CN102338847B - 太阳能电池性能曲线测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能电池性能曲线测量装置，包括：单色光光源装置，用于同时提供两束相同的单色光；快门装置，用于对单色光进行调制；背景光光源装置，用于提供照射到待测电池上的背景光；样品池，用于放置待测电池和参比电池；短路电流转换装置，用于将参比电池和待测电池的短路光电流转换为电压并进行放大；电压测量装置，所述电压测量装置包括调零装置，用于对待测样品对背景光的响应进行调零，以抵消背景光照射所产生的额外电流信号的影响；以及控制及计算装置，用于测量控制和计算待测电池的太阳能电池性能曲线。本发明能够动态测量太阳能电池在不同背景光照条件下的IPCE曲线和电流响应曲线，能够提高测量精度，减小测量误差，降低成本。

Description

太阳能电池性能曲线测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及半导体材料应用和测试领域，具体地说，本发明涉及一种太阳能电池性能曲线测量装置及测量方法。

背景技术

合理开发和利用太阳能，发展太阳能电池产业，是人类解决能源危机和环境污染的重大课题。太阳能电池电流响应曲线是指快速加上(去掉)光照时，电池的短路光电流随时间增加(衰减)的变化曲线。太阳能电池IPCE(incident photon-to-electron conversion efficiency)曲线是表征入射光子-电子转换效率的参数，在某一单色光照射下IPCE定义为输出到外电路的电子数与总入射的光子数之比，其数学表达式为：

$\mathrm{IPCE}=\frac{1240\×\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)}{\mathrm{\λ}\left(\mathrm{nm}\right)\×P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)}\×100\%$

其中，Jsc：单色光照射下电池两极产生的短路光电流密度；λ：单色光的波长；P：单色光的光强。电流响应曲线和IPCE曲线不仅是描述太阳能电池性能的重要指标，而且对于太阳能电池--特别是光阳极的性能和电池工作的内部机理--的研究，对于提高电池的光电转换效率，具有重要的指导意义。

太阳能电池包括硅系太阳能电池、薄膜太阳能电池、敏化太阳能电池、有机太阳能电池等许多种类，不同种类太阳能电池的原理和特性差异很大。现有技术中，IPCE曲线测量方法包括交流法和直流法。其中，交流法具有信噪比高的优点，适用于电流响应较快的太阳能电池，如硅系太阳能电池、薄膜太阳能电池等，而对于电流响应较慢的太阳能电池，如敏化太阳能电池、有机太阳能电池等，由于电池的电容特性非常显著，使用交流法会造成测量结果的严重失真。申请号为CN200810123740.9的中国专利申请中的IPCE曲线测量方法就属于上述的交流法。直流法则不受电池响应速度的制约，并被普遍用于敏化太阳能电池和有机太阳能电池的IPCE曲线测量中。本案申请人之前提交的申请号为CN200810247541.9的中国专利申请中的IPCE曲线测量方法属于上述的直流法。

现有技术中，无论是交流法(如CN200810123740.9)还是直流法(如CN200810247541.9)，均未考虑到背景光照条件对太阳能电池IPCE曲线的影响。在实际工作中，太阳能电池可能会在各种不同的背景光照条件下使用。有背景光照射的情况下，太阳能电池的工作状态与没有背景光照射时不同；在不同强度的背景光照射下，太阳能电池的工作状态也会相应改变。太阳能电池的工作状态包括电池中的电子浓度、费米能级、以及陷阱态填充等，而背景光照条件的变化将直接影响到上述各种工作状态，进而导致太阳能电池的IPCE曲线发生变化。而现有技术中，并未考虑到测量时背景光条件对太阳能电池IPCE曲线的影响，因此难以反映不同背景光条件下太阳能电池的实际性能。因此，当前迫切需要一种能够动态测量太阳能电池在不同背景光照条件下的IPCE曲线的IPCE曲线测量装置和测量方法。

另外，进行太阳能电池IPCE曲线测量时需要设置一些参数，如直流法中需要设置采样延时，交流法中需要设置调制频率，如果设置的参数不合适，将会导致测量误差。现有技术中，只能由使用者根据自己的经验来设置这些参数，难以科学有效的避免参数设置不当的情况。因此，当前还需要一种能够合理设置IPCE曲线测量参数的装置和方法。

再者，由于交流法和直流法各有优势，各自适合于一些特定种类的太阳能电池IPCE测量，因此，人们还迫切需要一种能够同时兼容交流法和直流法的IPCE测量装置，以满足各种不同类型太阳能电池的多样化的测量需求。

