光谱响应是极其重要的，所以，太阳能电池量子效率测试在太阳能电池材料研究和太阳能电池设计中非常关键。

目前，太阳能电池量子效率的常规测试方法有两种，第一种是比较法，第二种为分步测量法。

采用比较法测试太阳能电池量子效率的装置如图1所示：它包括光源1、聚焦透镜2、滤光片3、单色仪4、准直透镜5、样品架6、标准样品7、待测太阳能电池8、电流(电压)放大器9和计算机10，聚焦透镜2和滤光片3设置在封闭仓11内，样品架6安装在样品室12内，标准样品7镶嵌在样品架6上，先测量标准样品7在单色仪4分光后的单色光光照条件下的短路电流，然后，将待测太阳能电池8安装在样品架6上，使之挡住标准样品7，再测量待测太阳能电池8的短路电流，由于标准样品7的量子效率参数是已知的，它由权威测量机构中国计量院进行标定，因此只要将先后获得的短路电流做比较，就能得出待测太阳能电池的量子效率。

采用比较法测试太阳能电池量子效率的现有仪器存在如下缺陷：

1)由于需要先后测试标准样品和待测太阳能电池的短路电流，而在测量过程中外界因素是不稳定的：例如环境温度，湿度、杂散光、噪音、地面震动等，特别是光源功率、光谱稳定性不够，因此会导致测量结果不准确。

2)标准样品在使用一段时间后，其量子效率也会有漂移，需要重新校准，否则，也会导致测试结果不准确。

采用分步测量法测试太阳能电池量子效率的现有装置如图2所示：包括光源1、聚焦透镜2、滤光片3、单色仪4、准直透镜5、样品架6、光强探测器14、待测太阳能电池8、电流(电压)放大器9和计算机10，聚焦透镜2和滤光片3设置在封闭仓11内，样品架6安装在样品室12内，光强探测器14镶嵌在样品架6上，先使用光强探测器14测试单色仪4在各波长下射出的光强P_in1，然后将待测太阳能电池8安装在样品架6上，使之挡住光强探测器14，测量待测太阳能电池8在相同波长的光照下所产生的短路电流I_sc，然后，通过计算公式：

得到待测太阳能电池的量子效率。

在分步测量法过程中外界因素的不稳定性同样会导致测量结果不准确。

综上所述，无论采用比较法还是分步测量法，都无法消除外界因素的不稳定性对测量准确性影响，例如环境温度，湿度、杂散光、噪音、地面震动等，特别是光源功率、光谱的不稳定性对测试结果都会产生影响。

鉴于上述问题，有必要提供一种能够克服现有技术不足的测试太阳能电池量子效率的装置。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种太阳能电池量子效率的交流测量装置及其使用方法，它能同时获得光强探测器所检测到的光强P_in1和待测太阳能电池产生的短路电流I_sc，能消除外界环境因素对测试结果产生的影响，更客观的反映被测太阳能电池的量子效率；由于太阳能电池的短路电流信号比较微弱，使用了斩波器和锁相放大器，采用交流法测量，进一步提高了测试结果的精度和准确性。

本发明采取的技术方案如下：

所述一种太阳能电池量子效率的交流测量装置，如图3所示，它包括光源、聚焦透镜、滤光片、单色仪、准直透镜、样品架、待测太阳能电池和计算机，聚焦透镜和滤光片放置在封闭仓内，待测太阳能电池安装在样品架上，并设置在样品室内，光源、封闭仓、单色仪、准直透镜和样品室依次连接，单色仪与计算机电连接，其特征是：在准直透镜和样品室之间设有斩波器，在样品室内还设有分束镜和光强探测器，且待测太阳能电池和光强探测器相对于分束镜垂直分布，光强探测器和与计算机电连接；斩波器和待测太阳能电池均与锁相放大器电连接；锁相放大器与计算机电连接；所述样品室为用吸光材料做成暗室，它能屏蔽杂散光；所述聚焦透镜为石英聚焦透镜，在样品架内设有电子控温装置。

测试太阳能电池量子效率的公式为：

式中，EQE为太阳能电池单波长量子效率，N_e为光照后产生的电子数目；N_p为入射单色光光子数；I_SC为太阳能电池短路电流，单位μA；P_in为入射单色光功率，单位μW；λ_mono为入射单色光波长，单位nm。由此可知，要测定太阳能电池单波长量子效率EQE，必须先测得太阳能电池短路电流I_SC和入射单色光功率P_in。

