CN102778643A - 用于测量光伏太阳能电池光电转换特性参数的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量光伏太阳能电池光电转换特性参数的设备及方法，该设备包括光源组件、测量装置和计算装置，其中光源组件包括平衡光源、多个扰动光源、设置在各个光源电路中的快速开关，以及快速开关控制模块；测量装置包括电池承载基座、光源预标定单元和瞬态响应测试单元，当样品电池先后受到平衡光源和干扰光源的光辐射后，瞬态响应测试单元对电池的开路电压和偏流状态下的短路电流进行测试；计算装置对瞬态响应测试单元的测试结果进行计算处理，由此获得与相关光电转换特性参数。通过本发明，能够便利、准确地实现对光伏太阳能电池光电转换特性参数的测量，并具备数据自动化处理、测量误差低、适用性强，方便可靠等优点。

Description

用于测量光伏太阳能电池光电转换特性参数的设备及方法

技术领域

本发明属于光电半导体技术领域，更具体地，涉及一种用于对光伏太阳能电池的光电转换特性参数进行测量的设备及方法。

背景技术

能源、环境和资源是人类赖以生存和发展的基础。预计2050年，地球人口将达到120亿。伴随经济的增长，全球能量消耗总量将为28TW。目前全球用量约14TW，能源缺口为14TW。太阳能作为清洁的可再生能源是解决这些问题的最佳途径之一。太阳能电池将太阳能直接转化为可以利用的电能，是利用太阳能资源的有效手段之一。低成本、高效率的太阳能电池可以满足未来对能源的需求。

新一代有机太阳能电池可以提供廉价的发电技术，非常有希望替代目前使用的硅基太阳能电池。有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为P-N异质结有机薄膜太阳能电池和染料敏化纳米晶太阳能电池（dye-sensitized solar cells）等。例如，染料敏化纳米晶太阳能电池（缩写为DSSC）所用的材料价格低廉，制作工艺相对简单，制备成本低，设备投资少，而且使用寿命长，性能稳定，在生产、制作和使用过程中没有污染和毒害作用。

以染料敏化太阳能电池为例，对于这类新型有机太阳能电池，当光子被敏化剂吸收后，电荷在TiO₂纳米晶/敏化剂界面进行分离，电子由染料注入半导体导带，并由其收集、传输到外电路，完成电流回路。近年来随着染料的不断创新与发展，如采用宽光谱吸收敏化剂，光谱响应从可见光区拓展到涵盖从紫外到近红外的大部分区域，充分利用太阳光中大部分光谱能量可以有效提高器件的光电转换效率。发生在染料敏化纳米晶异质结界面的电荷传递过程及其电荷在纳米半导体材料中的传输过程特性直接决定了器件的性能。研究和表征这两个动力学过程对提高DSSC等电池的光电转换效率具有实际意义。通常电荷在纳米半导体材料中的传输过程可以通过电子传输寿命τc或电子扩散系数Dn进行表征，其中τc表示电子在纳米晶传输过程中的平均存在时间，τc越小，电子传输越快，传输性能越好；Dn表示电子在纳米晶中的表观扩散系数，用于反映电子扩散能力的大小。电荷在异质结界面的传输过程可以通过电子复合寿命τe来表征，其中τe表示电子在异质晶中的平均存在时间，τe越大，则电子复合越慢。此外，其他一些相关特性参数包括扩散长度L、化学电容C、表面态密度DOS等，其中扩散长度L表示光生载流子在纳米晶中的平均扩散距离；化学电容C表示当电势变化1V时电池对应的电荷变化量，它可以用来反映电池半导体电极的表面态密度DOS；表面态密度DOS用于表示电池半导体电极的能带结构和表面态密度分布。

因此，以上这些特性参数可以有效表征电池光电转换的能力，并用来对电池产品的实际性能做出准确评估。例如，电子传输寿命与电子复合寿命两者之间的竞争关系可以用来表明器件对光致电荷的收集效率。τn越大，τc越小，则DSSC等电池的光电转换效率越高。有鉴于此，对这些光电转换特性参数进行测量有极其重要的意义，因为一方面可以根据测量结果来获知电池产品的实际性能尤其是电池传输和界面复合两方面的性能性能，另一方面能够相应对电池的制造工艺、组成元件类型、具体应用环境等方面进行适当调整，例如对TiO₂纳米晶体的掺杂、烧结温度的选择，吸光材料的分子化学修饰，表面修饰剂的选择，以及电解液中添加剂的选择等，由此尽可能地发挥包括染料敏化电池在内的光伏太阳能电池的最大效能。此外，除了染料敏化电池之外，上述光电转换特性参数对于有机小分子太阳能电池、量子点太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池等其他类型电池，以及P-N异质结有机薄膜太阳能电池等同样具备类似的意义。