最后，现有的太阳能电池测量装置还不具有测量太阳能电池的电流响应特性的功能，因此当前还需要一种能够测量太阳能电池的电流响应曲线的太阳能电池测量装置。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种能够动态测量太阳能电池在不同背景光照条件下的IPCE曲线及电流响应曲线的太阳能电池性能曲线测量装置和测量方法。

本发明的另一个目的是提供一种能够合理设置IPCE曲线测量参数的IPCE曲线测量装置和方法。

本发明的第三个目的是提供一种同时兼容交流法和直流法的I PCE测量装置。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种太阳能电池性能曲线测量装置，包括：

单色光光源装置，用于同时提供两束相同的单色光；

快门装置，用于对单色光进行调制；

背景光光源装置，用于提供照射到待测电池上的背景光；

样品池，用于放置待测电池和参比电池；

短路电流转换装置，用于将参比电池和待测电池的短路光电流转换为电压并进行放大；

电压测量装置，用于测量所述短路电流转换装置的输出电压信号，所述电压测量装置包括调零装置，用于对待测样品对背景光的响应进行调零，以抵消背景光照射在太阳能电池上所产生的额外电流信号的影响；以及

控制及计算装置，该控制及计算装置一方面用于控制单色光光源装置、快门装置及电压测量装置等，来实现对太阳能电池IPCE曲线及电流响应曲线的测量，另一方面用于根据所述参比电池和待测电池的短路光电流、所述受光面积以及所述参比电池的响应系数，计算出对于不同波长的单色光所对应的待测电池的IPCE值，从而得出待测电池的IPCE曲线。

其中，用于放置待测电池的样品池是控温样品池。

其中，所述调零装置采用偏压装置。

其中，所述电压测量装置包括双刀双掷开关11、多路复用器12、锁相放大器13、偏压装置14和数据采集卡15。所述双刀双掷开关11公共端的两个接线柱分别与所述短路电流转换装置10的两个输出端相连；所述双刀双掷开关11的某一非公共端的两个接线柱分别与多路复用器12的两个输入端相连；所述双刀双掷开关11的另一非公共端的两个接线柱分别与所述偏压装置14的输入端和所述数据采集卡15的某一输入端连接，其中与偏压装置14的输入端相对应的为待测电池的信号。所述多路复用器12由计算机16控制，用于在两个输入信号之间进行切换并输出；所述多路复用器12的输出端与所述锁相放大器13的输入端连接。所述偏压装置14用于在输入电压信号上叠加一直流偏置电压并输出，所述直流偏置电压可以在-10V～10V之间连续调节；所述偏压装置14的输出端与数据采集卡15的某另一输入端相连。所述锁相放大器13用于测量输入电压信号中的交流成分。所述数据采集卡15用于将电压模拟信号转换为数字信号。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种利用上述测量装置的太阳能电池性能曲线测量方法，包括下列步骤：

1)调节得到所需要的背景光光强；

2)调节偏压装置，使所述电压测量装置所测得的信号值为零；

3)打开单色光光源，调节到需要的波长；

4)通过电压测量装置测得所需的太阳能电池性能曲线。

其中，所述步骤1)还包括将样品池调节到所需要的温度。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、能够动态测量太阳能电池在不同背景光照条件下的IPCE曲线。

2、可以动态测量太阳能电池在不同背景光照条件下的电流响应曲线。

3、可根据电流响应曲线更加合理地设置IPCE曲线测量的采样延时和频率参数，可以有效的避免参数设置不当造成的测量误差。

4、测量装置可同时兼容直流法和交流法两种测量方式，降低了成本。

5、可以减小输入数据采集卡的信号，从而使得数据采集卡能够始终在小量程下进行测量，提高了测量的精度。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为本发明一个实施例的带有电流响应曲线测量功能的太阳能电池IPCE曲线测量装置的结构示意图；

图2为本发明一个优选实施例中的控温样品池结构示意图；

图3为利用本发明一个实施例的测量方法所测得的染料敏化太阳能电池在不同光强的背景光照射下的归一化的电流响应曲线；其中，单色光的波长为650纳米，快门在t＝0时刻迅速开启；

