CN102439737A - 量子效率测量系统和使用方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于测量太阳能电池的特性的系统，并且该系统包括：光源，辐照具有从约100nm到约3000nm的谱范围的光学信号；波长选择器，被配置为选择性地收窄光学信号的谱范围；分束器；参考检测器，与分束器光学通信并且被配置为测量光学信号的特性；样品，用光学信号来辐照；反射率检测器，经由分束器来与样品光学通信并且被配置为测量样品反射的光学信号的光学特性；复用器；与参考检测器、样品和反射率检测器中的至少一个通信；以及处理器，经由复用器来与参考检测器、样品和反射率检测器中的至少一个通信并且被配置为计算样品的至少一个特性。

Description

量子效率测量系统和使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年5月19日提交的、美国临时专利申请系列号61/216,704的优先权，通过引用将其全部内容结合于此。
背景技术
目前，正在为开发可持续能源投入大量努力。对风力发电机、波力能量系统和生物燃料的研究近年来已经急剧增加。太阳能已经一直被视为一种可能的环境友好能源。因此，对更高效率的太阳能电池的研究和开发近来已经增加。
多数基于硅的太阳能电池利用入射光学信号的波长谱的部分来生成光电流。单结太阳能电池在用具有特定窄波长范围的光来照射时产生电力。在增加效率的努力中，已经开发多结太阳能设备。不同于单结设备，多结设备以多个光电/光敏材料层或者结为特征。每层被配置为在用特定波长范围内的光学辐射来辐照时生成电荷。通常，各种层在不同波长范围中是光敏的、由此提供效率比单结太阳能设备更高效率的设备。
一般而言，希望在太阳能设备的研究、开发和制作阶段期间表征太阳能电池的谱性能。当前用来表征光电设备（PVD）的谱行为的参数为外部量子效率（QE）和内部量子效率（IQE）。为此，PVD I-V曲线常用来表征PVD的全局行为。根据这些曲线获得以下参数：Isc（短路电流）、Voc（开路电压）、最大功率、太阳能电池效率和寄生电阻。目前存在用来确定太阳能设备的QE的若干方法、诸如双分束器方法、积分球方法和基于光纤的方式。虽然在过去证明每种方式某种程度上已经成功，但是已经认识到多个缺点。例如双分束器方法和积分器方法均需要受考察样本从一个测试台向另一测试台移动或者需要移除测试台内的一个或者多个组件或者更换为不同组件，以便获得为了测量内部量子效率而需要的反射率（reflectance）测量。因此，使用这些技术来表征PVD往往是耗时的过程。对照而言，基于光纤的方式提高了灵活测试平台而无需与双分束器方式和积分球方式关联的附加步骤。遗憾的是，与通过光纤的光传播关联的损耗引入可能对确定内部量子效率的精确性有不利影响的不确定性。
因此，鉴于前文，目前需要能够快速和准确测量受考察样本的量子效率的改进型量子效率测量系统。
发明内容
本申请公开了能够测量样品的一个或者多个光学特性并且基于前述光学特性来计算样品的量子效率和内部量子效率的各种系统。不同于现有技术的系统，本测量系统无需对测量系统的各种光学组件进行添加或者修改以完成测量过程。另外，本系统无需受考察样品重新定位到或者移向另一测量台来完成测量过程。与现有技术的系统对照，本系统包括能够从测量系统内的各种检测器和其它设备同时接收信号的复用器设备。因此，本系统已经被证实能够高效和准确测量样品的各种光学特性并且准确计算受检查样品的量子效率和内部量子效率。
在一个实施例中，本申请涉及一种用于测量太阳能电池的特性的系统，并且该系统包括：至少一个光源，辐照具有从约100nm到约3000nm的谱范围的至少一个光学信号；至少一个波长选择器，被配置为选择性地收窄光学信号的谱范围；至少一个分束器；至少一个参考检测器，与分束器光学通信（optical communication）并且被配置为测量光学信号的至少一个特性；至少一个样品，用来自分束器的光学信号来辐照；至少一个反射率检测器，经由分束器来与样品光学通信，反射率检测器被配置为测量样品反射的光学信号的至少一个光学特性；至少一个复用器，与参考检测器、样品和反射率检测器中的至少一个通信；以及至少一个处理器，经由复用器来与参考检测器、样品和反射率检测器中的至少一个通信，处理器被配置为基于从参考检测器、样品和反射率检测器中的至少一个接收的数据来计算样品的至少一个特性。
在另一实施例中，本申请涉及一种用于测量太阳能电池的特性的系统，并且该系统包括：至少一个光源，辐照具有从约100nm到约3000nm的谱范围的至少一个光学信号；至少一个波长选择器，被配置为选择性地收窄光学信号的谱范围；至少一个分束器；至少一个参考检测器，与分束器光学通信并且被配置为测量光学信号的至少一个特性；至少一个样品，用来自分束器的光学信号来辐照；至少一个漫射（diffusive）设备，与分束器和样品光学通信；至少一个漫射检测器，与漫射设备通信并且被配置为测量样品在用光学信号来辐照时散射的光的至少一个光学特性；至少一个反射率检测器，经由漫射设备和分束器来与样品光学通信，反射率检测器被配置为测量样品反射的光学信号的至少一个光学特性；至少一个复用器，与参考检测器、样品、漫射设备、漫射检测器和反射率检测器中的至少一个通信；以及至少一个处理器，经由复用器来与参考检测器、样品、漫射设备、漫射检测器和反射率检测器中的至少一个通信，处理器被配置为基于从参考检测器、样品、漫射设备、漫射检测器和反射率检测器中的至少一个接收的数据来计算样品的至少一个特性。
