CN103197223A - 光引入测试太阳电池宏微观性能装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种光引入测试太阳电池宏微观性能装置和方法，太阳电池宏微观性能测试仪器通过光引入设备连接测试箱，光引入设备的输入端在太阳电池宏微观性能测试仪器内，光引入设备的输出端在测试箱内，所述光引入设备的输出端下方设有太阳电池样品，太阳电池样品的光响应信号连接太阳电池宏微观性能测试仪器，太阳电池宏微观性能测试仪器和测试箱内放置有光辐照计。本发明与现有技术相比其优势在于：将测试仪器所处环境与样品所处环境分开，可以研究环境条件大范围变化冲击下的太阳电池工作机理并不影响测试仪器精度。

Description

光引入测试太阳电池宏微观性能装置和方法
本发明属于新能源与仪器测量交叉领域，尤其涉及一种光引入测试太阳电池宏微观性能装置和方法。
背景技术
随着社会的飞速发展，人类正以惊人的速度消耗着地球上有限的能源。传统的石油、煤、天然气等能源在不久的将来将会枯竭，开发利用新能源迫在眉睫。用之不竭、清洁的太阳能资源给人类带来了新的曙光，太阳电池能够将光能直接转化成电能，极大地方便了人类的生产和生活。太阳能光伏发电在过去几十年中得到了快速的发展，目前光伏电池产业全球高速增长。2010年~2020年，全球光伏产业年增长率将达34%，年安装量将达到11.34 GW。据相关预测，2030年，太阳能光伏发电占世界总电力供应比率将达到10%以上，到21世纪末，太阳能光伏发电所占比率将更高，预计会突破60%。
从上世纪50年代第一块具有实用价值的单晶硅pn结太阳电池研制成功后，非晶硅薄膜电池、碲化镉太阳电池、铜铟镓硒太阳电池、砷化镓太阳电池、染料敏化太阳电池以及超叠层太阳电池、热光伏电池等等各种结构的电池太阳相继开发出来。
实际运行中太阳电池必须承受光场、电场、热场以及磁场等各种环境条件大范围变化的冲击，这些冲击会显著影响电池的光电转换性能。深入探索环境条件大范围变化冲击下的电池工作机理是研发太阳电池不可逾越的步骤。太阳电池性能的研究可以采用开路电压、短路电流和填充因子等宏观的方法来表征。但是仅仅依赖于宏观性能研究是不够的，电池内部包含多个电荷传输和转移微观动力学过程，这些微观过程在环境条件大范围变化冲击下势必发生动力学失配，造成电池光电转化性能的降低。
目前太阳电池宏观性能可用太阳模拟器、IPCE和紫外可见吸收光谱等仪器来测试，而微观测试可以采用电化学阻抗谱、强度调制光电压/光电流谱以及瞬态光电压/光电流谱等仪器。这些仪器可以发出不同频率、波形和强度的稳态或调制光信号，在这些信号的激励下研究太阳电池的响应来分析内部工作机理。现有太阳电池测试中，样品必须固定在仪器的光信号发出端的一侧保持与光信号平行并且保持一定的距离；另外每种测试都必须在其对应仪器上测试，当更换测试类型时样品必须换到下一台仪器上；同时这些精密测试仪器只能在一定环境下工作，环境条件变化冲击下仪器将产生误差甚至不能工作。所以太阳电池性能测试仪器应处恒定环境和太阳电池应处变化环境之间的矛盾严重制约了电池光电转换机理的进一步研究。   
本发明将太阳电池性能测试仪器和太阳电池所处环境分开，将太阳电池宏微观性能测试仪器发出的光信号引入到太阳电池所处的大范围变化的测试环境之中，能够在深入探索环境条件大范围变化冲击下的电池工作机理，同时不受样品受到测试仪器空间束缚，可灵活放置样品与测试仪器的空间布局。本发明将对进加快新型太阳电池实用化进一步提高电池效率具有重要意义。
发明内容
本发明目的在于提出一种光引入测试太阳电池宏微观性能装置和方法，旨在深入探索环境条件大范围变化冲击下的太阳电池工作机理。
本发明是这样实现的，它包括太阳电池宏微观性能测试仪器、太阳电池样品、测试箱、光引入设备、输入端、输出端、光辐照计，其特征是太阳电池宏微观性能测试仪器通过光引入设备连接测试箱，光引入设备的输入端在太阳电池宏微观性能测试仪器内，光引入设备的输出端在测试箱内，所述光引入设备的输出端下方设有太阳电池样品，太阳电池样品的光响应信号连接太阳电池宏微观性能测试仪器，太阳电池宏微观性能测试仪器和测试箱内放置有光辐照计。
实现方法为：
1、将太阳电池宏微观性能测试仪器处于仪器要求的工作环境；
2、将太阳电池样品处于测试箱内；
3、将太阳电池宏微观性能测试仪器与测试箱通过光引入设备输入端相连接；
4、将太阳电池样品处于光引入设备输出端；
5、将太阳电池样品光响应信号与宏微观性能测试仪器连接；
6、太阳电池宏微观性能测试仪器发出激励信号通过光引入设备导入环境条件大范围变化的测试箱中激励太阳电池样品，通过分析样品光响应信号得到太阳电池宏微观性能。
其中，步骤(1) 中太阳电池宏微观性能测试仪器1是太阳模拟器、IPCE、紫外可见吸收光谱、表面光电压、电化学阻抗谱、强度调制光电压/光电流谱以及瞬态光电压/光电流谱等光电测量仪器中的一种或几种。
其中，步骤(2) 测试箱3可以提供光场、电场、热场、磁场、湿度以及机械变形等环境条件变化。
其中，步骤(3)光引入设备4可进行切换来连接不同的太阳电池宏微观性能测试仪器与测试箱。
其中，步骤(3)中光引入设备两端分别设有光辐照计7来修正太阳电池宏微观性能测试仪器发出激励信号。
    本发明与现有技术相比其优势在于：1，将测试仪器所处环境与样品所处环境分开，可以研究环境条件大范围变化冲击下的太阳电池工作机理并不影响测试仪器精度；2，通过测试仪器和测试箱的选择切换可测量多种宏微观太阳电池性能，多台仪器可以结成网状测试；3，打破了样品受到测试仪器空间束缚，可灵活放置样品与测试仪器的空间布局，可实现远距离测试；4，减少更换仪器和样品的操作时间，极大方便进行测量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
在图中，1、太阳电池宏微观性能测试仪器 2、太阳电池样品 3、测试箱 4、光引入设备 5、输入端 6、输出端 7、光辐照计。
具体实施方式
如图1所示，本发明是这样实现的：太阳电池宏微观性能测试仪器1通过光引入设备4连接测试箱3，光引入设备4的输入端5在太阳电池宏微观性能测试仪器1内，光引入设备4的输出端6在测试箱3内，所述光引入设备4的输出端6下方设有太阳电池样品2，太阳电池样品2的光响应信号连接太阳电池宏微观性能测试仪器1，太阳电池宏微观性能测试仪器1和测试箱3内放置有光辐照计7。
具体操作过程是：
1，将强度调制光电流/电压谱（XPOT）的LED光源距离16 cm 处固定直径3 cm的光导管，光导管输入端截面中心与LED光源中心重合。光导管长度300 cm 延伸至可编程高低温循环冲击试验箱，光导管输出端截面固定于试验箱中央。高低温循环冲击试验箱温度变化范围-40～150 ℃，升温速度≥3 ℃/min，降温速度1 ℃/min。样品中心与光导管输出端截面中心重合，两者距离1 cm。太阳电池样品采用染料敏化太阳电池（具体制备方法参见相关发表文献，例如：物理学报（2012. 61(16):168201））。将染料敏化太阳电池正负极连接于电化学工作站（IM6e）。即可测试高低温循环冲击下染料敏化太阳电池的强度调制光电流/电压谱，通过数据处理（参见相关发表文献，例如：Journal of Physical Chemistry C（2010.114(21): 9965-9969））即可得到电池的电子传输时间、复合寿命、扩散长度以及导带能级位置等微观性能参数。
2，将太阳光模拟器（Newport Oriel 3A）光源距离10 cm 处固定直径10 cm的光导管，光导管输入端截面中心与模拟器光源中心重合。光导管长度300 cm 延伸至可可编程高低温循环冲击试验箱，光导管输出端截面固定于试验箱中央。高低温循环冲击试验箱温度变化范围-40～150 ℃，升温速度≥3 ℃/min，降温速度1 ℃/min。样品中心与光导管输出端截面中心重合，两者距离1 cm。样品采用染料敏化太阳电池（具体制备方法参见相关发表文献，例如：物理学报（2012. 61(16):168201））。将染料敏化太阳电池正负极连接于Keithley 2400数字源表，即可测试高低温循环冲击下染料敏化太阳电池的I-V性能，可得到电池的短路电流、开路电压、填充因子以及转化效率等宏观性能参数。
上述仅为本发明的两种具体实施实例，不是全部的实施方式，通过阅读本发明书对本发明技术方案的任何等效变化，均为本发明权利要求多涵盖。