在本发明中，光源、聚焦透镜、单色仪组成的光学部分为测量提供了一定强度的单色光；光路封闭仓和样品室能屏蔽杂散光，提供太阳能电池的测试环境；分束镜能将单色仪射出的光分成两束，分别照射在待测太阳能电池光敏面和光强探测器的光敏面上；锁相放大器检测待测太阳能电池的短路电流I_sc；通过光强探测器所测得的光强P_in1，再根据分束镜的分束比可以获得入射到待测太阳能电池表面的光功率P_in；计算机集信号采集、数据处理、存储功能和仪器控制于一身；最后，计算机根据量子效率公式对数据进行处理，得到待测太阳能电池的量子效率。斩波器和锁相放大器的使用，可以提高测量微弱信号的精度；本发明侧重于消除光源的不稳定性对测量太阳能电池量子效率带来的影响，使用的是交流法绝对测量，同时测得待测太阳能电池的短路电流I_sc和入射光功率P_in，能有效消除外界环境的不稳定性对测试结果带来的影响；它能对各种类型的太阳能电池测进行测量。本发明是一套光电集成测试系统，集分光、微弱光电检测、信号分析、微机接口控制于一体的太阳能电池量子效率的测量装置，它具有高集成度、精密、测试速度快的优点；本发明能克服传统量子效率测量方法中的技术不足，利用本发明，能测量各种类型的太阳能电池量子效率，对于研究人员进行电池制备工艺的改进，以及部分电池机理的研究有着很大的指导意义。

【附图说明】

图1为比较法所用测试设备的组成及其连接示意图；

图2为分步测量法所用测试设备的组成及其连接示意图；

图3为本发明所用测试设备的组成及其连接示意图。

图中：1-光源；2-聚焦透镜；3-滤光片；4-单色仪；5-准直透镜；6-样品架；7-标准样品；8-待测太阳能电池；9-电流(电压)放大器；10-计算机；11-封闭仓；12-样品室；13-分束镜；14-光强探测器；15-斩波器；16-锁相放大器；其中，电流(电压)放大器是指电流放大器或电压放大器。

【具体实施方式】

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：

所述一种太阳能电池量子效率的交流测量装置，如图3所示，包括光源1、聚焦透镜2、滤光片3、单色仪4、准直透镜5、分束镜13、样品架6、待测太阳能电池8、光强探测器14、斩波器15、锁相放大器16和计算机10，聚焦透镜2和滤光片3置于封闭仓11内，所述聚焦透镜2为石英聚焦透镜；

分束镜13、样品架6、待测太阳能电池8和光强探测器14均设置在样品室12内，所述样品室12为用吸光材料做成的暗室，它能屏蔽杂散光，待测太阳能电池8安装在样品架6上，在样品架6内设有电子控温装置；待测太阳能电池8和光强探测器14相对于分束镜13垂直分布，光源1、封闭仓11、单色仪4、准直透镜5、斩波器15和样品室12依次连接，单色仪4和光强探测器14与计算机10电连接；斩波器15与锁相放大器16电连接；待测太阳能电池8产生的短路电流信号输入锁相放大器16后与计算机10电连接。

本发明的使用方法如下：

第一步，测量装置的准备，将光源1、聚焦透镜2、滤光片3、单色仪4、准直透镜5、斩波器15、分束镜13、样品架6、待测太阳能电池8、光强探测器14、锁相放大器16和计算机10按图3所示顺序排列安装好；

第二步，校准单色仪4，利用汞灯光谱的特征谱线校准单色仪4，首先校准0级，其次校准1级：可任选一条汞的特征谱线校准；

第三步，调节光源1，经聚焦透镜2聚焦在单色仪4的入射狭缝处，在光源1到聚焦透镜2之间和聚焦透镜2到单色仪4入射狭缝之间的光路使用吸光材料构建光路封闭仓11；单色仪4入射狭缝处设有多块滤光片3，组成一个滤光片轮，根据单色仪4的输出波长由计算机10自动切换，用来消除多级光谱的影响。入射光经单色仪4分光后，由单色仪4的出射狭缝射出，然后经准直透镜5和斩波器15后进入样品室12；

第四步，将待测太阳能电池8安装在样品架6上，并将待测太阳能电池8产生的短路电流信号输入锁相放大器16，样品架6放置于样品室12内，在样品架6内设有电子控温装置，保持测试温度满足25±2℃要求；

第五步，在样品室12内，经斩波器15调制后的准直单色光经分束镜13分成两束，其中一束光垂直入射到光强探测器14上，单色光光斑覆盖光强探测器14的光敏面，但不超出；另一束光垂直入射到待测太阳能电池8的光敏面上；

第六步，使用锁相放大器16测量待测太阳能电池8的短路电流I_sc；使用光强探测器14探测入射到该光强探测器14光敏面上的光强P_in1；

第七步，确定单色仪4的扫描参数，包括：波长扫描范围、扫描间隔和扫描次数，设定之后，由计算机10控制单色仪4进行扫描，在每个波长下，锁相放大器16测到的短路电流信号和光强探测器14探测到的光强信号均存入计算机10；

第八步，根据上步中锁相放大器16检测到的短路电流信号I_sc；通过光强探测器14所测得的光强P_in1，再根据分束镜13的分束比可以获得入射到待测太阳能电池8表面的光功率P_in，通过量子效率的计算公式：