在另一实施例中，本申请公开计算样本的量子效率和内部量子效率的各种方法。在一个实施例中，本申请涉及一种测量太阳能电池的量子效率和内部量子效率的方法，并且该方法包括：生成具有受控波长和强度的至少一个光学信号；将光学信号分成第一信号和第二信号；将第一信号引入参考检测器，参考检测器被配置为测量第一信号的至少一个光学特性；用参考检测器测量第一信号的光学特性；将第二信号引向样品；用反射率检测器测量样品反射的第二信号的至少一个光学特性；在入射第二信号的每个波长处测量样品的光生电信号；用与参考和反射率检测器同时通信的复用器复用来自参考和反射率检测器的数据；并且用与复用器通信的处理器基于参考和反射率检测器测量的光学特性来计算样品的量子效率。
考虑下文的详细描述将清楚如这里公开的各种量子效率测量系统的实施例的其它特征和优势。
附图说明
将通过以下附图更详细地说明量子效率测量系统的各种实施例：
图1示出了被配置用于测量调制光学信号的量子效率测量系统的一个实施例的示意图；
图2示出了被配置用于测量非调制光学信号的量子效率测量系统的一个实施例的示意图；并且
图3示出了能够测量受考察样品散射的漫射光的量子效率测量系统的一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了量子效率测量系统的一个实施例。如图所示，测量系统10包括被配置为向至少一个波长滤波器14辐照一个或者多个光学信号的一个或者多个光源12。在一个实施例中，光源12包括被配置为向波长滤波器14辐照宽谱光学信号（即从约300nm到约3000nm）的石英卤钨灯。可选地，任何各种替代光源12可以与本系统一起使用（包括但不限于电弧灯、氙灯、氚灯等）。如上文所言，光源12可以被配置为向波长滤波器14辐照宽谱光学信号。可选地，光源12可以被配置为辐照窄光学信号。
再次参照图1，波长滤波器14可以包括任何各种波长滤波器设备。例如在一个实施例中，波长滤波器14包括光学滤波器轮。因此，波长滤波器14可以被配置为从光源12接收宽波长谱输出并且减少光学信号的波长范围，以便增加波长选择器18的效率。可选地，波长滤波器14可以并入光源12中。在一个替代实施例中，无需在测量系统10内包括波长滤波器14。
如图1中所示，波长滤波器14与一个或者多个调制器16光学通信。调制器16可以被配置为将光源12的连续光学信号输出分成一系列离散光学信号。在一个实施例中，调制器16包括截光器（light chopper），诸如单或者双孔截光器轮。在一个实施例中，调制器16被配置为产生具有约8Hz到约1100Hz频率的光学信号，尽管本领域技术人员将理解到光调制器16可以被配置为在任何所需频率产生调制信号。可选地，类似于波长滤波器14，调制器16可以并入光源12中。可选地，可以在无调制器16时操作测量系统10。
再次参照图1，可以在测量系统10中包括与光源12光学通信的一个或者多个波长选择器18。在一个实施例中，波长控制器18包括单色器，该单色器被配置为投射来自光源12的波长的机械可选择窄带。例如，在一个实施例中，波长选择器18具有约100nm的谱分辨率。在另一实施例中，波长选择器18具有约10nm的谱分辨率。可选地，波长选择器18可以具有约0.3nm的谱分辨率。另外，任何各种波长选择设备可以用作波长选择器18（包括但不限于光栅、棱栅、棱镜、全息光学元件等）。在一个实施例中，波长选择器18是可人工操作的。在一个替代实施例中，波长选择器18可以耦合到被配置为允许自动化调节波长选择器18的计算机、处理器或者其它控制器36。本领域技术人员将理解波长滤波器14和波长选择器18可以组合成单个单元，该单元被配置为将入射信号的谱范围收窄成所需谱范围。例如图1中所示组件12、14、16和18可以包括可调谐调制光源。可选地，分立或者可调谐激光器也可以用来替换组件12、14、16和18。因此，可调谐光源的波长范围、谱宽度和波长增量将优选地与受测试PVD的期望响应率特性一致。
如图1中所示，至少一个分束器或者光学信号分裂设备20与波长选择器18光学通信。在一个实施例中，分束器20包括三路中性玻璃衬底，该三路中性玻璃衬底具有应用于其的一个或者多个光学涂层。本领域技术人员将理解任何各种光学涂层可以用来制造基于玻璃的分束器。在另一实施例中，分束器20包括全息光学元件。本领域技术人员将理解分束器20可以包括任何各种设备（包括但不限于具有应用于其的一个或者多个涂层的聚合物衬底、具有应用于其的一个或者多个涂层的基于硅石的衬底、涂覆或者未涂覆的金属衬底等）。另外，在一个实施例中，分束器20被配置为让光学信号的50%通过其透射并且反射信号的50%。可选地，分束器可以被配置为通过其透射1%与99%之间的光学信号。
再次参照图1，分束器20向至少一个参考检测器22透射入射光学信号的至少部分，并且向定位于样品支撑件26上或者否则由样品支撑件26固定的至少一个样品24反射光学信号的至少部分。在一个实施例中，参考检测器22包括具有已知谱特性的光电二极管。可选地，具有已知谱响应的任何各种检测器可以用作参考检测器22（包括但不限于光电倍增器、CCD器件、热电检测器（pyrodetector）等）。