Claims (5)

1. 一种光引入测试太阳电池宏微观性能装置，它包括太阳电池宏微观性能测试仪器、太阳电池样品、测试箱、光引入设备、输入端、输出端、光辐照计，其特征是太阳电池宏微观性能测试仪器通过光引入设备连接测试箱，光引入设备的输入端在太阳电池宏微观性能测试仪器内，光引入设备的输出端在测试箱内，所述光引入设备的输出端下方设有太阳电池样品，太阳电池样品的光响应信号连接太阳电池宏微观性能测试仪器，太阳电池宏微观性能测试仪器和测试箱内放置有光辐照计。
2.一种权利要求1所述的光引入测试太阳电池宏微观性能的方法，其特征是实现方法为：
1）将太阳电池宏微观性能测试仪器处于仪器要求的工作环境；
2）将太阳电池样品处于测试箱内；
3）将太阳电池宏微观性能测试仪器与测试箱通过光引入设备输入端相连接；
4）将太阳电池样品处于光引入设备输出端；
5）将太阳电池样品光响应信号与宏微观性能测试仪器连接；
6）太阳电池宏微观性能测试仪器发出激励信号通过光引入设备导入环境条件大范围变化的测试箱中激励太阳电池样品，通过分析样品光响应信号得到太阳电池宏微观性能。
3.如权利要求1所述的光引入测试太阳电池宏微观性能装置，其特征在于太阳电池宏微观性能测试仪器是太阳模拟器、IPCE、紫外可见吸收光谱、表面光电压、电化学阻抗谱、强度调制光电压/光电流谱以及瞬态光电压/光电流谱的一种或几种。
4.如权利要求1所述的光引入测试太阳电池宏微观性能装置，其特征在于光引入设备为光导管或光纤等导光设备。
5.如权利要求1所述的光引入测试太阳电池宏微观性能装置，其特征在于可以多台太阳电池宏微观性能测试仪器通过光引入设备连接呈网状。
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