CN102947693A - 采用无触点方式确定光转换器特征的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定光转换器材料在测量光强度I0下的最大开路电压(Vco)和能够输出的功率的方法，该方法包括如下步骤：测量材料的光致发光强度；以大致等于光转换器材料的光致发光波长的第二波长(λ2)来测量光转换器材料的吸收率；籍助于以大体相同的波长所测量获得的吸收率和光致发光强度来确定光转换器材料在测量光强度I0下的最大开路电压(Vco)；所述发明的特征在于，所述光源和光转换器材料设置成材料辐照表面上入射和射出的光线与由检测器所收集的光线的角分布大体相同。

Description

采用无触点方式确定光转换器特征的方法

技术领域

本发明涉及用于确定光转换器材料的最大开路电压的方法。

背景技术

薄膜电池类的太阳能电池大多基于光转换器材料和电流收集材料的层叠结构，例如非晶硅电池、碲化镉电池、砷化镓电池或其他III-V化合物电池，或者例如基于铜、镓、铟化二硒等的半导体化合物电池。

鉴于开发整体装置的困难性，更可取的是关注于对光转换器材料的选择。

为了实现对光转换器材料的最佳选择，就需确定材料的光电性能，以便推断出整体装置可能获得的效率。

为此，尤其是对于薄膜技术，通常必需开发特定技术步骤来消除触点所带来的影响，否则就有可能影响甚至决定该触点/光转换器材料的系统性能。提供这些触点的最优化因此可能是耗时的，并且不会对最终的光电装置有任何真正附加值的贡献，其中设置触点当然是必要的但不过还会受到其它技术约束。

因此，需要一种方法，能够直接测量光转换器材料的光电性能，以便估算使用该光转换器材料所能获得的太阳能电池的效率，而无需对该材料进行成型和处理或设置触点。

发明内容

为满足这一需求，本发明提出一种采用无触点方式来确定光转换器材料的最大开路电压的方法。

本发明提出一种用于确定光转换器材料在测量光强度I0下的最大开路电压(Vco)的方法，所述方法包括如下步骤：

通过使用第一光源辐照光转换器材料来测量光转换器材料的光致发光强度，第一光源具有对应于大于该光转换器材料的吸收能(Eg)的第一激发能的第一光强度I1和第一波长(λ1)，其中第一光强度I1大致等于测量光强度I0，

通过使用第二光源以第二波长(λ2)辐照光转换器材料来测量光转换器材料的吸收率，第二光源具有第二波长(λ2)和第二光强度I2，其中第二波长大致等于光转换器材料的光致发光波长，以及，

使用在大致相同波长下测量获得的吸收率和光致发光强度来确定光转换器材料在测量光强度I0下的最大开路电压(Vco)，

其中，光源和光转换器材料设置成由材料辐照表面所入射和射出的光线与由检测器所收集到的光线的角分布大体相同。

有利的是，本发明的方法允许直接确定给定光转换器材料所能达到的开路电压，而无需对该材料进行成型或处理或设置触点。

根据本发明的方法还以单独或任何可能组合方式包括下述一项或多项可选的特征：

使用下述方程式确定开路电压(Vco)：

$I_{\mathrm{PL}}=a\left(v2\right)\frac{2n_{v2}^2}{c^2}\frac{v^2}{\exp \left(\frac{\mathrm{hv}-\mathrm{qVco}}{\mathrm{kT}}\right)-1},$

