CN104931139A - 斩波单色仪和量子效应检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斩波单色仪和量子效应检测仪。该斩波单色仪包括反射镜、光栅、数字微镜器件、电源模块和控制电路，所述电源模块分别与所述数字微镜器件和所述控制电路连接，所述反射镜设于所述光栅前方，所述光栅设于所述数字微镜器件的前方，入射光经所述反射镜后，投射于所述光栅后分成若干光束后，所述数字微镜器件选择至少一光束反射后输出。本发明实施例提供的斩波单色仪采用数字微镜器件进行获取单色光线，不仅具有单色仪功能，且还可以通过数字微镜的开启和关闭进行斩波，具有超宽频域的斩波调制功能。

Description

斩波单色仪和量子效应检测仪

技术领域

本发明涉及太阳能电池的测量技术，尤其是涉及一种斩波单色仪和量子效应检测仪。

背景技术

随着全球能源需求量的逐年增加,环境污染问题日益严重，能源问题成为世界各国经济发展遇到的首要问题.太阳能作为一种绿色能源，市场潜力、应用前景不可估量，太阳能研发、应用中都需进行太阳能电池性能测试。太阳能电池的关键指标包括：光电转换效率与量子效率。

太阳能电池的量子效率是指太阳能电池的电荷载流子数目与照射在太阳能电池表面一定能量的光子数目的比率。量子效应可分为内量子效应和外量子效应。

当光子入射到光敏器材(如CCD等)的表面时，被吸收的那部分光子会激发光敏材料会产生电子空穴对，形成电流，此时产生的电子与被吸收的光子之比，就是内量子效率(internalquantum efficiency)。外量子效率即电子转化效率，定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光子数Np之比。

理想中的太阳能电池的量子效率是一个常数，即入射不同波长的入射光，太阳能电池量子效率是一个常数。然而由于再结合效应和太阳能电池结构的原因，太阳能电池的量子效应是随波长改变的参数。太阳能电池的量子效率与太阳能电池对照射在太阳能电池表面的各个波长的光的响应有关。实验中，常采用量子效应检测仪来测量太阳能电池的量子效应。

量子效应检测仪：用强度可调的偏置光照射太阳能电池，模拟其不同的工作状态，同时测量太阳能电池在不同波长的单色光照射下产生的短路电流,从而得到太阳能电池的绝对光谱响应与量子效率。

太阳能电池(光伏材料)光谱响应测试、量子效率QE(Quantum Efficiency)测试、光电转换效率IPCE(Monochromatic Incident Photon-to-Electron Conversion Efficiency)测试等，广义来说，就是测量光伏材料在不同波长光照条件下的光生电流、光导等。

量子效应检测仪结构复杂，需要太阳光模拟光源、单色仪、斩波器、光学系统、锁相放大器、前置放大器。对于调制光响应慢、响应时间较长的太阳能电池(如染料敏化太阳能电池)，斩波器的最低调制频率4Hz也无法得到准确的测量结果，量子效应检测仪还需要加入直流光测量模式。一般来说，锁相放大器无法测量直流信号，对于这种直流数据的采集，量子效应检测仪内需要高精度直流放大器。所述现有技术的量子效应检测仪，结构复杂、成本高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种斩波单色仪和量子效应检测仪，旨在解决现有的斩波单色仪或量子效应检测仪结构复杂，造价过高的技术缺陷。

为此，本发明实施例提供了一种斩波单色仪，包括反射镜、光栅、数字微镜器件、电源模块和控制电路，所述电源模块分别与所述数字微镜器件和所述控制电路连接，所述反射镜设于所述光栅前方，所述光栅设于所述数字微镜器件的前方，入射光经所述反射镜后，投射于光栅后分成若干光束后，所述数字微镜器件选择至少一光束反射后输出。