在一个实施例中，样品24包括一个或者多个光电衬底或者太阳能电池。例如在一个实施例中，样品24包括一个或者多个单晶硅晶片。可选地，样品24可以包括任何各种光敏设备或者衬底。在另一实施例中，任何各种样品24可以由样品支撑件26支撑。另外，样品24可以包括涂敷的衬底。因此，测量系统10可以用来测量涂敷的衬底的吸收率。替代地，来自图1的系统可以用于光敏设备的谱校准。另外，该系统可以用来针对荧光组件确定反射率、透射率和/或量子产率（quantum yield）。另外，样品支撑件26可以包括被配置为稳固地支撑样品24的光学底座（mount）或者台面。在一个实施例中，样品支撑件26包括人工可调光学底座。在一个替代实施例中，样品支撑件26可以包括与控制器通信的机动底座。本领域技术人员将理解任何各种底座或者线性台架可以用作样品支撑件26。另外，样品支撑件26可以被配置为将样品24维持所需温度范围内。例如在一个实施例中，样品支撑件26被配置为将样品24维持于约10摄氏度的温度范围内。可选地，样品支撑件26可以被配置为将样品24维持于约0.1摄氏度的温度范围内。
再次参照图1，至少一个反射率检测器28被定位以接收从样品24反射的并且经过分束器20透射的光。在一个实施例中，反射率检测器28包括光学功率计。在一个替代实施例中，反射率检测器28可以包括谱光度计。可选地，任何各种检测器可以用作反射率检测器28（包括但不限于光电倍增器、CCD器件、功率计、光度计等）。
可选地，一个或者多个透射检测器30可以与样品24邻近定位并且被配置为接收透射通过其的一个或者多个光学信号。类似于参考检测器22和反射率检测器28，任何各种检测器设备可以用作透射检测器30。可选地，可以在无透射检测器30的情况下操作测量设备10。
如图1中所示，参考检测器22、样品24、反射率检测器28和透射检测器30（如果存在）中的至少一个可以与至少一个复用器32通信。在一个实施例中，复用器32包括单独一件设备。在一个替代实施例中，复用器32包括如下软件，该软件控制对来自不同检测器的信号或者去往检测器测量设备（DMD）34的样本的选择。在一个实施例中，复用器32被配置为从一个或者多个检测器或者设备22、24、28、30接收一个或者多个信号并且比较、组合和/或滤除一个或者多个接收的信号，由此提供多通道测量系统。因此，这里使用的复用器32可以允许若干检测器或者设备22、24、28、30与至少一个DMD 34选择性地通信。在一个实施例中，复用器32可人工操作，由此允许用户选择向DMD 34传输的信号。在一个替代实施例中，复用器32可以被配置为由处理器36或者替代控制系统（未示出）控制，由此允许自动化信号选择。可选地，一个或者多个DMD 34可以耦合到复用器32或者否则与复用器32通信。例如在一个实施例中，DMD 34包括至少一个锁定（lock-in）放大器，该放大器被配置为从具有大量背景噪声的输入信号提取具有已知载波的一个或者多个信号。在一个替代实施例中，检测器28、22、30和样品24可以包括用于向复用器32或者单独DMD 34提供适当信号的放大器。本领域技术人员将理解任何各种放大器可以与本系统一起用来增加去往DMD 34的所需输入信号的信号强度。在另一实施例中，检测器28、22、30和样品24可以与处理器36控制的单独DMD 34耦合。
再次参照图1，至少一个信息处理器36可以使用于本系统中。如图所示，处理器36可以与使用于测量系统10中的多个设备通信。例如处理器36可以经由复用器32和DMD 34中的至少一个来与参考检测器22、样品24、反射率检测器28和透射检测器30（如果存在）通信。因此，处理器36可以被配置为监视并且记录从参考检测器22、样品24、反射率检测器28和透射检测器30（如果存在）中至少一个接收的数据。另外，处理器36可以与样品支撑件26通信。例如处理器36可以被配置为监视和调控样品支撑件26的温度，由此将样品支撑件26支撑的样品24维持在所需温度。在一个实施例中，处理器36包括个人计算机。在一个替代实施例中，处理器36可以包括计算机处理器板。可选地，任何各种处理设备可以与本系统一起使用。
可选地，测量系统10可以包括各种附加设备。例如，如图1中所示，测量系统10可以包括至少一个光偏置控制器（LBC）38。在一个实施例中，光偏置控制器38被配置为允许在样品24上入射的光学信号的变化。例如LBC 38可以与光源12、处理器36和样品24中的至少一个通信。因此，LBC 38可以从处理器36接收数据并且响应于其来调节光源12的输出。可选地，LBC 38无需与光源12或者处理器36通信。在使用期间，LBC 38可以被配置为变化在样品24上入射的光学信号的强度、波长范围、频率、功率和/或任何其它光学特性。因此，LBC 38可以包括带通滤波器、空间滤波器、光调制器、快门、光栅、光学滤波器等。可选地，可以在无LBC 38的情况下操作测量系统10。另外，一个或者多个样品电偏置控制器（EBC）40可以与样品24和处理器36中的至少一个通信。EBC 40可以被配置为提供多个功能。例如EBC 40可以被配置为向样品24提供偏置电压。另外，EBC 40可以被配置为测量在存在光时来自样品24的电响应。另外，EBC 40可以被配置为测量样品24在被用来自光源12的光学信号进行辐照时生成的电信号。EBC 40也可以用来针对样品24来确定I-V曲线。示例性EBC 40可以包括但不限于源表（sourcemeter）、可编程电源等。另外，可以在无EBC 40的情况下操作测量系统10。