现有技术中，针对这些光电转换特性参数进行测量的方式主要为准平衡态测试法。所谓准平衡态测试法，这种测试方法首先需要在研究对象内部建立准平衡态(通过外加恒定的偏置电压或偏置光照)，然后给研究对象施加一个微小扰动调制信号(光学或电气)，并采用相关仪器测量研究对象由该微小扰动调制信号引起的（光）电响应（如光电压或光电流）。根据这种测试原理，现有技术中包括强度可调光电流/电压谱仪技术(IMPS/IMVS)、以及电化学阻抗谱(EIS)技术等，以便对包括染料敏化电池在内的太阳能电池器件测量其特征参数。然而，这些测量方式分别存在以下的不足或缺陷：例如，对于IMPS/IMVS技术，现有的测试装置例如德国Zahner公司研制的控强度光电测试系统功能齐全，但是软件的操作和数据的处理均需要较强的电化学专业知识，操作复杂而且对操作人员要求很高；不足；对于EIS测量技术，其主要研究电极及其表面特性，对于其他方面尤其是染料的性能不能够很好的研究，因此适用性存在不足其测量手段单一，且运算过程非常复杂，不能够执行数据自动化运算及处理。因此，如何构建一种便于操作、测量误差小、准确高速的光电转换特性参数的测量设备及其测量方式，正成为太阳能电池研究领域的迫切技术需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷和/或技术需求，本发明的目的在于提供一种用于对光伏太阳能电池的光电转换特性参数进行测量的设备及其方法，在阶跃光诱导光电压和光电流瞬态衰减原理的基础上，能够便利、准确地实现对光伏电池的光电转换特性参数的测量，并具备数据自动化处理、测量误差低，适用于测量不同强度下的特性参数等方面的优点。

按照本发明的一个方面，提供了一种用于对光伏太阳能电池的光电转换特性参数进行测量的设备，该设备包括光源组件、测量装置和计算装置，其特征在于：

所述光源组件包括：

平衡光源，该平衡光源用于对电池提供稳定的入射光辐照，由此在电池内部建立准平衡态；

多个扰动光源，所述扰动光源用于对电池提供与平衡光源颜色不同的脉冲光辐射，由此对电池内部所建立的准平衡态进行干扰；

平衡光电源和扰动光电源，所述平衡光电源和扰动光电源彼此独立，并分别通过电路与平衡光源和各个扰动光源相连；

快速开关，所述快速开关分别设置在平衡光源与平衡光电源之间的电路、以及各个扰动光源与扰动光电源之间的电路中，用于使电路连通或断开；

快速开关控制模块，该快速开关控制模块分别与各个所述快速开关和所述计算装置相连，用于根据计算装置的指令来相应控制各个快速开关；

所述测量装置包括：

电池承载基座，该电池承载基座用于承载样品电池和参比电池，并设置在所述平衡光源和扰动光源所产生的光路上；

预标定单元，该预标定单元与所述参比电池构成回路，当参比电池受到平衡光源和扰动光源的光辐射后，预标定单元分别对其短路电流信号进行测试，由此获取光源对应的辐照度强度值并将结果传输给所述计算装置以完成对各个光源的预标定过程；

瞬态响应测试单元，该瞬态响应测试单元由偏置电路和测试电路组成，并与所述样品电池分别相并联地构成回路，当样品电池先后受到平衡光源和干扰光源的光辐射后，瞬态响应测试单元对其开路电压和偏流状态下的短路电流进行测试，并将结果及与各个结果相对应的时间值传输给所述计算装置以执行后续计算处理过程；

所述计算装置用于供测试人员输入指令以设定平衡光源和扰动光源、对各个所述快速开关进行控制、接收和显示所述预标定单元所获取的结果，以及对所述瞬态响应测试单元的测试结果进行计算处理，由此获得包括电子传输寿命、电子复合寿命、电子扩散系数、扩散长度、化学电容和表面态密度在内的一系列光电转换特性参数。