优选地，还包括显示模块、通讯模块和输入输出模块，所述通讯模块包括USB通讯电路和/或RS232通讯电路。

优选地，还包括反射透镜组，所述反射透镜组包括同轴设置的第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜和第二凸透镜的焦点重合，并且所述第一凸透镜的投影面积大于所述第二凸透镜，所述数字微镜器件反射出的光束依次经所述第一凸透镜和第二凸透镜射出。

优选地，还包括入射细缝和出射细缝，入射光经所述入射细缝进入所述光栅，所述反射透镜组输出的光束经所述出射细缝射出。

优选地，所述数字微镜器件包括912x 1140的微镜阵列。

另外，本发明还提供一种量子效应检测仪，包括光源、前置放大器、锁相放大器和控制分析模块，还包括上述的斩波单色仪，所述光源发出的光线依次经所述斩波单设仪和待测太阳能电池，所述前置放大器的输入端与所述待测太阳能电池连接，输出端与所述锁相环放大器的输入端连接，所述锁相放大器的另一输入端与所述斩波单色仪的频率输出端连接，所述锁相放大器的输出端与所述控制分析模块连接。

优选地，还包括分束镜、光学系统和标准太阳能电池，所述光源发出的光线依次经所述斩波单色仪和分束镜，所述光学系统和待测太阳能电池的安装位依次位于所述分束镜的第一光路上，标准太阳能电池的安装位设于所述分束镜的第二光路上。

与现有技术相比，本发明实施例提供的斩波单色仪采用数字微镜器件进行获取单色光线，不仅具有单色仪功能，且还可以通过数字微镜的开启和关闭进行斩波，具有超宽频域的斩波调制功能。由于本发明实施例提供的斩波单色仪没有采用步进电机或其他机械的方式进行分光或斩波，降低了电子-机械转换过程中带来的误差，有利于提高单色仪分辨率。

而且，本发明实施提供的斩波单色仪无需再搭载独立的斩波器系统，简化了量子效应检测仪系统。斩波单色仪的超低频斩波模式融合了直流模式测量和交流模式测量两者的优势，无需搭载直流模式测量所需的高精度直流放大器系统，超低频斩波模式搭载锁相放大器即可满足现有技术的直流模式测量和交流模式测量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的斩波单色仪的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的斩波单色仪的数字微镜器件的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的量子效应检测仪的结构示意图；

图中：

10：光源；20：斩波单色仪；21：光栅；22：数字微镜器件；23：控制电路；231：USB通讯电路；232：RS232通讯电路；233：输入输出模块；24：凸透镜组；241：第一凸透镜；242：第二凸透镜；25：电源模块；26：黑体材料；27：入射细缝；28：出射细缝；29：反射镜；30：分束镜；40：标准太阳能电池；41：待测太阳能电池；50：锁相放大器；60：前置放大器；70：光学系统；80：控制分析模块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步说明。

参见图1，图1是本发明实施例提供的斩波单色仪的结构示意图。在图1示出的实施方式中，该结构的斩波单色仪20包括光栅21、数字微镜器件22、电源模块25和控制电路23，以及入射细缝27和出射细缝28，其中，电源模块25分别与数字微镜器件22和控制电路23连接。

入射光经入射细缝27进入反射镜29，反射到光栅21，反射镜29设于光栅21的前方，光栅21设于数字微镜器件22的前方，入射光经反射镜29投射在光栅21后，分成若干光束后，数字微镜器件22选择至少一光束反射后输出。其中，光栅21有三种光栅结构可供选择，三种光栅分别对应输出不同的波长范围的光线。

在一些优选的实施方式中，该结构的斩波单色仪20还包括显示模块、通讯模块和输入输出模块233，通讯模块包括USB通讯电路231和/或RS232通讯电路232。

在另外一些实施方式中，斩波单色仪20还包括反射透镜组，反射透镜组包括同轴设置的第一凸透镜241和第二凸透镜242，第一凸透镜241和第二凸透镜242的焦点重合，并且第一凸透镜241的投影面积大于第二凸透镜242，数字微镜器件22反射出的光束依次经第一凸透镜241和第二凸透镜242射出，反射透镜组输出的光束可以经出射细缝28射出。微镜反射出的单色光有一定间距，放置一个与数字微镜器件22大小相当的第一凸透镜241将所有反射的单色光聚焦，放置另一个较小的第二凸透镜242，使两者焦点重合，凸透镜结构可使得平行光间距缩小，使不同波长的单色光从一个宽度可调的缝隙射出。