图4为利用本发明一个实施例的测量方法所测得的染料敏化太阳能电池在不同的快门开启和关断频率下的电流响应曲线；其中，单色光的波长为650纳米；

图5为利用本发明一个实施例的测量方法(方法一)测量得到的量子点敏化太阳能电池在没有背景光照射下的IPCE曲线；

图6为利用本发明一个实施例的测量方法(方法一)测量得到的有机太阳能电池在没有背景光照射下的IPCE曲线；

图7为利用本发明另一个实施例的测量方法(方法二)测量得到的染料敏化太阳能电池在不同光强的背景光照射下的IPCE曲线；

图8为利用本发明又一个实施例的测量方法(方法三)测量得到的非晶硅太阳能电池在光强为100mW/cm²的背景光照射下的IPCE曲线。

具体实施方式

本案申请人提出的专利申请CN200810247541.9中记载了一种太阳电池的IPCE曲线测量装置及测量方法。专利申请CN200810247541.9所记载的内容被包含在本发明中。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，提供了一种太阳能电池性能曲线测量装置，包括：单色光光源装置、背景光光源装置、快门装置、控温样品池、短路电流转换装置、电压测量装置和控制及计算装置。

单色光光源装置包括光源1、单色仪2、透镜组3和1∶1分束镜4；所述光源1产生光束，经所述单色仪2得到单色光，再经所述透镜组3会聚和校正后耦合到所述1∶1分束镜4，所述1∶1分束镜4将一束单色光分为光强相等、光斑均匀的两束单色光。所述单色光光源装置就是用于同时提供两束相同的单色光。

背景光光源装置包括白光LED 5、聚焦透镜6和恒流源7；所述恒流源7为LED 5供电，其输出电流可在0～3A范围内调节；背景光光源装置可产生相当于0～500mW/cm²的白光。本实施例中，背景光光源装置用于提供照射到待测电池上的背景光。

所述快门装置8可快速开启、关断，也可按一定频率开启和关断，频率范围在0～20Hz连续可调。所述快门装置可以由计算机控制，也可以手动控制。本实施例中，快门装置8用于对单色光进行调制。

控温样品池9用于放置待测电池样品，并控制其温度。所述控温样品池可以将待测电池样品的温度控制在5℃～80℃范围内的任意特定温度下。图2示出了一个优选实施例的控温样品池9的结构。其中，901a：前端散热片；901b：后端散热片；902a：前端制冷片；902b：后端制冷片；903a：前端导热片；903b：后端导热片；904a：前端热敏电阻；904b：后端热敏电阻；905：通光孔；906：待测电池；907：温控装置(电路装置)。导热片和散热片是导热性良好的金属材料(如铜、铝等)；前端散热片、前端制冷片和前端导热片中心都有通光孔；热敏电阻用来测量待测电池的温度，并将其信号反馈到温控装置中；温控装置通过比较热敏电阻的信号(即待测电池的实际温度)与设定的温度，控制制冷片的加热或制冷，从而实现对待测电池温度的控制。在本实施例中，还设置有参比电池基座17和待测电池基座18所述参比电池基座和待测电池基座的位置均可三维调节。关于参比电池基座17和待测电池基座18的具体内容具体可参考专利申请CN200810247541.9。所述控温样品池9设置在所述待测电池基座18上。

短路电流转换装置10，用于将参比电池和待测电池的短路光电流转换为电压并进行放大。所述参比电池的响应系数已知，所述参比电池与待测电池同时分别接受所述两束相同单色光的照射，所述待测电池还接受所述背景光的照射，所述参比电池和待测电池的受光面积相同。进一步地，所述短路电流转换装置10包括待测电池测量通道和参比电池测量通道；两个所述测量通道均包括级联的输入端、电流电压信号转换模块、电压信号放大模块和输出端；待测电池测量通道输入端与待测电池的正负极连接并形成等效负载为零的回路，参比电池测量通道输入端与参比电池的正负极连接并形成等效负载为零的回路；两个所述测量通道的输出端均与所述电压测量装置连接。所述短路电流测量装置还包括与所述电压信号放大模块连接的放大倍数调节模块。短路电流转换装置10的具体内容可参考专利申请CN200810247541.9。