作为进一步优选地，所述扰动光源的最大辐照度小于所述平衡光源最大辐照度的10%，并且这些光源的响应速度均低于10微秒。

作为进一步优选地，所述平衡光源为白色LED灯组，所述多个扰动光源分别为红色LED灯组、黄色LED灯组和蓝色LED灯组，这些灯组集成安装在一个具备凹陷表面、并与散热装置相连的聚光器上，其中白色LED灯组设置在凹陷表面的中央位置，其他颜色的LED灯组以其为中心环绕设置在白色LED灯组的四周。

作为进一步优选地，所述平衡光电源为单独的可编程直流电压源，所述扰动光电源为单独的可编程电流电压源、或者包括多个可编程直流电压源分别对各个扰动光源供电；并且各个电源具有通信端口与所述计算装置相连，由此可根据计算装置的指令来调整其输出电流或电压。

作为进一步优选地，作为待测量对象的所述样品电池为染料敏化电池。

进一步优选地，所述快速开关为NMOS管。

作为进一步优选地，所述快速开关控制模块由输入端、微处理器和输出端组成，其中输入端与所述计算装置相连并接收由计算装置所发出表示测试者所选择的光源、光源工作状态和脉冲光脉冲宽度等参数的数字信号，所述微处理器将所接收的数字信号转换成模拟信号，所述输出端与各个所述快速开关的控制端相连，由此根据模拟信号来对快速开关相应进行控制。

作为进一步优选地，所述电池承载基座由彼此分隔的参比电池基座和样品电池基座组成，两者均呈燕尾槽结构并安装在可沿着三维方向运动的数控平移台上。

作为进一步优选地，所述参比电池譬如为按照国家标准GB/T6495.2-1996完成标定的硅太阳能电池。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的测量方法，该方法包括下列步骤：

（a）通过所述计算装置来设定平衡光源和扰动光源，包括设定平衡光源的辐照度强度，以及扰动光源的颜色、辐照度强度和脉冲强度等；

（b）首先开启所设定的平衡光源，通过所述预标定单元测试参比电池在此状态下的短路电流信号，接着关闭平衡光源并开启所设定的扰动光源来照射参比电池，通过所述预标定单元测试参比电池在此状态下的短路电流信号，由此获得相应的辐照度强度值以完成对各个光源的预标定过程；

（c）先后开启执行预标定后的平衡光源和扰动光源来照射样品电池，通过所述测试电路对样品电池在扰动光源关闭后的开路电压进行测量，并将所测得的开路电压值、以及与该开路电压值所对应的时间值传输给计算装置；

（d）继续使用平衡光源来照射样品电池，通过所述测试电路测量电池在此状态下的短路电流值；接着开启扰动光源来照射样品电池，通过所述偏置电路按照所测得的短路电流值乘以一定系数而确定的偏流值给予电池反向偏流，同时通过所述测试电路对电池在扰动光源关闭后处于偏流状态下的短路电流进行测试，并将所测得的短路电流值、以及与该短路电流值相对应的时间值传输给计算装置；

（e）所述计算装置根据所接收的开路电压值和短路电流值，通过拟合计算获得样品电池的电子传输寿命和电子复合寿命参数，并相应计算得出包括电子扩散系数、扩散长度、化学电容和表面态密度在内的其他光电转换特性参数。

作为进一步优选地，在完成步骤（e）之后，可以改变对平衡光源和扰动光源的设定，再依次重复执行步骤（b）～（e），由此获得样品电池在不同条件下的光电转换特性参数，并根据这些特性参数获取相应的特性参数曲线。

总体而言，按照本发明的测量设备及其测量方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过在光源组件中设置快速开关来执行对光源的开关，并相应设置与计算装置相连的控制模块对控制快速开关的动作，这样一方面便于根据测试人员的需求来输入及调整对平衡光源和扰动光源的控制，另一方面能够保证光源的开闭操作在符合要求的极短时间内完成，相应提高了测量的效率和准确性；

2、通过对光源的最大辐照度、响应时间及其设置方式的具体限定，能够确保电池顺利建立准平衡态及对准平衡态的扰动过程，此外，可以使得各个光源的光斑中心更为一致，同时便于安装和散热；