图2示出了量子效率测量系统的一个替代实施例。图2中所示测量系统110可以用来测量DC信号，而图1中所示测量系统可以被配置为测量AC信号。如图所示，测量系统110包括被配置为向至少一个波长滤波器114辐照一个或者多个光学信号的一个或者多个光源112。在一个实施例中，光源112包括被配置为向波长滤波器114辐照宽谱光学信号（即从约300nm到约3000nm）的石英卤钨灯。类似于先前实施例，任何各种光源112可以与测量系统110一起使用。光源112可以被配置为向波长滤波器114辐照宽谱光学信号。类似于先前实施例，光源112可以被配置为辐照窄光学信号。
再次参照图2，波长滤波器114可以包括任何各种波长滤波器设备。波长滤波器114可以被配置为从光源112接收宽波长谱输出并且减少光学信号的波长范围，以便增加波长选择器118的效率。可选地，波长滤波器114可以并入光源112中。在一个替代实施例中，无需在测量系统110内包括波长滤波器114。
如图2中所示，波长滤波器114与在测量设备110内包括的一个或者多个波长控制器118光学通信。在一个实施例中，波长选择器118包括被配置为透射来自光源112的波长的机械可选窄带的单色器。可选地，任何各种波长选择设备可以用作波长选择器118（包括但不限于光栅、棱栅、棱镜、全息光学元件等）。在一个实施例中，波长选择器118可人工操作。在一个替代实施例中，波长选择器18可以耦合到被配置为允许自动化调节波长选择器118的计算机、处理器或者其它控制器。
如图2中所示，至少一个分束器或者光学信号分裂设备120与波长选择器118光学通信。在一个实施例中，分束器120包括三路中性玻璃衬底，该三路中性玻璃衬底具有应用于其的一个或者多个光学涂层。本领域技术人员将理解任何各种光学涂层可以用来制造基于玻璃的分束器。可选地，分束器120可以包括全息光学元件。本领域技术人员将理解分束器可以包括任何各种设备（包括但不限于具有应用于其的一个或者多个涂层的聚合物衬底、具有应用于其的一个或者多个涂层的基于硅石的衬底、涂覆或者未涂覆的金属衬底等）。另外，在一个实施例中，分束器120被配置为让光学信号的50%通过其透射并且反射信号的50%。可选地，分束器可以被配置为通过其透射1%与99%之间的光学信号。
再次参照图2，分束器120向至少一个参考检测器122透射入射光学信号的至少部分，并且向定位于样品支撑件126上或者否则由样品支撑件126固定的至少一个样品124反射光学信号的至少部分。在一个实施例中，参考检测器22是具有已知谱特性的光电二极管。可选地，具有已知谱响应的任何各种检测器可以用作参考检测器122（包括但不限于光电倍增器、CCD器件、热电检测器等）。另外，样品支撑件126可以包括被配置为稳固地支撑样品124的光学底座或者台面。在一个实施例中，样品支撑件126包括人工可调光学底座。在一个替代实施例中，样品支撑件126可以包括与控制器通信的机动底座。本领域技术人员将理解任何各种底座或者线性台架可以用作样品支撑件126。另外，样品支撑件126可以被配置为将样品124维持在所需温度范围内。例如在一个实施例中，样品支撑件126被配置为将样品124维持在约10摄氏度的温度范围内。在一个实施例中，样品支撑件126被配置为将样品124维持在约0.1摄氏度的温度范围内。
再次参照图2，至少一个反射率检测器128被定位以接收从样品124反射的并且经过分束器120透射的光。在一个实施例中，反射率检测器128包括具有已知谱特性的光电二极管。可选地，具有已知谱响应的任何各种检测器可以用作参考检测器122（包括但不限于光电倍增器、CCD器件、热电检测器等）。
可选地，一个或者多个透射检测器130可以与样品124邻近定位并且被配置为接收通过其透射的一个或者多个光学信号。类似于参考检测器122和反射率检测器128，任何各种检测器设备可以用作透射检测器130。可选地，可以在无透射检测器130情况下操作测量设备110。
如图2中所示，参考检测器122、样品124、反射率检测器128和透射检测器130（如果存在）中的至少一个可以与至少一个复用器132通信。类似于前述实施例，复用器132被配置为从一个或者多个检测器或者设备122、124、128、130接收一个或者多个信号并且比较、组合和/或滤除一个或者多个接收的信号，由此提供多通道测量系统。因此，这里使用的复用器132可以允许若干检测器或者设备122、124、128、130与一个或者多个检测器测量设备DMD（134）选择性地通信。在一个实施例中，复用器132可人工操作，由此允许用户选择向处理器136传输的信号。在一个替代实施例中，复用器132可以被配置为由处理器136或者替代控制系统（未示出）控制，由此允许自动化信号选择。可选地，一个或者多个DMD 134可以耦合到复用器132或者否则与复用器132通信。例如在一个实施例中，DMD 134包括DC功率计、诸如光学功率计。在另一实施例中，DMD 134包括模数转换器。在一个替代实施例中，检测器128、122、130和样品124中的每个可以包括用于向复用器132或者单独DMD 134提供适当信号的放大器。本领域技术人员将理解任何各种可选设备134可以与本系统一起使用（包括但不限于万用表、光度计等）。在其它实施例中，检测器128、122、130和样品124中的至少一个可以与处理器136控制的单独DMD耦合。