从图2示出的斩波单色仪20可以看出，区别于传统的单色仪，本发明实施方式提供的单色仪没有采用步进电机或其他机械的方式进行分光或斩波，降低了电子-机械转换过程中带来的误差，有利于提高单色仪分辨率。同时，本发明实施例提供的斩波单色仪20将斩波的功能融合到单色仪，以单一器件同时实现斩波和单色仪两者功能，无需再搭载独立的斩波器系统，简化了量子效应检测仪系统。斩波单色仪20的超低频斩波模式融合了直流模式测量和交流模式测量两者的优势，无需搭载直流模式测量所需的高精度直流放大器系统，超低频斩波模式搭载锁相放大器50即可满足现有技术的直流模式测量和交流模式测量。

在应用本发明实施例提供的斩波单色仪20的过程中，复合光通过入射细缝27射入斩波单色仪20内，通过光栅21将不同波长的光线分离开来，使得复合光分成了若干束有一定间距、平行的单色光。平行的单色光经过一定距离投射在数字微镜器件22上，不同波长的单色光投射在数字微镜器件22的位置不同。根据使用者选择输出光源波长，开启该单色光投射位置对应的微镜，开闭其余位置微镜，从而可以达到分光的效果。单色光投射在处于开启状态的微镜，光线经过反射，进入凸透镜组24，最终从可调的细缝中射出。而其余波长的光投射在处于关闭状态的微镜时，光线经过反射被黑体材料26吸收，从而达到将复合光分成单色光的作用。

单色仪的分辨率由下三式给出：

$D_{\mathrm{\θ}}=\frac{k}{d\cos {\mathrm{\θ}}_k}---\left(1\right)$

$D_l=\frac{\mathrm{fk}}{d\cos {\mathrm{\θ}}_k}---\left(2\right)$

$R=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\δ\λ}}=kN---\left(3\right)$

其中：D_θ(角色散本领)是：对于一定波长差δλ的两条谱线，其角距离有多大。

D_l(线色散本领)是：对于一定波长差δλ的两条谱线，其在屏幕上的距离有多大。

R(色分辨能力)是：根据瑞利判据，两条具有一定宽度的谱线能够被分辨出来的能力。

其中k为衍射级数，取k＝1；d为光栅常数，取d＝1um；f为光栅21后面的聚焦透焦距镜，取f＝500mm；N为入射光斑覆盖区域内光栅条纹数，取N＝5000；θ_k为对应衍射级数的衍射角。θ_k由下式给出：

$\sin {\mathrm{\θ}}_k=k\frac{\mathrm{\λ}}{d}---\left(4\right)$

所以单色仪的分辨率与入射光波长有关。假设入射光为绿光550nm，其他参数如上面所述，代入上面四式可得：

θ_k＝33.126°

D_θ＝＝4.1’/nm

D_l＝＝5.97um/0.01nm

R＝5000，δλ＝0.11nm

对比D_θ、D_l、R、δλ以及微镜DMD阵列单元大小10.8um可知，单色仪的分辨率被色分辨能力限制，最高分辨率为0.11nm。而色分辨能力与波长相关，当其他参数一定时，分辨率依赖于波长，由式(3)决定。波长越长，分辨率越低。

如图2所示，在一些优选的实施方式中，采用的数字微镜器件22集成了912x1140微镜阵列，微镜尺寸约为10μm，输出的单色光波长范围可低至0.11nm，微镜开启时间为16μs，可输出高分辨率、高精度的单色光。