3、通过采用与计算装置通信连接的可编程电源来为平衡光源和扰动光源供电，可以方便地按照测量人员的指令来调整电源的输出电流或电压由此改变光源的辐照度，相应地，利用本设备既可以测试某一辐照强度下的参数，也可以测试不同强度下的表征参数，提高了不同场合下的适用性；

4、通过将电池安装在可沿着三维方向运动的数控平移台上，这样可以通过譬如电动方式来移动三维平移台，进而确保待测量的电池处于光源的光路下；此外，通过设置特定的光源预标定单元，能够有效减少因为人为原因或光源本身所造成的测量误差，提高系统测量精确度和可靠性；

5、整体设备数据处理自动化，由于所有数据通信、计算和处理都通过计算装置来执行，能够极大提高测量过程的效率，降低测量误差，同时减少测量人员的工作量；

6、在所有的测量过程中，操作人员不需要非常专业的电化学知识，也不需要经过专门的培训即可使用，因此极大方便地适用面。

附图说明

图1是按照本发明的测量设备的整体结构示意图；

图2是按照本发明优选实施例的瞬态响应测试装置的结构示意图；

图3a是按照本发明优选实施例的包括平衡光源和扰动光源的光源件的正视图；

图3b是按照本发明优选实施例的包括平衡光源和扰动光源的光源件的侧视图；

图4a是样品电池在100%辐照度下的瞬态光电压衰减曲线示意图；

图4b是样品电池在100%辐照度下的瞬态光电流衰减曲线示意图；

图5是样品电池在不同辐照度条件下所测得的电荷传输寿命曲线示意图；

图6是样品电池在不同辐照度条件下所测得的电荷复合寿命曲线示意图；

图7是样品电池在不同辐照度条件下所测得的电容曲线示意图；

图8是样品电池的扩散系数与开路电压之间的关系曲线示意图；

图9是样品电池的扩散长度与开路电压之间的关系曲线示意图；

图10是样品电池的表面态密度与开路电压之间的关系曲线示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、光源件2、电源模块3、快速开关4、快速开关控制模块5、偏置电路6、测试电路7、样品电池8、参比电池9、数控平移台10、预标定单元11、平衡光电源12、扰动光电源13、散热装置14、聚光器15、白色LED灯组16、红色LED灯组17、黄色LED灯组18、蓝色LED灯组19、参比电池基座20、样品电池基座

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是按照本发明的测量设备的整体结构示意图。如图1中所示，按照本发明所构思的用于对太阳能光伏太阳能电池的光电转换特性参数进行测量的设备主要包括光源组件、测量装置和计算装置。其中光源组件的作用主要在于对待测量的电池提供光辐射并建立准平衡态、以及对所建立的准平衡态执行扰动；测量装置的主要作用在于对扰动后的电池状态进行测量，由此在阶跃光诱导光电压和光电流瞬态衰减原理的基础上获得反映电池光电转换特性的多项表征参数。计算装置分别与光源组件、测量装置功能连接，主要作用在于提供对测量结果的运算处理及其他控制操作，如设定光源和对光源的控制等。

下面将各个部件的具体构造及功能逐一详细进行描述。

光源组件包括由平衡光源和多个扰动光源共同组成的光源件1，由平衡光电源和扰动光电源组成的电源模块2，快速开关3，以及快速开关控制模块4。其中平衡光源用于对电池提供稳定的入射光辐照，由此在电池内部建立准平衡态，例如可以采用白色LED灯组；多个扰动光源用于对电池提供脉冲光辐射，由此对电池内部所建立的准平衡态进行干扰，考虑到一般电池的对不同的光敏感程度不同，可以采用红、黄、蓝三种彩色LED灯组。在一个实施例中，这四种灯组均由四个LED灯珠串联组成，光源件1具体构造如图3a和图3b所示。图3a为光源件1的正视图，显示了四种LED灯组具体排布方式，其中白色LED灯组15排列于聚光器的凹面的中心位置，红色LED灯组16、黄色LED灯组17、蓝色LED灯组18沿圆周交叉均匀排列，这样排列的好处是所有LED灯组的光斑中心位置基本位于同一个位置，同时可以在较小的空间中完成组装。图3b为光源件1侧视图，包括散热装置13、聚光器14和白、红、黄、蓝四种LED灯组。其中聚光器14镶嵌在散热装置13上，四种LED灯组镶嵌在聚光器14的凹面上，散热器13用以对四种LED灯组散热，聚光器14用以增强四种LED灯组的辐照度。在另外一个优选实施例中，扰动光源的最大辐照度被设定为小于平衡光源最大辐照度的10%，并且这些光源的响应速度均低于10微秒。