再次参照图2，至少一个信息处理器136可以使用于本系统中。如图所示，处理器136可以与使用于测量系统110中的多个设备通信。例如，处理器136可以经由复用器132和DMD 134中的至少一个来与参考检测器122、样品124、反射率检测器128和透射检测器130（如果存在）通信。因此，处理器136可以被配置为监视和记录从参考检测器122、样品124、反射率检测器128和透射检测器130（如果存在）中的至少一个接收的数据。另外，处理器136可以与样品支撑件126通信。例如，处理器可以被配置为监视和调控样品支撑件126的温度，由此将样品支撑件126支撑的样品124维持在所需温度。在一个实施例中，处理器136包括个人计算机。在一个替代实施例中，处理器136包括计算机处理器板。可选地，任何各种处理设备可以与本系统一起使用。
可选地，测量系统110可以包括各种附加设备。例如，类似于图2中所示实施例，测量系统110可以包括光偏置控制器（LBC）138。本领域技术人员将理解可以在无LBC 138的情况下操作测量系统110。在一个实施例中，LBC 138被配置为允许在样品124上入射的光学信号的变化。例如LBC 138可以与光源112、处理器136和样品124中的至少一个通信。因此，LBC 138可以从处理器136接收数据并且响应于其来调节光源112的输出。可选地，光偏置控制器138可以不与光源112或者处理器136通信。在使用期间，LBC 138可以被配置为变化在样品124上入射的光学信号的强度、波长范围、功率和/或任何其他光学特性。因此，LBC 138可以包括带通滤波器、空间滤波器、光调制器、快门、光栅、光学滤波器等。另外，一个或者多个电偏置控制器（EBC）140可以与样品124和处理器136中的至少一个通信。EBC 140可以提供多个功能。例如，EBC 140可以被配置为如果需要则向样品124提供偏置电压。可选地，EBC 140可以被配置为测量在存在光时来自样品124的电响应。EBC 140可以被配置为测量样品124在被用来自光源112的光学信号来辐照时生成的电信号。可选地，EBC 140可以用来针对样品124确定I-V曲线。示例性EBC 140包括但不限于源表、可编程电源等。本领域技术人员将理解可以在无样本计量器140的情况下操作测量系统110。
图3示出了量子效率测量系统的一个替代实施例。如图所示，测量系统210包括被配置为辐照一个或者多个光学信号的一个或者多个光源212。在一个实施例中，光源212包括被配置为辐照宽谱光学信号（即从约300nm到约3000nm）的石英卤钨灯。可选地，任何各种替代光源212可以与本系统一起使用（包括但不限于电弧灯、氙灯、氚灯等）。类似于前述实施例，光源212可以被配置为辐照宽谱或者窄谱光学信号。
再次参照图3，可以在测量系统210中可选地包括至少一个波长滤波器214、至少一个调制器216和/或至少一个波长选择器218。类似于先前实施例，波长滤波器214可以包括任何各种波长滤波器设备。类似地，任何各种调制器216和/或波长选择器218可以与本系统210一起使用。可选地，波长滤波器214、调制器216和/或波长选择器218可以并入光源212中。在一个替代实施例中，无需在测量系统210内包括波长滤波器214、调制器216和/或波长选择器218。
如图3中所示，至少一个分束器或者光学信号分裂设备220与光源212光学通信。在一个实施例中，分束器220包括三路中性玻璃衬底，该三路中性玻璃衬底具有应用于其的一个或者多个光学涂层。本领域技术人员将理解任何各种光学涂层可以用来制造基于玻璃的分束器。在另一实施例中，分束器220包括全息光学元件。本领域技术人员将理解分束器220可以包括任何各种设备（包括但不限于具有应用于其的一个或者多个涂层的聚合物衬底、具有应用于其的一个或者多个涂层的基于硅石的衬底、涂覆或者未涂覆的金属衬底等）。另外，在一个实施例中，分束器220被配置为让光学信号的50%通过其透射并且反射信号的50%。可选地，分束器可以被配置为通过其透射1%与99%之间的光学信号。
再次参照图3，类似于先前实施例，分束器220向至少一个参考检测器222透射入射光学信号的至少部分，并且向定位于样品支撑件226上或者否则由样品支撑件226固定的至少一个样品224反射经过漫射设备260的光学信号的至少部分。在一个实施例中，参考检测器222包括具有已知谱特性的光电二极管。可选地，具有已知谱响应的任何各种检测器可以用作参考检测器222（包括但不限于光电倍增器、CCD器件、热电检测器等）。
如图3中所示，漫射设备260定位于分束器220与样品224之间。在一个实施例中，漫射设备260包括积分球。可选地，任何各种替代漫射设备260可以与测量系统210一起使用。光学信号被导引经过漫射设备260并且可以在样品支撑件226支撑的样品224上入射。在一个实施例中，样品224包括一个或者多个光电衬底或者太阳能电池。例如在一个实施例中，样品224包括一个或者多个单晶硅晶片。可选地，样品224可以包括任何各种光敏设备或者衬底。在另一实施例中，任何各种样品224可以由样品支撑件226支撑。另外，样品224可以包括涂敷的衬底。因此，测量系统210可以用来测量涂敷的衬底的吸收率。类似于先前实施例，图3中所示测量系统210可以用于光敏设备的谱校准。可选地，测量系统210可以用来针对荧光组件确定反射率、透射率和/或量子产率。