得到整个光波扫描范围内太阳能电池的量子效率。

本发明具有以下特点：

1)、能消除光源不稳定带来的影响，使用锁相放大器16测量待测太阳能电池的短路电流的同时，使用光强探测器14探测入射单色光功率，消除了外界环境因素的不稳定性，尤其是光源功率的不稳定性对测试结果的影响；使用了斩波器和锁相放大器，采用交流法，进一步提高了测试的精度。

2)、测试速度快，由于测试过程是同时测得待测太阳能电池的短路电流和入射单色光功率，不需要在光强探测器(或标准样品)和待测太阳能电池之间切换，测试速度更快，数据可实时、逐点在电脑上输出，更直观。

3)、绝对测量，对太阳能电池的短路电流和入射单色光功率进行直接的绝对测量，不同于现有的对比法的间接测量，避免了二次误差；

4)、适用范围广，适用于各种类型的太阳能电池量子效率的测量；

5)、高集成度，本发明作为一个光电探测系统，仪器的运行控制、信号的采集、数据的存储与处理均由计算机来完成。

Claims (2)

1.一种太阳能电池量子效率的交流测量装置，它包括光源(1)、聚焦透镜(2)、滤光片(3)、单色仪(4)、准直透镜(5)、样品架(6)、待测太阳能电池(8)和计算机(10)，聚焦透镜(2)和滤光片(3)放置在封闭仓(11)内，待测太阳能电池(8)安装在样品架(6)上，并设置在样品室(12)内，光源(1)、封闭仓(11)、单色仪(4)、准直透镜(5)和样品室(12)依次连接，单色仪(4)与计算机(10)电连接，其特征是：在准直透镜(5)和样品室(12)之间设有斩波器(15)，在样品室(12)内还设有分束镜(13)和光强探测器(14)，且待测太阳能电池(8)和光强探测器(14)相对于分束镜(13)垂直分布，光强探测器(14)和与计算机(10)电连接；斩波器(15)和待测太阳能电池(8)均与锁相放大器(16)电连接；锁相放大器(16)与计算机(10)电连接；所述样品室(12)为用吸光材料做成的暗室；所述聚焦透镜(2)为石英聚焦透镜；在样品架(6)内设有电子控温装置。

2.权利要求1所述太阳能电池量子效率的交流测量装置的使用方法如下：

第一步，测量装置的准备，将光源(1)、聚焦透镜(2)、滤光片(3)、单色仪(4)、准直透镜(5)、斩波器(15)、分束镜(13)、样品架(6)、待测太阳能电池(8)、光强探测器(14)、锁相放大器(16)和计算机(10)按图3所示顺序排列安装好；

第二步，校准单色仪(4)，利用汞灯光谱的特征谱线校准单色仪(4)，首先校准0级，其次校准1级：可任选一条汞的特征谱线校准；

第三步，调节光源(1)，经聚焦透镜(2)聚焦在单色仪(4)的入射狭缝处，在光源(1)到聚焦透镜(2)之间和聚焦透镜(2)到单色仪(4)入射狭缝之间的光路使用吸光材料构建光路封闭仓(11)；单色仪(4)入射狭缝处设有多块滤光片(3)，组成一个滤光片轮，根据单色仪(4)的输出波长由计算机(10)自动切换，用来消除多级光谱的影响。入射光经单色仪(4)分光后，由单色仪(4)的出射狭缝射出，然后经准直透镜(5)和斩波器(15)后进入样品室(12)；

第四步，将待测太阳能电池(8)安装在样品架(6)上，并将待测太阳能电池(8)产生的短路电流信号输入锁相放大器(16)，样品架(6)放置于样品室(12)内，在样品架(6)内设有电子控温装置，保持测试温度满足25±2℃要求；

第五步，在样品室(12)内，经斩波器(15)调制后的准直单色光经分束镜(13)分成两束，其中一束光垂直入射到光强探测器(14)上，单色光光斑覆盖光强探测器(14)的光敏面，但不超出；另一束光垂直入射到待测太阳能电池(8)的光敏面上；

第六步，使用锁相放大器(16)测量待测太阳能电池(8)的短路电流I_sc；使用光强探测器(14)探测入射到该光强探测器(14)光敏面上的光强P_in1；

第七步，确定单色仪(4)的扫描参数，包括：波长扫描范围、扫描间隔和扫描次数，设定之后，由计算机(10)控制单色仪(4)进行扫描，在每个波长下，锁相放大器(16)测到的短路电流信号和光强探测器(14)探测到的光强信号均存入计算机(10)；

第八步，根据上步中锁相放大器(16)检测到的短路电流信号I_sc；通过光强探测器(14)所测得的光强P_in1，再根据分束镜(13)的分束比可以获得入射到待测太阳能电池(8)表面的光功率P_in，通过量子效率的计算公式

得到整个光波扫描范围内太阳能电池的量子效率。

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