测量时，为了保证数据拟合和处理更符合，电源模块2包括平衡光电源11和扰动光电源12，二者彼此独立，并分别通过电路与平衡光源和各个扰动光源相连。其中平衡光电源11采用直流电压源。由于三种彩色LED灯组的功能一致，扰动光电源12可以采用一个直流电压源供电，也可以采用多个直流电压源分别供电。因此电源模块2可以为双通道或者多通道直流电压源，也可以是多个直流电压源。本实施例中采用2个直流电压源作为平衡光电源11和扰动光电源12，分别对平衡光源和扰动光源供电。白色LED灯组15的辐照度强度与平衡光电源11提供的电流大小关系已知，各个彩色LED灯组的辐照度强度与扰动光电源12提供的电流大小关系也已知。本实施例中采用的2个直流电压源均为可编程直流电压源，通信端口均为USB接口，相应地，可以根据通过与计算装置相连并根据计算装置的指令来方便、实时地调整其输出电流或电压。

快速开关3分别设置在平衡光源与平衡光电源之间的电路、以及各个扰动光源与扰动光电源之间的电路中，用于使电路连通或断开快速开关。由于样品电池的电子在传输和复合过程中，寿命均为微秒量级或者小于微秒量级，为了保证测试的准确度，将光源组件的响应速度也设置在此量级。在一个优选实施例中，快速开关3为开关时间小于10us的开关并具有继电器。，例如，可以采用NMOS管作为快速开关3，其开关速度为100ns。对应于四种灯组，一共采用四个快速开关，每种LED灯组都串联一个快速开关3，并与各自的供电电源串联。当快速开关3的控制端电平为高电平时，开关处于导通状态；当快速开关3的控制端电平为低电平时，开关处于断开状态。

快速开关3的控制端与快速开关控制模块4输出端连接，快速开关控制模块4分别与各个所述快速开关3和所述计算装置相连，用于根据计算装置的指令来相应控制各个快速开关。开关控制模块4输入端为RS232串口，微处理器采用80c51单片机，输出端为单片机的4个输入输出口，每个输入输出口与一个快速开关3的控制端连接，每个输入输出口初始状态均为低电平。开关控制模块4通过输入端接收计算装置发出的表示测试者选择的LED灯组颜色、工作状态、脉冲光脉冲宽度等测试参数的数字信号后，微处理器将数字信号转换为模拟信号，通过输出端施加到与快速开关3的控制端上。当工作状态为导通时，此时与被选择的LED灯组连接的快速开关3的控制端电压变为高电平；当工作状态为断开时，与被选择的LED灯组连接的快速开关3的控制端电压变为低电平；当工作状态为脉冲光时，与被选择的LED灯组连接的快速开关3的控制端电压先变为高电平，持续时间为设定脉冲光的脉冲宽度，后变为低电平。这样实现测试者选择光源的导通或断开状态，以及选择LED灯组产生扰动光要求。

测量装置包括电池承载基座，预标定单元，瞬态响应测试单元等。其中电池承载基座用于承载样品电池和参比电池，设置在所述平衡光源和扰动光源所产生的光路上，譬如由彼此分隔的参比电池基座19和样品电池基座20组成。在一个优选实施例中，两者均呈燕尾槽结构并安装在可沿着三维方向运动的数控平移台9上。数控平移台9载物台面与光路垂直，参比电池基座19和样品电池基座20固定在载物台面上且高度一致。参比电池8和样品电池7分别放置在参比电池基座19和样品电池基座20内。通过数控平移台9的平移即可方便地使参比电池和样品电池分别接受光照。

预标定单元10与所述参比电池8构成回路，当参比电池8受到平衡光源和扰动光源的光辐射后，预标定单元10分别对其短路电流信号进行测试以获取光源对应的辐照度强度值，并将结果传输给所述计算装置以便对各个光源执行预标定过程，为了使电路简单，预标定单元10采用数字电流表。