因此，根据本发明实施例提供的单色斩波仪，其还具有方波模式的斩波调制功能，可直接输出斩波调制的单色光，其斩波频率范围为：10mHz-4000Hz。由于传统的斩波器的斩波频率范围为4Hz-4000Hz，难以达到4Hz以下级别。染料敏化太阳能电池(DSSC或DSC)等的电池对调制光响应慢，4Hz的调制频率仍无法得到准确的测量结果，常需要采用直流光测量响应慢的器件。锁相放大器50无法测量直流信号，则需另外采用高精度直流放大器实现数据的采集。本发明实施例提供的斩波单色仪20的斩波频率低至10mHz，满足绝大多数测试条件，免去了量子效应检测仪系统的高精度直流放大器，极大地简化系统，同时补充了斩波器在超低频的使用。

因此，本发明实施提供的单色斩波仪根据需要，可以设置斩波模式和连续波长测量模式。其中：

斩波模式是指根据选择的斩波频率以及输出单色光的波长，输出单色光波长照射位置对应的微镜以一定频率开启、关闭，开关频率则是单色光的斩波频率，其余位置的微镜处于一直关闭的状态，从而实现单色仪兼斩波器的功能。

连续波长测量模式是指控制器发送数据选择一种光栅，数字微镜器件22的微镜组依次以斩波频率开关，其余微镜组关闭，当波长变化时，另一组微镜以斩波频率开启，其余微镜关闭，依次进行，测得第一段光谱响应曲线；控制器发送数据自动更换第二种光栅，数据采集中止直至光栅更换完毕，重复之前步骤，测得第二段波长范围的光谱效应曲线。控制器发送数据自动更换第三种光栅，数据采集中止一段时间直至光栅更换完毕，重复之前步骤，测得第三段波长范围的光谱效应曲线；

常见斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式，Ts(周期)不变，改变Ton(通用，Ton为开关每次接通的时间)，称为脉波宽度调变(Pulse-width Modulation PWM)。二是频率调制方式，Ton不变，改变Ts(易产生干扰)，称为频率调变(Frequency Modulation FM)。

常见的光学斩波器多采用频率调制方式，即周期内通道时间不变，改变斩波频率。如果测试需要斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式，Ts(周期)不变，改变Ton(通用，Ton为开关每次接通的时间)，称脉波宽度调变(Pulse-width Modulation PWM)。二是频率调制方式，Ton不变，改变Ts(易产生干扰)，称频率调变(Frequency Modulation FM)。如果测试条件需要特定的脉冲占空比，使用者通过更换特定的斩波叶片来实现。斩波叶片一般是原厂配置，因此脉冲占空比只能是特定的分立值。如需特殊脉冲占空比，只能采用定制，制作成本时间大大提升。脉冲占空比极度依赖于硬件设备，更换过程十分麻烦。而本发明实施例提供的斩波单色仪20的脉冲占空比和斩波频率均为连续可调，无需改变任何硬件设备，既满足通用测试条件，同时满足特殊测试条件。

参见图3，图3是本发明实施例提供的量子效应检测仪的结构示意图。图3示出的量子效应检测仪包括光源10、分光镜、光学系统70、前置放大器60、锁相放大器50和控制分析模块80，还包括上述实施方式涉及的斩波单色仪20。

光源10发出的光线依次经斩波单色仪20和分束镜30，光学系统70和待测太阳能电池41的安装位依次位于分束镜30的第一光路上，标准太阳能电池40的安装位设于分束镜30的第二光路上，前置放大器60的输出端分别与待测太阳能电池41和标准太阳能电池40连接，输出端与锁相环放大器的输入端连接，锁相放大器50的另一输入端与斩波单色仪20的频率输出端连接，锁相放大器50的输出端与控制分析模块80连接。