参考图1，所述电压测量装置包括双刀双掷开关11、多路复用器12、锁相放大器13、偏压装置14和数据采集卡15。所述双刀双掷开关11公共端的两个接线柱分别与所述短路电流转换装置10的两个输出端相连；所述双刀双掷开关11的某一非公共端的两个接线柱分别与多路复用器12的两个输入端相连；所述双刀双掷开关11的另一非公共端的两个接线柱分别与所述偏压装置14的输入端和所述数据采集卡15的某一输入端连接，其中与偏压装置14的输入端相对应的为待测电池的信号。所述多路复用器12由计算机16控制，用于在两个输入信号之间进行切换并输出；所述多路复用器12的输出端与所述锁相放大器13的输入端连接。所述偏压装置14用于在输入电压信号上叠加一直流偏置电压并输出，所述直流偏置电压可以在-10V～10V之间连续调节；所述偏压装置14的输出端与数据采集卡15的某另一输入端相连。所述锁相放大器13用于测量输入电压信号中的交流成分。所述数据采集卡15用于将电压模拟信号转换为数字信号。其中，偏压装置14用于抵消无用的背景信号(即背景光光源照射在太阳能电池上所产生的额外的电流信号)，减小输入数据采集卡的信号，从而使得数据采集卡能够始终在小量程下进行测量，提高了测量的精度。本实施例中，电压测量装置用于测量所述短路电流转换装置的输出电压信号。

控制及计算装置包括计算机16，计算机16装有用于整个系统的控制、测量、计算和绘图的软件，用于控制单色仪、快门、数据采集卡和锁相放大器，并根据所述参比电池和待测电池的短路光电流、所述受光面积以及所述参比电池的响应系数，计算出对于不同波长的单色光所对应的待测电池的IPCE值，从而得出待测电池的IPCE曲线。

另外，本实施例中，采用中心有通光孔的黑色遮光片来限定电池受光面积。具体地，可以在紧贴电池的受光面盖上一个中心有通光孔的黑色遮光片，以保证受光面积为通光孔的面积。

下面，进一步介绍利用上述太阳能电池性能曲线测量装置测量太阳能电池各种性能曲线的方法。

一、电流响应曲线的测量

1、关断(开启)快门；

2、将双刀双掷开关置于1端；

3、打开背景光光源，并调节到需要的光强；

4、打开控温样品池的温控装置，调节到需要的温度；

5、调节偏压装置，使输入到数据采集卡的信号值为零；

6、打开单色光光源，调节到需要的波长；

7、数据采集卡开始采集数据，约1秒钟后快门迅速(一般在50ms以内)开启(或关断)；或者使快门以指定频率f开启和关断，用数据采集卡采集数据。

二、IPCE曲线的测量

方法一

1、关断快门；

2、将双刀双掷开关置于1端；

3、打开背景光光源，并调节到需要的光强；

4、打开控温样品池的温控装置，调节到需要的温度；

5、调节偏压装置，使输入到数据采集卡的信号值为零；

6、开启快门；

7、打开单色光光源，开始进行测量。

其中，步骤7的测量过程简要介绍如下：

1)确定IPCE曲线测量的待测波段和扫描步长；

2)依照当前波长，同时生成两束相同的单色光并同时照射到参比电池和待测电池上；

3)延迟t时间后，数据采集卡测出参比电池和待测电池的短路光电流；

4)计算当前波长所对应的IPCE值，所述IPCE值的计算公式为：

$\mathrm{IPCE}=\frac{1240\×\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)}{\mathrm{\λ}\left(\mathrm{nm}\right)\×P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)}\×100\%$

其中， $\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{DSC}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{S_{\mathrm{DSC}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

$P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{refference}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{\mathrm{\α}(\mathrm{\μA}/\mathrm{\μW})\×S_{\mathrm{refference}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

λ是单色光的波长；I_DSC是波长为λ的单色光照射下(此时快门开启)待测电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2)得出；S_DSC是待测电池的受光面积；I_refference是波长为λ的单色光照射下(此时快门开启)参比电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2)得出；S_refference是参比电池受光面积；α是参比电池在波长为λ的单色光照射下的响应系数，为已知值；

5)依照所述扫描步长改变所述波长，回到步骤2)，直至测得待测波段内所有波长所对应的IPCE值，进而得出IPCE曲线。

上述步骤7的测量过程更具体的内容可参考申请号为200810247541.9的中国专利申请中记载的测量步骤1)～5)。

方法一的优点在于不受电池响应速度的制约，普遍适用于各种太阳能电池的IPCE曲线测量，且测量速度较快；但是其信噪比较低。

方法二

1、关断快门；

2、将双刀双掷开关置于1端；

3、打开背景光光源，并调节到需要的光强；

4、打开控温样品池的温控装置，调节到需要的温度；

5、调节偏压装置，使输入到数据采集卡的信号值为零；

6、打开单色光光源，开始进行测量。

步骤6的测量过程如下：

1)确定IPCE曲线测量的待测波段和扫描步长；

2)依照当前波长，同时生成两束相同的单色光并同时照射到参比电池和待测电池上；

3)快门开启，延迟t时间后，数据采集卡测出参比电池和待测电池的短路光电流；

4)快门关断，延迟t时间后，数据采集卡测出参比电池和待测电池的短路光电流；

5)计算当前波长所对应的IPCE值，所述IPCE值的计算公式为：

$\mathrm{IPCE}=\frac{1240\×\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)}{\mathrm{\λ}\left(\mathrm{nm}\right)\×P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)}\×100\%$