瞬态响应测试单元由偏置电路5和测试电路6组成，并与所述样品电池7分别并联构成回路，当样品电池7先后受到平衡光源和干扰光源的光辐射后，瞬态响应测试单元对其开路电压和偏流状态下的短路电流，并将结果以及与各个结果分别所对应的时间值传输给所述计算装置以执行后续计算处理过程。由于测试电池的瞬态响应，偏置电路5和测试电路6均需要较高的响应速度和测试精度，同时为了保证偏置和测试能够同步，因此瞬态响应测试单元可以采用双通道电源电表，一个通道作为偏置电路5，另一个通道为测试电路6，具体如图2所示。

所述计算装置用于供测试人员输入指令以设定平衡光源和扰动光源、对各个所述快速开关进行控制、接收和显示所述预标定单元所获取的结果，以及对所述瞬态响应测试单元的测试结果进行计算处理，由此获得包括电子传输寿命、电子复合寿命、电子扩散系数、扩散长度、化学电容和表面态密度在内的一系列光电转换特性参数，本实施例中计算装置可以采用台式电脑。

下面将具体描述使用按照本发明的测量设备进行光电转换特性参数测量的具体过程。为便于说明，该过程例如包括下列步骤：

（a）设定作为平衡光源的白色LED灯组的辐照度强度（例如1个太阳强度），作为干扰光源的彩色LED灯组的颜色（例如红色）、强度（例如0.01个太阳强度）和脉冲宽度（例如80ms）；

（b）白色LED灯组开，数控平移台9移动使参比电池接受白色LED灯组照射，通过预标定单元10测试参比电池8在此状态下的短路电流信号，从而获得当前白色LED灯组实际辐照度强度；白色LED灯组关，彩色LED灯组开，参比电池接受彩色LED灯组的照射，通过预标定单元10测试参比电池8在此状态下的短路电流信号，得到当前彩色LED灯组实际辐照度强度；通过将这些实际辐照度传输给计算装置以完成预标定过程；

（c）白色LED灯组开，彩色LED灯组关，数控平移台9移动使样品电池7接受白色LED灯组照射，样品电池7达到稳定状态后，彩色LED灯组发出脉冲光照射电池，同时测试电路6测试脉冲光关闭后样品电池的开路电压V，并将所获得开路电压V以及对应的时间t_v传输给计算装置；

（d）样品电池7继续接受白色LED灯组照射，样品电池7达到稳定状态后，测试样品电池7在此状态下的短路电流Isc，彩色LED灯组发出脉冲光照射电池，此时偏置电路5给予样品电池7反向偏流(该反向偏流根据前面所测得的短路电流值乘以一定系数而确定)，同时测试电路6测试脉冲光关闭后样品电池7在偏流状态下的短路电流I，并将所获得短路电流I以及对应的时间t_I传输给计算装置；

(e)计算装置根据所接收的开路电压V及对应的时间t_v，对V在脉冲光关闭后的电压-时间衰减曲线进行拟合，拟合公式为：

$V\left(t_v\right)=V_0+\mathrm{\ΔV}\×e^{[-(t_v-t_0)/{\mathrm{\τ}}_e]}---\left(1\right)$

其中，V(t_v)为测试完成后在计算机所采集到的开路电压值，公式中表示从脉冲光关闭到衰减完成这一过程的开路电压值，t_v表示测试完成后在计算机所采集到的与开路电压所对应的时间值，t₀表示从测试开始到脉冲光关闭这一过程的时间，e为自然常数，V₀、ΔV、τ_e分别为拟合值，其中V₀为平衡光源稳定照射电池表面状态下电池的开路电压，ΔV为当扰动光源处于脉冲平台时样品电池电压的变化量，τ_e为电子复合寿命。如图4a所示，通过测试及拟合方式可以获得：V₀＝0.7754V，ΔV＝0.0029V，τ_e＝0.006793s；

此外，计算装置根据所接收的短路电流I以及对应的时间t_I，对I在脉冲光关闭时的电流-时问衰减曲线进行拟合，拟合公式为：

$I\left(t_I\right)=I_0+\mathrm{\ΔI}\×e^{[-(t_I-t_1)/{\mathrm{\τ}}_c]}---\left(2\right)$