再次参照图3，样品支撑件226可以包括被配置为稳固地支撑样品224的光学底座或者台面。在一个实施例中，样品支撑件226包括人工可调光学底座。可选地，样品支撑件226可以包括与控制器通信的机动底座。本领域技术人员将理解任何各种底座或者线性台架可以用作样品支撑件226。另外，样品支撑件226可以被配置为将样品224维持在所需温度范围内。例如在一个实施例中，样品支撑件226可以被配置为将样品224维持在约10摄氏度的温度范围内。可选地，样品支撑件226可以被配置为将样品224维持在约0.1摄氏度的温度范围内。因此，测量系统210可以可选地包括一个或者多个温度控制器。
如图3中所示，可以在测量系统210中包括至少一个反射率检测器228和至少一个漫射检测器262。如图所示，漫射检测器262可以与漫射设备260邻近定位并且被配置为检测样品224散射的或者否则漫射的光。另外，如图3中所示，反射率检测器228可以被定位以接收从样品224反射的并且经过分束器220透射的光。在一个实施例中，反射率检测器228和/或漫射检测器262包括光学功率计。在一个替代实施例中，反射率检测器228和/或漫射检测器262可以包括谱光度计。可选地，任何各种检测器可以用作反射率检测器228和/或漫射检测器262（包括但不限于光电倍增器、CCD器件、功率计、光度计等）。
可选地，一个或者多个透射检测器230可以与样品224邻近定位并且被配置为接收经过样品透射的一个或者多个光学信号。类似于参考检测器222、反射率检测器228和/或漫射检测器262，任何各种检测器设备可以用作透射检测器230。可选地，可以在无透射检测器230的情况下操作测量设备210。
如图3中所示，参考检测器222、样品224、反射率检测器228、漫射设备260、漫射检测器262和透射检测器230（如果存在）中的至少一个可以与至少一个复用器232通信。在一个实施例中，复用器232包括单独一件设备。在一个替代实施例中，复用器232包括如下软件，该软件控制对来自不同检测器的信号或者去往检测器测量设备（DMD）234的样本的选择。在一个实施例中，复用器232被配置为从参考检测器222、样品224、反射率检测器228、透射检测器230和/或漫射检测器262接收一个或者多个信号并且比较、组合和/或滤除一个或者多个接收的信号，由此提供多通道测量系统。因此，这里使用的复用器232可以允许参考检测器222、样品224、反射率检测器228、透射检测器230和/或漫射检测器262中的至少一个与至少一个DMD 234选择性地通信。在一个实施例中，复用器232可人工操作，由此允许用户选择向DMD 234传输的信号。在一个替代实施例中，复用器232可以被配置为由处理器236或者替代控制系统（未示出）控制，由此允许自动化信号选择。可选地，DMD 234可以耦合到复用器232或者否则与复用器232通信。例如，在一个实施例中，DMD 234包括至少一个锁定放大器，该放大器被配置为从具有大量背景噪声的输入信号提取具有已知载波的一个或者多个信号。在一个替代实施例中，参考检测器222、样品224、反射率检测器228、透射检测器230、漫射设备260和/或漫射检测器262可以包括用于向复用器232或者单独DMD 234提供适当信号的放大器。本领域技术人员将理解任何各种放大器可以与本系统一起用来增加去往DMD 234的所需输入信号的信号强度。在另一实施例中，参考检测器222、样品224、反射率检测器228、透射检测器230和/或漫射检测器262可以与一个或者多个处理器236控制的单独DMD 234耦合。
再次参照图3，至少一个信息处理器236可以使用于本系统中。如图所示，处理器236可以与使用于测量系统210中的多个设备通信。例如，处理器236可以经由复用器232和DMD 234中的至少一个来与参考检测器222、样品224、反射率检测器228、透射检测器230和/或漫射检测器262通信。因此，处理器236可以被配置为监视和记录从参考检测器222、样品224、反射率检测器228、透射检测器230和/或漫射检测器262中的至少一个接收的数据。另外，处理器236可以与样品支撑件226通信。例如，处理器236可以被配置为监视和调控样品支撑件226的温度，由此将样品支撑件226支撑的样品224维持在所需温度。在一个实施例中，处理器236包括个人计算机。在一个替代实施例中，处理器236可以包括计算机处理器板。可选地，任何各种处理设备可以与本系统一起使用。
可选地，测量系统210可以包括各种附加设备。类似于前述实施例，如图3中所示，测量系统210可以包括至少一个光偏置控制器（LBC）238。在一个实施例中，光偏置控制器238被配置为允许在样品224上入射的光学信号的变化。例如，LBC 238可以与光源22、处理器236和样品224中的至少一个通信。因此，LBC 238可以从处理器236接收数据并且响应于其来调节光源212的输出。可选地，LBC 238无需与光源22或者处理器236通信。在使用期间，LBC 238可以被配置为变化在样品224上入射的光学信号的强度、波长范围、频率、功率和/或任何其它光学特性。因此，LBC 238可以包括带通滤波器、空间滤波器、光调制器、快门、光栅、光学滤波器等。可选地，可以在无LBC 238的情况下操作测量系统210。另外，一个或者多个样品电偏置控制器（EBC）240可以与样品224和处理器236中的至少一个通信。EBC 240可以被配置为提供多个功能。例如，EBC 240可以被配置为向样品224提供偏置电压。另外，EBC 240可以被配置为测量在存在光时来自样品224的电响应。另外，EBC 240可以被配置为测量样品224在被用来自光源212的光学信号来辐照时生成的电信号。EBC 240也可以用来针对样品224确定I-V曲线。示例性EBC 240可以包括但不限于源表、可编程电源等。另外，可以在无样品计量器240的情况下操作测量系统210。