其中， $\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{DSC}}\left(\mathrm{\μA}\right)-{I^{\′}}_{\mathrm{DSC}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{S_{\mathrm{DSC}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

$P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{refference}}\left(\mathrm{\μA}\right)-{I^{\′}}_{\mathrm{refference}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{\mathrm{\α}(\mathrm{\μA}/\mathrm{\μW})\×S_{\mathrm{refference}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

λ是单色光的波长；I_DSC是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2)得出；I’_DSC是快门关断状态下，波长为λ的单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流，由所述步骤3)得出；S_DSC是待测电池的受光面积；I_refference是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下参比电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2)得出；I’_refference是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下参比电池两极产生的短路光电流，由所述步骤3)得出；S_refference是参比电池受光面积；α是参比电池在波长为λ的单色光照射下的响应系数，为已知值；

6)依照所述扫描步长改变所述波长，回到步骤2)，直至测得待测波段内所有波长所对应的IPCE值，进而得出IPCE曲线。

方法二也普遍适用于各种太阳能电池的IPCE曲线测量，且信噪比较高；但是完成一次测量所需的时间较长。

方法三

1、快门以指定频率f开启和关断；

2、将双刀双掷开关置于2端；

3、打开背景光光源，并调节到需要的光强；

4、打开控温样品池的温控装置，调节到需要的温度；

5、打开单色光光源，开始进行测量。

步骤5的测量过程如下：

1)确定IPCE曲线测量的待测波段和扫描步长；

2)依照当前波长，同时生成两束相同的单色光并同时照射到参比电池和待测电池上；

3)多路复用器输出待测电池通道的信号，锁相放大器测出待测电池的短路光电流；

4)多路复用器输出参比电池通道的信号，锁相放大器测出参比电池的短路光电流；

5)计算当前波长所对应的IPCE值，所述IPCE值的计算公式为：

$\mathrm{IPCE}=\frac{1240\×\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)}{\mathrm{\λ}\left(\mathrm{nm}\right)\×P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)}\×100\%$

其中， $\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{DSC}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{S_{\mathrm{DSC}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

$P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{refference}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{\mathrm{\α}(\mathrm{\μA}/\mathrm{\μW})\×S_{\mathrm{refference}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

λ是单色光的波长；I_DSC是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2)得出；I’_DSC是快门关断状态下，波长为λ的单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流，由所述步骤3)得出；S_DSC是待测电池的受光面积；I_refference是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下参比电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2)得出；I’_refference是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下参比电池两极产生的短路光电流，由所述步骤3)得出；S_refference是参比电池受光面积；α是参比电池在波长为λ的单色光照射下的响应系数，为已知值；

6)依照所述扫描步长改变所述波长，回到步骤2)，直至测得待测波段内所有波长所对应的IPCE值，进而得出IPCE曲线。

方法三具有信噪比高、测量速度快的优点，适用于电流响应较快的太阳能电池，如硅系太阳能电池、薄膜太阳能电池等；缺点在于对那些电流响应较慢的太阳能电池，如敏化太阳能电池、电化学太阳能电池等，测量结果可能会存在比较严重的失真。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、本发明的太阳能电池电流响应曲线与IPCE曲线测量装置既可以测量电流响应曲线，又可以测量IPCE曲线，也就是说一套装置可实现两种功能。

2、本发明的太阳能电池电流响应曲线与IPCE曲线测量装置在测量电流响应曲线和IPCE曲线时，可以通过调节背景光光强来改变待测太阳能电池的工作状态，因此能够得到不同工作状态下的太阳能电池的电流响应曲线与IPCE曲线。

3、本发明的太阳能电池电流响应曲线与IPCE曲线测量装置在测量电流响应曲线和IPCE曲线时，可以通过控温样品池调节来改变待测太阳能电池的温度，因此能够得到不同温度下的太阳能电池的电流响应曲线与IPCE曲线。