其中，I(t_I)为测试完成后在计算机所采集到的短路电流值，公式中表示从脉冲光关闭到衰减完成这一过程的短路电流值，t_I为测试完成后在计算机所采集到的与短路电流值对应时间值，t₁表示从测试开始到脉冲光关闭这一过程的时间，e为自然常数，I₀、ΔI、τ_c分别为拟合值，I₀表示在未照射平衡或干扰光源(即暗态下)时电池的短路电流，ΔI表示当电池处于扰动光源照射时(即处于脉冲平台时)样品电池电流的变化值，τ_c为电子传输寿命。如图4b所示，其中I₀＝8μA，ΔI＝0.416mA，τ_c＝0.00169s：

接着利用公式：

D_n＝d²/2.35τ_c                    (3)

其中，d为样品电池光阳极厚度为10μm，得到扩散系数D_n＝2.52×10^-04cm²/s；

接着利用公式：

$L=\sqrt{D_n{\mathrm{\τ}}_e}---\left(4\right)$

得到样品电池扩散长度L＝13.1μm；

与此同时，对电流在衰减区间的变化值进行积分即可得到样品电池因脉冲光照射引起的电荷变化AQ；即：

$\mathrm{\ΔQ}=\∫\mathrm{\ΔI}\×e^{[-(t_I-t_1)/{\mathrm{\τ}}_c]}\mathrm{dt}---\left(5\right)$

利用公式：

C＝ΔQ/ΔV                      (6)

由以上步骤可知ΔQ＝0.434μC，ΔV＝0.0029V，即：得到样品电阻在该白色LED灯组的辐照度强度下的化学电容C大小：C＝0.146 mF；

最后利用公式：

DOS＝6.24×10¹⁸C/ad(1-p)         (7)

其中p＝0.63为样品电池孔隙率，a＝0.2cm²，d＝10μm，由此得到样品电池表面态密度DOS＝1.43×10²⁰cm^-3V^-1。

以上运算过程及表达式皆为本领域的技术人员所公知，因此，在此仅为示范性举例说明，其具体原理及推导过程不再详述。

作为选择，还设定一系列白色LED灯组的辐照度强度，并设定相应的彩色LED灯组的颜色、强度和脉冲宽度，在每一个白色LED灯组的辐照度强度下重复(b)～(e)步骤，得到不同辐照度强度下的参数：电子传输寿命τ_e，电子复合寿命τ_c，电池化学电容C扩散系数D_n，扩散长度L，表面态DOS。将上述数据进行拟合处理，并作图。输出参数表格以及电子复合寿命τ_c与辐照度关系曲线，如图5，电子复合寿命τ_e与辐照度关系曲线如图6，电子化学电容C与辐照度关系曲线如图7，扩散系数D_n、扩散长度L、表面态DOS与开路电压关系分别如图8，图9，图10所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于对光伏太阳能电池的光电转换特性参数进行测量的设备，该设备包括光源组件、测量装置和计算装置，其特征在于：

所述光源组件包括：

平衡光源，该平衡光源用于对电池提供稳定的入射光辐照，由此在电池内部建立准平衡态；

多个扰动光源，所述扰动光源用于对电池提供与平衡光源颜色不同的脉冲光辐射，由此对电池内部所建立的准平衡态进行干扰；

平衡光电源和扰动光电源，所述平衡光电源和扰动光电源彼此独立，并分别通过电路与平衡光源和各个扰动光源相连；

快速开关，所述快速开关分别设置在平衡光源与平衡光电源之间的电路、以及各个扰动光源与扰动光电源之间的电路中，用于使电路连通或断开；

快速开关控制模块，该快速开关控制模块分别与各个所述快速开关和所述计算装置相连，用于根据计算装置的指令来相应控制各个快速开关；

所述测量装置包括：

电池承载基座，该电池承载基座用于承载样品电池和参比电池，并设置在所述平衡光源和扰动光源所产生的光路上；

预标定单元，该预标定单元与所述参比电池构成回路，当参比电池受到平衡光源和扰动光源的光辐射后，预标定单元分别对其短路电流信号进行测试以获取光源对应的辐照度强度值，并将结果传输给所述计算装置以便对各个光源执行预标定过程；