其中：I_PL是光转换器材料的光致发光强度，通过以第一光强度I1辐照光转换器材料测量获得，并特别关注各个频率间隔的辐射能量密度，

a(v2)是光转换器的吸收率，以大致等于光转换器材料光致发光波长的第二波长(λ2＝c*v2)和第二光强度I2测量获得，

n_v2是光转换器材料在该光转换器材料的光致发光波长下的光指数，

c是真空中电磁辐射的速度，

v是对应于光转换器材料的光致发光波长的频率，

h是普朗克常量，

k是波尔兹曼常量，

T是光转换器的表面温度，

q是元电荷的值，以及，

Vco是光转换器材料的开路电压。

光转换器材料、第一和第二光源和光测量装置设置成光转换器材料的辐照立体角大致等于光测量装置的收集立体角；

光转换器放置在光度计圆球结构中，使之可由第一和第二光源间接辐照；以及，

使用二极管或分光计进行光致发光强度和/或吸收率的测量，可能需要调制取样信号以提高灵敏度。

本发明还涉及一种用于确定光转换器材料的能效的方法，所述方法包括如下步骤：

通过本发明的方法，确定光转换器材料在测量光强度I0下的最大开路电压(Vco)，

通过以大致等于测量光强度I0的第三光强度I3和不同波长测量材料的吸收率来确定光转换器材料的光电流，

根据下述方程式确定光转换器材料在光强度I0下的能效：

效率＝Vco*Icc*FF/Pinc，

其中，Icc是光转换器材料的光电流，

Vco是光转换器材料的最大开路电压，

FF是光转换器材料的波形因数，以及，

Pinc是入射功率。

波形因数FF可通过一个已知公式进行计算，例如下述公式：

FF＝(vco-ln(0,7+vco))/(1+vco)，同时vco＝Vco/k*T。

本发明还涉及一种用于确定光转换器材料在强度I0光源辐照下可获取的功率的方法，所述方法包括如下步骤：

通过本发明的方法，确定光转换器材料在介于I0/20和I0之间的多个光强度Ij下的最大开路电压Vco，

通过本发明的方法确定光转换器材料的光电流Icc，

通过绘制作为Vco(Ij)的函数的Icc*Ij/I0来确定光转换器材料可获取的功率。

通过绘制作为Vco(I0)的函数的Icc*Ij/I0并考虑最大矩形的表面积，就可获得会激发的功率，该最大矩形可的绘制介于以下内容之间：

-穿过V＝0的垂直轴，

-纵坐标I＝I0的水平线，

-作为Vco(Ij)的函数的上述曲线Icc*Ij/I0。

所寻求的功率数值等于该矩形的表面积。

在本发明的一个实施例中，使用下述方程式来确定光转换器材料的光电流：

Icc＝∫a(ν)Φ(ν)dν，

其中，Icc是光转换器材料所确定的光电流，

a(v)是光转换器材料在测量光强度I0下的吸收率，以及，

Φ(ν)是入射光通量。

附图说明

本发明将通过阅读仅以示例和参考下述附图所提出的下文描述而得到更加清晰的理解：

图1图示显示了根据本发明的一个实施例用于测量光转换器材料的吸收率的装置；

图2图示显示了根据本发明的一个实施例用于测量光转换器材料的光致发光强度的装置；以及，

图3显示了一种可实施本发明方法的装置。

为了清楚起见，附图中展示的多个元素不必按比例绘出。

具体实施方式

本发明中的“等效光致发光发射和吸收的过程”可理解为是指对应于时间反演的空间几何上的吸收和发射的过程。在一个实施例中，辐照光转换器材料，使得入射和射出光线的平均角度和角展度是相同的。

在本发明的一个实施例中，辐照光转换器材料，使得光源和光转换器材料因此构成材料辐照表面上入射和射出的光线与由检测器所收集的光线的角分布大体相同。

发明人已经观察到：在开路条件下，由光转换器材料的发光而射出的能量可与该材料的电容测量相关，以避免因电子复合而引起的损耗。

因电子复合损耗所引起的这些损耗与可收集的电功率相竞争，这就意味着由光转换器材料所发射的绝对发光通量可用于确定整体装置在相同照明条件下可达到的最大开路电压(Vco)。

光转换器材料的开路电压Vco数值可出现在光谱辐射和载流子qV的准费米能级间距之间的关系式中。发明人已经观察到：光转换器材料在某些条件下的光谱辐射和载流子qV的准费米能级间距之间的关联可由广义的普朗克方程给出：

$I_{\mathrm{PL}}=a\left(v2\right)\frac{2n_{v2}^2}{c^2}\frac{v^2}{\exp \left(\frac{\mathrm{hv}-\mathrm{qVco}}{\mathrm{kT}}\right)-1},$

其中，I_PL是该材料的光致发光强度，

a(v2)是光转换器以大致等于光转换器材料的光致发光波长的第二波长(λ2＝c*v2)和第二光强度I2所测量获得的吸收率，

n_v2是光转换器材料处于光转换器材料的光致发光波长时的光指数，

c是真空中电磁辐射的速度，

v是对应于光转换器材料的光致发光波长的频率，

h是普朗克常量，

k是波兹曼常量，

T是光转换器的表面温度，

q是元电荷的值，以及，

Vco是光转换器材料的开路电压。

数值q*Vco表示可从光转换器材料获取的最大自由能量。这是可以确定的，只要吸收和折射指数都是已知的，这就允许确定允许在频率v下的吸收率a(v)。

数值q*Vco也可使用适当的光学装置来测量，例如光度计圆球，可使用基尔霍夫定律，通过该定律，在各个频率下的光吸收率和发射率都是相等的。

在本发明的一个实施例中，本发明的方法包括测量光转换器材料的光致发光强度的第一步骤。

如图1所示，光转换器材料10可放置在光度计圆球12的一个开口处。光转换器材料10接收第一光源(未示出)辐照。第一光源放置在光度计圆球12的外部，并通过光度计圆球12中的开口14辐照光转换器材料10。