4、本发明的太阳能电池电流响应曲线与IPCE曲线测量装置可以通过三种方法测量太阳能电池的IPCE曲线。正如申请书中背景技术部分所述，不同的IPCE曲线测量方法各有优劣和一定的适用范围。采用本发明的测量装置，可以根据待测电池的特性选择合适的方法。目前已知的各类太阳能电池均可采用本发明的测量装置和某一种或多种方法来进行测量。

5、本发明的太阳能电池电流响应曲线与IPCE曲线测量装置的通过一些技术细节提高了测量精度。具体分析如下：

1)双光路和双通道的设计方案使单色仪只需扫描一次，即可得到计算IPCE所需的单色光照射下电池两极产生的短路光电流密度及单色光的光强，避免了传统方法中两次扫描带来的系统误差，提高了测量的精度、缩短了测量所需的时间。

2)采用中心有通光孔的黑色遮光片来限定电池受光面积的设计方案，保证了照射在电池上的光斑各处光强均匀，从而避免了光强空间不均匀性所造成的测量误差。

3)控温样品池的采用，保证了测量过程中电池温度的恒定，从而避免了温度变化造成的电池特性的改变。

4)偏压装置的采用可以抵消无用的背景信号，减小输入数据采集卡的信号，从而使得数据采集卡能够始终在小量程下进行测量，提高了测量的精度。这里背景信号是指背景光光源照射在太阳能电池上所产生的额外的电流信号。需要注意的是，背景光光照对太阳能电池有两方面的影响。一方面是因背景光照射造成太阳能电池内部工作状态的改变，这种改变将造成IPCE曲线的改变，这是本发明所要测量的目标。另一方面，背景光的照射还会使得太阳能电池形成电流响应，输出额外的电流信号。而IPCE计算公式中的I_DSC是指单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流信号，因此背景信号不用来计算IPCE，是无用信号。

5)在进行IPCE曲线测量之前，首先测量电池的电流响应曲线并得到待测电池的响应时间，可以据此设置IPCE曲线测量中的延迟时间t或快门的频率f，可以有效的避免参数设置不当造成的测量误差。其中，从快门开启到电流达到稳定值所需要的时间记为t₀。在前述方法一和方法二中需要设置采样延迟时间t，t应该大于t₀。在方法三中需要设置快门的频率f，f应该小于1/10t₀。

6、本发明的太阳能电池电流响应曲线与IPCE曲线测量装置中的多路复用器用于IPCE曲线测量的方法三中，使得用一台单通道锁相放大器就可以测量待测电池和参比电池两路信号，从而降低了成本。

7、本发明的操作过程方便，能够提高测量过程自动化程度。

Claims (10)

1.一种太阳能电池性能曲线测量装置，包括：

单色光光源装置，用于同时提供两束相同的单色光;

快门装置，用于对单色光进行调制;

背景光光源装置，用于提供照射到待测电池上的背景光;

样品池，用于放置待测电池和参比电池;

短路电流转换装置，用于将参比电池和待测电池的短路光电流转换为电压并进行放大;

电压测量装置，用于测量所述短路电流转换装置的输出电压信号，所述电压测量装置包括调零装置，用于对待测样品对背景光的响应进行调零，以抵消背景光照射在太阳能电池上所产生的额外电流信号的影响;以及

控制及计算装置,用于控制单色光光源装置、快门装置和电压测量装置，以及用于计算待测电池的太阳能电池性能曲线，所述太阳能电池性能曲线为IPCE曲线，其中IPCE值的计算公式为：

$\mathrm{IPCE}=\frac{1240\×\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)}{\mathrm{\λ}\left(\mathrm{nm}\right)\×P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)}\×100\%$

其中， $\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{DSC}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{S_{\mathrm{DSC}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

$P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{refference}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{\mathrm{\α}(\mathrm{\μA}/\mathrm{\μW})\×S_{\mathrm{refference}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

λ是单色光的波长；I_DSC是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流；S_DSC是待测电池的受光面积；I_refference是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下参比电池两极产生的短路光电流；S_refference是参比电池受光面积；α是参比电池在波长为λ的单色光照射下的响应系数，为已知值。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池性能曲线测量装置，其特征在于，用于放置待测电池的样品池是控温样品池。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池性能曲线测量装置，其特征在于，所述调零装置采用偏压装置。