光源10作为太阳光模拟光源，发出的光线进入斩波单色仪20，光经过斩波单色仪20输出经过斩波调制的单色光，并输出调制频率作为给锁相放大器50的参考频率。已调制的单色光通过光学系统70处理照射在待测太阳能电池41，待测太阳能电池41接收光线，光电效应转换成电流输出。电流通过前置放大器60转换成电压，放大处理后输出锁相放大器50测量。

斩波单色仪20输出不同波长的单色光，通过锁相放大器50可得到被测太阳能电池在不同波长单色光产生的电流值，将数据传输到电脑计算出被测太阳能电池的短路电流强度以及光谱响应曲线。

照射到太阳能电池上的光源10强度会环境、空间、时间而发生细微的变化，利用分束镜30以及光学系统70，使照射在待测太阳能的光强和照射在标准太阳能电池40的光强一致，标准化太阳能电池是光谱响应曲线已知的标准化器件，作为参考通道与测量通道进行对比测试，保证参考通道与测试通道的光强一致，实时测量入射到太阳能电池上的光强度，消除因入射光强的细微变化而对测量结果带来误差。

单色光经过斩波单色仪20后，一路光线经过标准化太阳能电池转换成电流，作为标准器件参考通道。将待测太阳能电池41的短路电流与标准化太阳能电池短路电流作为差分信号输入到输出锁相放大器50，综合差分信号的数据和标准化太阳能电池的光谱响应曲线，即可实时、快速测量待测太阳能电池41量子效应曲线。

综上所述，本发明将斩波器和单色仪用单一的器件实现的，将斩波器功能和单色仪功能融合成在一起，而市面上只有独立的斩波器和独立的单色仪。另外，在斩波功能方面，本发明的量子效应检测仪包含了斩波器和单色仪，其可利用独特的低频斩波方式可以简化量子效应检测仪的结构。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (7)

1.一种斩波单色仪，其特征在于其包括：反射镜、光栅、数字微镜器件、电源模块和控制电路，所述电源模块分别与所述数字微镜器件和所述控制电路连接，所述反射镜设于所述光栅前方，所述光栅设于所述数字微镜器件的前方，入射光经所述反射镜后，投射于所述光栅后分成若干光束后，所述数字微镜器件选择至少一光束反射后输出。

2.根据权利要求1所述的斩波单色仪，其特征在于：还包括显示模块、通讯模块和输入输出模块，所述通讯模块包括USB通讯电路和/或RS232通讯电路。

3.根据权利要求2所述的斩波单色仪，其特征在于：还包括反射透镜组，所述反射透镜组包括同轴设置的第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜和第二凸透镜的焦点重合，并且所述第一凸透镜的投影面积大于所述第二凸透镜，所述数字微镜器件反射出的光束依次经所述第一凸透镜和第二凸透镜射出。

4.根据权利要求3所述的斩波单色仪，其特征在于：还包括入射细缝和出射细缝，入射光经所述入射细缝进入所述光栅，所述反射透镜组输出的光束经所述出射细缝射出。

5.根据权利要求4所述的斩波单色仪，其特征在于：所述数字微镜器件包括912x 1140的微镜阵列。

6.一种量子效应检测仪，其特征在于其包括：光源、前置放大器、锁相放大器和控制分析模块，其特征在于：

还包括如权利要求1-5任一项所述的斩波单色仪，所述光源发出的光线依次经所述斩波单设仪和待测太阳能电池，所述前置放大器的输入端与所述待测太阳能电池连接，输出端与所述锁相环放大器的输入端连接，所述锁相放大器的另一输入端与所述斩波单色仪的频率输出端连接，所述锁相放大器的输出端与所述控制分析模块连接。

7.根据权利要求6所述的量子效应检测仪，其特征在于：还包括分束镜、光学系统和标准太阳能电池，所述光源发出的光线依次经所述斩波单色仪和分束镜，所述光学系统和待测太阳能电池的安装位依次位于所述分束镜的第一光路上，标准太阳能电池的安装位设于所述分束镜的第二光路上。