第一光源以第一强度I1和第一波长λ1辐照光转换器材料10，第一波长λ1对应于大于光转换器材料10吸收能(Eg)的第一激发能。

在一个实施例中，将允许选择第一波长λ1的装置16放置在第一光源和光转换器材料10之间。

光转换器材料10放置在光度计圆球12中，使得它被第一光源间接辐照。入射辐射的吸收过程和光致发光过程因此是等效的，这就意味着它们以时间反演的方式在空间几何上相对应或者材料辐照表面上入射和射出的光线与由检测器所收集的光线的角分布大体相同。

在图1所示的实施例中，辐照光转换器材料，使得入射光线和光致发光光线的平均入射角和角展度是相同的。

可通过放置在光度计圆球12一个边缘的测量装置18来测量光转换器材料10的光致发光强度。可使用本领域技术人员所熟知的任何测量装置。具体的说，可使用的装置包括可实现光强度测量的二极管和选择性滤波器，例如，陷波滤波器或衍射光栅，以过滤波长以便仅测量在光转换器材料10的光致发光波长周围的强度。有利的是，该测量装置可以是分光计。

本发明的方法还包括以光转换器材料10的一个可检测光致发光发射波长来测量光转换器材料10的吸收率的步骤。

在图2所示的本发明实施例中，为了测量吸收率，光转换器材料10可放置在光度计圆球中，例如用于测量光致发光强度的同一个光度计圆球。

光转换器材料10由第二波长λ2和第二光强度I2的第二光源辐照，第二光强度可以是任意的但必须适合于所使用的检测器的灵敏度。

优选的是，第二波长λ2大致等于光转换器材料的光致发光波长和第二光强度I2大致等于第一强度I1。

光转换器材料10以与光致发光测量的相同方式设置在光度计圆球中。因此，入射辐射的吸收和发光的过程都是等效的，这就意味着它们以时间反演方式在空间几何上相对应或者材料辐照表面上入射和射出的光线以及由检测器所收集的光线的角分布大体相同。

在图2和3所示的实施例中，材料辐照表面上入射和射出的光线与由检测器所收集的光线的立体角都是2π。光转换器材料10的吸收率通过测量反射率来获得，且假定光转换器材料10的透射率几乎为零。在本发明的一个实施例中，可将反射表面以返回所有入射光线的方式放置在光转换器材料10之后。

在图1和2所示的测量条件下，广义的普朗克方程式是可适用的。它允许推断出光转换器材料10适用于吸收率和光致发光测量的最大开路电压Vco。

在本发明的一个实施例中，有可能使用某种光学装置来测量光转换器材料10的光致发光强度和吸收率，该光学装置允许光转换器材料10的辐照立体角大致等于光学测量装置的收集立体角。

图3图示了这种光学装置的一个示例。

光转换器材料10由光源20辐照。光源20所辐射出的光线通过使用包括例如会聚透镜的第一光学装置22聚焦于光转换器材料。

光学装置构成使得入射光辐射的轴大致垂直于光转换器材料10的平面。

入射辐射可优选地籍助于放置在第一光学装置22和光转换材料10之间的部分反射板以与入射光辐射的轴形成大约45°角的方式进行划分。

由光转换器材料10的光致发光反射或发射出的辐射通过半反射板25和第二聚焦装置26直接引向测量装置24。第二聚焦装置可包括会聚透镜，用于将光致发光反射或发射出的辐射聚焦于测量装置24上。

在本发明的一个实施例中，光转换器材料10可使用参考太阳光谱进行辐照，滤除接近和低于光转换器材料的吸收阈值Eg的光谱部分，从而可检测出在吸收阈值Eg附近的光致发光。在这种情况下，使得接近吸收阈值Eg的发射能带中的光致发光强度能够估算该材料在相同光照下所能获取的自由能量。

在给定的激发条件下，使得光转换器材料10在大于材料的吸收阈值和覆盖所要转换光谱的光谱范围中的吸收率测量能够提供在这些相同辐照条件下所能产生的最大光电流。实际上，光电流受限于所吸收的光子数量，在通常情况下，一个吸收的光子仅仅只能产生单个电子/空穴对。

光谱范围内的点的数量和选择决定了用于确定开路电压数值的精度。

在优化的光电结构和/或好的材料中，光生载流子的收集是好的并且内部量子产额实际上接近于光转换器材料的吸收率，例如介于80和90％之间。导电率或者甚至于迁移率的测量，根据已知的方法都可支持有效收集的假设。

本发明还涉及一种确定光转换器材料在测量光强度I0下的能效的方法。

用于确定效率的方法可额外包括使用本发明的方法来确定光转换器材料在测量光强度I0下的最大开路电压(Vco)的步骤。

根据本发明用于确定效率的方法还包括确定光转换器材料的光电流的步骤。光电流可通过测量材料在不同波长下的吸收率来确定，以便覆盖所要转换的光谱。确定数值的数量决定了所进行确定的精度。