4.根据权利要求1所述的太阳能电池性能曲线测量装置，其特征在于，所述电压测量装置包括双刀双掷开关(11)、多路复用器(12)、锁相放大器(13)、偏压装置(14)和数据采集卡(15);所述双刀双掷开关(11)公共端的两个接线柱分别与所述短路电流转换装置(10)的两个输出端相连；所述双刀双掷开关(11)的某一非公共端的两个接线柱分别与多路复用器(12)的两个输入端相连；所述双刀双掷开关(11)的另一非公共端的两个接线柱分别与所述偏压装置(14)的输入端和所述数据采集卡(15)的某一输入端连接，其中与偏压装置(14)的输入端相对应的为待测电池的信号;所述多路复用器(12)由计算机(16)控制，用于在两个输入信号之间进行切换并输出；所述多路复用器(12)的输出端与所述锁相放大器(13)的输入端连接;所述偏压装置(14)用于在输入电压信号上叠加一直流偏置电压并输出；所述偏压装置(14)的输出端与数据采集卡(15)的另一输入端相连;所述锁相放大器(13)用于测量输入电压信号中的交流成分;所述数据采集卡(15)用于将电压模拟信号转换为数字信号。

5.一种利用权利要求1所述的太阳能电池性能曲线测量装置的太阳能电池性能曲线测量方法，包括下列步骤：

1）调节得到所需要的背景光光强；

2）调节偏压装置，使所述电压测量装置所测得的信号值为零；

3）打开单色光光源，调节到需要的波长；

4）通过电压测量装置测得所需的太阳能电池性能曲线，所述太阳能电池性能曲线为IPCE曲线，其中IPCE值的计算公式为：

$\mathrm{IPCE}=\frac{1240\×\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)}{\mathrm{\λ}\left(\mathrm{nm}\right)\×P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)}\×100\%$

其中， $\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{DSC}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{S_{\mathrm{DSC}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

$P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{refference}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{\mathrm{\α}(\mathrm{\μA}/\mathrm{\μW})\×S_{\mathrm{refference}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

λ是单色光的波长；I_DSC是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2）得出；S_DSC是待测电池的受光面积；I_refference是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下参比电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2）得出；S_refference是参比电池受光面积；α是参比电池在波长为λ的单色光照射下的响应系数，为已知值。

6.根据权利要求5所述的太阳能电池性能曲线测量方法，其特征在于，所述步骤1）还包括将样品池调节到所需要的温度。

7.根据权利要求5所述的太阳能电池性能曲线测量方法，其特征在于，所述步骤4）包括下列子步骤：

41）将快门开启或关断，或以指定频率f将快门开启和关断；

42）通过电压测量装置采集数据，进而通过控制及计算装置得到电流响应曲线。

8.根据权利要求5所述的太阳能电池性能曲线测量方法，其特征在于，

在所述步骤1）之前关断快门；

在所述步骤2）和步骤3）之间开启快门；

所述步骤4）包括下列子步骤：

41）确定IPCE曲线测量的待测波段和扫描步长；

42）依照当前波长，同时生成两束相同的单色光并同时照射到参比电池和待测电池上；

43）延迟t时间后，数据采集卡测出参比电池和待测电池的短路光电流；

44）计算当前波长所对应的IPCE值;

45）依照所述扫描步长改变所述波长，回到步骤42），直至测得待测波段内所有波长所对应的IPCE值，进而得出IPCE曲线。

9.一种利用太阳能电池性能曲线测量装置的太阳能电池性能曲线测量方法，所述太阳能电池性能曲线测量装置包括：

单色光光源装置，用于同时提供两束相同的单色光;

快门装置，用于对单色光进行调制;

背景光光源装置，用于提供照射到待测电池上的背景光;

样品池，用于放置待测电池和参比电池;

短路电流转换装置，用于将参比电池和待测电池的短路光电流转换为电压并进行放大;

电压测量装置，用于测量所述短路电流转换装置的输出电压信号，所述电压测量装置包括调零装置，用于对待测样品对背景光的响应进行调零，以抵消背景光照射在太阳能电池上所产生的额外电流信号的影响;以及

控制及计算装置,用于控制单色光光源装置、快门装置和电压测量装置，以及用于计算待测电池的太阳能电池性能曲线；

所述太阳能电池性能曲线测量方法包括下列步骤：

1）调节得到所需要的背景光光强；

2）调节偏压装置，使所述电压测量装置所测得的信号值为零；

3）打开单色光光源，调节到需要的波长；

4）通过电压测量装置测得所需的太阳能电池性能曲线，

在所述步骤1）之前关断快门；

所述步骤4）包括下列子步骤：

41）确定IPCE曲线测量的待测波段和扫描步长；

42）依照当前波长，同时生成两束相同的单色光并同时照射到参比电池和待测电池上；

43）快门开启，延迟t时间后，测出参比电池和待测电池的短路光电流；

44）快门关断，延迟t时间后，测出参比电池和待测电池的短路光电流；

45）计算当前波长所对应的IPCE值，所述IPCE值的计算公式为：

$\mathrm{IPCE}=\frac{1240\×\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)}{\mathrm{\λ}\left(\mathrm{nm}\right)\×P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)}\×100\%$