如图1中所示，在使用期间，光源12辐照具有宽谱分布（例如从约100nm到约2000nm）的光学信号。随后，波长滤波器14收窄光学信号的谱分布（spectral profile），并且调制器16调制信号。随后，波长选择器18进一步收窄光学信号的波长分布。谱收窄的光学信号然后在分束器20上入射，该分束器20向参考检测器22和样品24同时传递光。随后，经过分束器20透射并且由反射率检测器28测量样品24反射的光。处理器36可以经由DMD 34和复用器32访问来自检测器以及设备22、24、28和30（如果存在）的数据。不同于现有技术的系统，复用器32允许从参考检测器22、样品24、反射率检测器28和透射检测器30（如果存在）实质上同时测量而无需样品24移向不同测试台或者无需光学组件替换到测量系统中。更具体地，图1中所示系统允许用户同时确定内部量子效率和外部量子效率。例如，处理器可以使用任何各种算法或者公式来计算量子效率（QE）。例如，在一个实施例中，处理器36可以被配置为使用以下等式来计算量子效率：
Figure 997570DEST_PATH_IMAGE001
其中h为普朗克常数；c为真空中的光速；q为元电荷；以及R pa (λ)为待调查样本的功率谱响应率。根据分别从样本24（图1）和参考检测器22记录的信号确定样本的功率谱响应率。
可选地，可以执行至少一个检测器的预先测量和响应率以确定参考检测器的用于计算量子效率的响应率。随后，处理器36可以包括被配置为计算内部量子效率（IQE）的任何数量或种类的算法或者公式。例如可以使用以下等式来计算内部量子效率：
Figure 914711DEST_PATH_IMAGE002
其中R为使用检测器28针对具有强镜面分量的样本或者使用检测器228和262针对具有强漫反射率（diffusive reflectance）分量的样本而测量的样本反射率。
对于具有反射率和透射分量的样本，使用以下等式来计算内部量子效率：
其中使用检测器（例如分别为检测器30、130或者230）来确定样本的透射率。
对照而言，如图3中所示，耦合到漫射检测器262的漫射设备260将捕获样品224在测试期间散射的光。因而，图3中所示系统允许从参考检测器222、样品224、反射率检测器228、透射检测器230和/或漫射检测器262同时测量。
除了提供太阳能电池的量子效率之外，本系统可以用来提供样品的IQE扫描图像和I-V扫描图像或者曲线。例如，可以使用本系统来获得IQE扫描图像和/或I-V曲线或者扫描图像。类似于IQE测量过程，可以使用图1-3中所示全自动化系统来获得IQE和I-V扫描图像。另外，可以获得这些扫描图像而无需样品重新定位或者无需向系统添加的附加组件。
本发明的前文描述仅为其的举例说明，并且应当理解可以实现变型和修改而不脱离如在以下权利要求书中阐述的本发明的范围或者精神。

Claims (26)

1.一种用于测量太阳能电池的特性的系统，包括：
至少一个光源，辐照具有从约100nm到约3000nm的谱范围的至少一个光学信号；
至少一个波长选择器，被配置为选择性地收窄所述光学信号的所述谱范围；
至少一个分束器；
至少一个参考检测器，与所述分束器光学通信并且被配置为测量所述光学信号的至少一个特性；
至少一个样品，用来自所述分束器的所述光学信号进行辐照；
至少一个反射率检测器，经由所述分束器来与所述样品光学通信，所述反射率检测器被配置为测量所述样品反射的所述光学信号的至少一个光学特性；
至少一个复用器，与所述参考检测器、样品和反射率检测器中的至少一个通信；以及
至少一个处理器，经由所述复用器来与所述参考检测器、样品和反射率检测器中的至少一个通信，所述处理器被配置为基于从所述参考检测器、样品和反射率检测器中的至少一个接收的数据来计算所述样品的至少一个特性。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：至少一个波长滤波器，与所述光源邻近定位并且被配置为谱收窄所述光源辐照的宽谱光学信号。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括：至少一个调制器，与所述光源邻近定位并且被配置为选择性地调制所述光源发射的所述光学信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述处理器被配置为基于从所述参考检测器以及从所述反射率检测器和样本中的至少一个接收的数据来计算所述样品的量子效率。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述处理器被配置为基于计算的量子效率以及从所述参考检测器、样品和反射率检测器中的至少一个接收的数据来计算所述样品的内部量子效率。