在本发明的一个实施例中，光转换器材料的光电流籍助于如下方程式确定：

Icc＝∫a(ν)Φ(ν)dν

其中，Icc是光转换器材料的确定光电流，

a(v)是光转换器材料在测量光强度I0下的吸收率，以及，

Φ(ν)是入射光通量。

发明人已经观察到：入射光通量会影响光电流和最大开路电压Vco。针对一定范围的入射通量绘制作为最大开路电压Vco的函数的光电流Icc，就可产生光转换器材料的电压-电流特性。

基于光转换器材料的电压-电流特性，本领域技术人员可推断出暗电流，即光转换器材料在没有光照的情况下的残余电流。该暗电流允许获得辐射复合的数量，从而获得辐射效率。

光转换器材料在光强度I0下的能效正比于最大开路电压Vco和光电流的乘积。

本发明并不限制于描述的实施例以及并不限制于以受限方式的解释。它包括任意的等效实施例。尤其是，广义普朗克方程式可应用于具有多个吸收阈值或多光子吸收，即具有多个光子处理过程的任意系统。

Claims (8)

1.用于确定光转换器材料在测量光强度I0下的最大开路电压(Vco)的方法，所述方法包括如下步骤：

通过使用第一光源辐照光转换器材料来测量光转换器材料的光致发光强度，第一光源具有第一光强度I1和对应于大于光转换器材料的吸收能(Eg)的第一激发能的第一波长(λ1)，第一光强度I1大致上等于测量光强度I0，

通过使用第二光源以第二波长(λ2)辐照光转换器材料来测量光转换器材料的吸收率，第二光源具有大致等于光转换器材料的光致发光波长的第二波长(λ2)和第二光强度(I2)，以及，

使用在大致相同波长下测量获得的吸收率和光致发光强度来确定光转换器材料在测量光强度I0下的最大开路电压(Vco)，

其中，所述光源和光转换器材料设置成材料辐照表面所入射和射出的光线与由检测器所收集的光线的角分布大体相同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述开路电压(Vco)使用下述方程式来确定：

$I_{\mathrm{PL}}=a\left(v2\right)\frac{2n_{v2}^2}{c^2}\frac{v^2}{\exp \left(\frac{\mathrm{hv}-\mathrm{qVco}}{\mathrm{kT}}\right)-1},$

其中，I_PL是光转换器材料的光致发光强度，通过以第一光强度I1辐照光转换器材料测量获得，

a(v2)是光转换器的吸收率，以大致等于光转换器材料的光致发光波长的第二波长(λ2＝c*v2)和第二光强度I2测量获得，

n_v2是光转换器材料在该光转换器材料的光致发光波长下的光指数，

c是真空中电磁辐射的速度，

v是对应于光转换器材料的光致发光波长的频率，

h是普朗克常量，

k是波尔兹曼常量，

T是光转换器的表面温度，

q表示元电荷的值，以及，

Vco是光转换器材料的开路电压。

3.根据权利要求1或2任一项所述的方法，其特征在于，所述光转换器材料(10)、第一和第二光源和光测量装置(18)设置成光转换器材料(10)的辐照立体角大致等于光测量装置(18)的收集立体角。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述光转换器材料(10)放置在光度计圆球结构(12)中，使之由第一和第二光源间接辐照。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述光致发光强度和/或吸收率的测量可使用二极管和分光计来进行。

6.用于确定光转换器材料的能效的方法，所述方法包括如下步骤：

通过根据上述权利要求任一所述的方法，确定光转换器材料(10)在测量光强度I0下的最大开路电压(Vco)，

通过以大致等于测量光强度I0的第三光强度I3和不同的波长测量材料的吸收率来确定光转换器材料的光电流，

根据下述方程式确定光转换器材料在光强度I0下的能效：

效率＝Vco*Icc*FF/Pinc，

其中，Icc是光转换器材料的光电流，

Vco是光转换器材料的最大开路电压，

FF是光转换器材料的波形因数，以及，

Pinc是入射功率。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光转换器材料的光电流使用下述方程式来确定：

Icc＝∫a(ν)Φ(ν)dν，

其中，Icc是光转换器材料的确定光电流，

a(λ)是光转换器材料在测量光强度I0下的吸收率，以及，

Φ(λ)是入射光通量。

8.用于确定光转换器材料在强度I0的光源辐照下可获取的功率的方法，所述方法包括如下步骤：

通过根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，确定光转换器材料在介于I0/20和I0之间的多个光强度Ij下的最大开路电压Vco，通过根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，确定光转换器材料的光电流Icc，

通过绘制作为Vco(Ij)的函数的Icc*Ij/I0来确定光转换器材料可获取的功率。

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