其中， $\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{DSC}}\left(\mathrm{\μA}\right)-{I^{\′}}_{\mathrm{DSC}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{S_{\mathrm{DSC}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

$P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{refference}}\left(\mathrm{\μA}\right)-{I^{\′}}_{\mathrm{refference}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{\mathrm{\α}(\mathrm{\μA}/\mathrm{\μW})\×S_{\mathrm{refference}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

λ是单色光的波长；I_DSC是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2）得出；I’_DSC是快门关断状态下，波长为λ的单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流，由所述步骤3）得出；S_DSC是待测电池的受光面积；I_refference是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下参比电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2）得出；I’_refference是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下参比电池两极产生的短路光电流，由所述步骤3）得出；S_refference是参比电池受光面积；α是参比电池在波长为λ的单色光照射下的响应系数，为已知值;

46）依照所述扫描步长改变所述波长，回到步骤42），直至测得待测波段内所有波长所对应的IPCE值，进而得出IPCE曲线。

10.一种利用太阳能电池性能曲线测量装置的太阳能电池性能曲线测量方法，所述太阳能电池性能曲线测量装置包括：

单色光光源装置，用于同时提供两束相同的单色光;

快门装置，用于对单色光进行调制;

背景光光源装置，用于提供照射到待测电池上的背景光;

样品池，用于放置待测电池和参比电池;

短路电流转换装置，用于将参比电池和待测电池的短路光电流转换为电压并进行放大;

电压测量装置，用于测量所述短路电流转换装置的输出电压信号，所述电压测量装置包括调零装置，用于对待测样品对背景光的响应进行调零，以抵消背景光照射在太阳能电池上所产生的额外电流信号的影响;以及

控制及计算装置,用于控制单色光光源装置、快门装置和电压测量装置，以及用于计算待测电池的太阳能电池性能曲线；

所述电压测量装置包括多路复用器和锁相放大器，

所述太阳能电池性能曲线测量方法包括下列步骤：

1）调节得到所需要的背景光光强；

2）调节偏压装置，使所述电压测量装置所测得的信号值为零；

3）打开单色光光源，调节到需要的波长；

4）通过电压测量装置测得所需的太阳能电池性能曲线；

在所述步骤1）之前，将快门以指定频率f开启和关断；

所述步骤4）包括下列子步骤：

41）确定IPCE曲线测量的待测波段和扫描步长；

42）依照当前波长，同时生成两束相同的单色光并同时照射到参比电池和待测电池上；

43）多路复用器输出待测电池通道的信号，锁相放大器测出待测电池的短路光电流；

44）多路复用器输出参比电池通道的信号，锁相放大器测出参比电池的短路光电流；

45）计算当前波长所对应的IPCE值，所述IPCE值的计算公式为：

$\mathrm{IPCE}=\frac{1240\×\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)}{\mathrm{\λ}\left(\mathrm{nm}\right)\×P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)}\×100\%$

其中， $\mathrm{Jsc}(\mathrm{\μA}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{DSC}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{S_{\mathrm{DSC}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

$P(\mathrm{\μW}/{\mathrm{cm}}^2)=\frac{I_{\mathrm{refference}}\left(\mathrm{\μA}\right)}{\mathrm{\α}(\mathrm{\μA}/\mathrm{\μW})\×S_{\mathrm{refference}}\left({\mathrm{cm}}^2\right)}$

λ是单色光的波长；I_DSC是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2）得出；I’_DSC是快门关断状态下，波长为λ的单色光照射下待测电池两极产生的短路光电流，由所述步骤3）得出；S_DSC是待测电池的受光面积；I_refference是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下参比电池两极产生的短路光电流，由所述步骤2）得出；I’_refference是快门开启状态下，波长为λ的单色光照射下参比电池两极产生的短路光电流，由所述步骤3）得出；S_refference是参比电池受光面积；α是参比电池在波长为λ的单色光照射下的响应系数，为已知值;

46）依照所述扫描步长改变所述波长，回到步骤2），直至测得待测波段内所有波长所对应的IPCE值，进而得出IPCE曲线。

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