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述样品邻近定位的透射检测器，所述透射检测器被配置为检测所述光源辐照的并且经过所述样品透射的所述光学信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述透射检测器与所述复用器通信。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述复用器和所述处理器中的至少一个通信的检测器测量设备。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述检测器测量设备包括锁定放大器。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个漫射设备和至少一个漫射检测器，与所述样品邻近定位的所述漫射设备与所述漫射检测器通信，所述漫射设备被配置为捕获所述样品在被用所述光学信号来辐照时散射的光。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述漫射检测器与所述复用器通信。
12.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述处理器和样品通信的至少一个光偏置控制器。
13.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述处理器和所述样品通信的至少一个电偏置控制器。
14.一种用于测量太阳能电池的特性的系统，包括：
至少一个光源，辐照具有从约100nm到约3000nm的谱范围的至少一个光学信号；
至少一个波长选择器，被配置为选择性地收窄所述光学信号的所述谱范围；
至少一个分束器；
至少一个参考检测器，与所述分束器光学通信并且被配置为测量所述光学信号的至少一个特性；
至少一个样品，用来自所述分束器的所述光学信号进行辐照；
至少一个漫射设备，与所述分束器和所述样品光学通信；
至少一个漫射检测器，与所述漫射设备通信并且被配置为测量所述样品在被用所述光学信号辐照时散射的光的至少一个光学特性；
至少一个反射率检测器，经由所述漫射设备和所述分束器来与所述样品光学通信，所述反射率检测器被配置为测量所述样品反射的所述光学信号的至少一个光学特性；
至少一个复用器，与所述参考检测器、样品、所述漫射设备、所述漫射检测器和反射率检测器中的至少一个通信；以及
至少一个处理器，经由所述复用器来与所述参考检测器、样品、所述漫射设备、所述漫射检测器和反射率检测器中的至少一个通信，所述处理器被配置为基于从所述参考检测器、样品、所述漫射设备、所述漫射检测器和反射率检测器中的至少一个接收的数据来计算所述样品的至少一个特性。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括：至少一个波长滤波器，与所述光源邻近定位并且被配置为谱收窄所述光源辐照的宽谱光学信号。
16.根据权利要求14所述的系统，还包括：至少一个调制器，与所述光源邻近定位并且被配置为选择性地调制所述光源发射的所述光学信号。
17.根据权利要求14所述的系统，其中所述处理器被配置为基于从所述参考检测器以及从所述反射率检测器、所述漫射设备、所述漫射检测器和所述样本中的至少一个接收的数据来计算所述样品的量子效率。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述处理器被配置为基于计算的量子效率以及从所述参考检测器、所述样品、所述漫射设备、所述漫射检测器和所述反射率检测器中的至少一个接收的数据来计算所述样品的内部量子效率。
19.根据权利要求14所述的系统，还包括与所述样品邻近定位的透射检测器，所述透射检测器被配置为检测所述光源辐照的并且经过所述样品透射的所述光学信号。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述透射检测器与所述复用器通信。
21.根据权利要求14所述的系统，还包括与所述复用器和所述处理器中的至少一个通信的检测器测量设备。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述检测器测量设备包括锁定放大器。
23.根据权利要求14所述的系统，还包括与所述处理器和样品通信的至少一个光偏置控制器。
24.根据权利要求14所述的系统，还包括与所述处理器和所述样品通信的至少一个电偏置控制器。
25.一种测量太阳能电池的量子效率和内部量子效率的方法，包括：
生成具有受控波长和强度的至少一个光学信号；
将所述光学信号分成第一信号和第二信号；
将所述第一信号引导到参考检测器中，所述参考检测器被配置为测量所述第一信号的至少一个光学特性；
用所述参考检测器测量所述第一信号的所述光学特性；
将所述第二信号引导向样品；
用反射率检测器测量所述样品反射的所述第二信号的至少一个光学特性；
在入射第二信号的每个波长处测量样品的光生电信号；
用与参考和反射率检测器同时通信的复用器复用来自所述参考和反射率检测器的数据；以及
用与复用器通信的处理器基于所述参考和反射率检测器测量的所述光学特性来计算所述样品的所述量子效率。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括用所述处理器计算所述样品的所述内部量子效率。
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