瞬态响应测试单元，该瞬态响应测试单元由偏置电路和测试电路组成，并与所述样品电池分别相并联地构成回路，当样品电池先后受到平衡光源和干扰光源的光辐射后，瞬态响应测试单元对其开路电压和偏流状态下的短路电流进行测试，并将结果及与各个结果相对应的时间值传输给所述计算装置以执行后续计算处理过程；

所述计算装置用于供测试人员输入指令以设定平衡光源和扰动光源、对各个所述快速开关进行控制、接收和显示所述预标定单元所获取的结果，以及对所述瞬态响应测试单元的测试结果进行计算处理，由此获得包括电子传输寿命、电子复合寿命、电子扩散系数、扩散长度、化学电容和表面态密度在内的一系列光电转换特性参数。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述扰动光源的最大辐照度小于所述平衡光源最大辐照度的10%，并且这些光源的响应速度均低于10微秒。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述平衡光源为白色LED灯组，所述多个扰动光源分别为红色LED灯组、黄色LED灯组和蓝色LED灯组，这些灯组集成安装在一个具备凹陷表面、并与散热装置相连的聚光器上，其中白色LED灯组设置在凹陷表面的中央位置，其他颜色的LED灯组以其为中心环绕设置在白色LED灯组的四周。

4.如权利要求1-3任意一项所述的设备，其特征在于，所述平衡光电源为单独的可编程直流电压源，所述扰动光电源为单独的可编程电流电压源、或者包括多个可编程直流电压源分别对各个扰动光源供电；并且各个电源具有通信端口与所述计算装置相连，由此可根据计算装置的指令来调整其输出电流或电压。

5.如权利要求1-4任意一项所述的设备，其特征在于，作为待测量对象的所述样品电池为染料敏化电池。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述快速开关为NMOS管。

7.如权利要求1-6任意一项所述的设备，其特征在于，所述快速开关控制模块由输入端、微处理器和输出端组成，其中输入端与所述计算装置相连并接收由计算装置所发出表示测试者所选择的光源、光源工作状态和脉冲光脉冲宽度等参数的数字信号，所述微处理器将所接收的数字信号转换成模拟信号，所述输出端与各个所述快速开关的控制端相连，由此根据模拟信号来对快速开关相应进行控制。

8.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述电池承载基座由彼此分隔的参比电池基座和样品电池基座组成，两者均呈燕尾槽结构并安装在可沿着三维方向运动的数控平移台上。

9.一种采用如权利要求1-8任意一项所述的设备对光伏太阳能电池的光电转换特性参数进行测量的方法，该方法包括下列步骤：

（a）通过所述计算装置来设定平衡光源和扰动光源，包括设定平衡光源的辐照度强度，以及扰动光源的颜色、辐照度强度和脉冲强度等；

（b）首先开启所设定的平衡光源，通过所述预标定单元测试参比电池在此状态下的短路电流信号，接着关闭平衡光源并开启所设定的扰动光源来照射参比电池，通过所述预标定单元测试参比电池在此状态下的短路电流信号，由此获得相应的辐照度强度值以完成对各个光源的预标定过程；

（c）先后开启执行预标定后的平衡光源和扰动光源来照射样品电池，通过所述测试电路对样品电池在扰动光源关闭后的开路电压进行测量，并将所测得的开路电压值、以及与该开路电压值所对应的时间值传输给计算装置；

（d）继续使用平衡光源来照射样品电池，通过所述测试电路测量电池在此状态下的短路电流值；接着开启扰动光源来照射样品电池，通过所述偏置电路按照所测得的短路电流值乘以一定系数而确定的偏流值给予电池反向偏流，同时通过所述测试电路对电池在扰动光源关闭后处于偏流状态下的短路电流进行测试，并将所测得的短路电流值、以及与该短路电流值相对应的时间值传输给计算装置；

（e）所述计算装置根据所接收的开路电压值、短路电流值及时间值，通过拟合计算获得样品电池的电子传输寿命和电子复合寿命参数，并相应计算得出包括电子扩散系数、扩散长度、化学电容和表面态密度在内的其他光电转换特性参数。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在完成步骤（e）之后，改变对平衡光源和扰动光源的设定，再依次重复执行步骤（b）～（e），由此获得样品电池在不同条件下的光电转换特性参数，并根据这些特性参数获取相应的特性参数曲线。

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