CN105527483A - 一种电光独立调制的瞬态光电压测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电光独立调制的瞬态光电压测试系统，涉及半导体领域。所述瞬态光电压测试系统包括：脉冲光源，用于向半导体器件施加脉冲光激发，以在半导体器件内形成光生电荷；其中，光生电荷在所述半导体器件两侧积累，以形成光生电压；稳定光源，用于照射半导体器件以提供光调制，使半导体器件内部建立稳定存在的浓度可调的电荷分布；电压探测器，与半导体器件构成电压探测回路，用于实时探测半导体器件两端的光生电压；和与电压探测回路并联的电调制回路，用于向半导体器件提供可控的直流电压调制信号。本发明可以实现半导体器件在不同的偏置电压和不同的光照状态下电荷复合过程的表征。

Description

一种电光独立调制的瞬态光电压测试系统

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别是涉及一种电光独立调制的瞬态光电压测试系统。

背景技术

随着半导体技术及太阳能电池相关研究和技术的发展，对太阳能电池等相关半导体器件内部光电过程的探测与分析是理解该类器件工作机理，进一步提升该类器件效率的必要过程。太阳能电池的光电过程主要涉及光生电荷的产生、输运、收集和复合，其中复合过程显著影响着半导体器件最终的电流输出和光生电压，进而最终影响半导体器件的半导体结构特性和工作性能。因此对于该复合过程的准确测量和分析对于太阳能电池及其相关半导体器件的研究具有重要的意义。

对于太阳能电池光生电荷复合过程的研究，目前已经发展出电化学交流阻抗谱和瞬态光电压两种方法。虽然交流阻抗谱可以在较宽的频率范围内研究电池器件的交流响应，但通过阻抗谱得到器件复合特性的方法需要依赖较为复杂的器件模型，而模型选择正确与否会直接影响分析结果。因此这种间接的研究手段不利于得到准确直观的复合过程。而瞬态光电压可以直接给出电池器件中由光生非平衡电荷产生的光电压的衰减过程，该衰减过程直接对应了器件光生电荷的复合过程。通过该方法可以直接得到光生电荷的复合寿命和复合速率。因此瞬态光电压方法在研究器件电荷复合方面更具优势。

虽然瞬态光电压方法已经得到了一定程度的应用，并建立了相关的实验和理论基础。传统的瞬态光电压测试系统无法实现对半导体器件的电调制，只能测量半导体器件在开路状况下的电荷复合特性，而在开路状态下，给器件两端施加的稳态偏压只能通过偏置光实现。即，电调制与光调制过程难以分离。而实际太阳能电池等半导体器件可以工作在不同偏置光和不同的偏置电压下。因此研究这些不同偏置光和不同偏置电压下器件电荷的复合特性十分必要。

发明内容

本发明的目的是要提供一种用于探测半导体器件在不同工作状态下的电荷复合性质的电光独立调制的瞬态光电压测试系统。

特别地，本发明提供了一种电光独立调制的瞬态光电压测试系统，用于探测半导体器件在不同光照和偏压状态的光生电压的瞬态过程，以表征所述半导体器件的电荷复合性质，包括：

脉冲光源，用于向所述半导体器件施加脉冲光激发，以在所述半导体器件内形成光生电荷；其中，所述光生电荷在所述半导体器件两侧积累，以形成光生电压；

稳定光源，用于照射所述半导体器件以提供光调制，使所述半导体器件内部建立稳定存在的浓度可调的电荷分布；

电压探测器，与所述半导体器件构成电压探测回路，用于实时探测所述半导体器件两端的光生电压；和

与所述电压探测回路并联的电调制回路，用于向所述半导体器件提供可控的直流电压调制信号。

可选地，所述电压探测器具体为数据采集卡或并联的数字示波器与采样电阻。

可选地，所述稳定光源具体为波长可选的LED灯或强度连续可调的氙灯。

可选地，所述脉冲光源具体为脉冲激光器或高速控制的LED灯。

可选地，所述脉冲光源具有很窄的脉宽和较长的脉冲周期且所述脉冲光源的波长可调。

可选地，所述电调制回路包括串联的电压源与低通滤波器。

可选地，所述低通滤波器具体为电感或有源低通滤波器，所述电压源具体为信号发生器或数字源表。

可选地，所述电压源具有较低的直流输入阻抗且可以提供可控的覆盖所述半导体器件工作范围的直流电压信号，所述低通滤波器具有较低的直流输入阻抗和较大的高频输入阻抗。

可选地，还包括设置在所述脉冲光源与所述半导体器件之间的滤光片，所述滤光片用于调节所述半导体器件接收到的所述脉冲光的强度。

可选地，还包括用于容纳所述半导体器件的样品室，所述样品室用于为所述半导体器件提供预定的温度环境、气氛环境和/或电磁屏蔽。

可选地，所述电压探测器具有皮秒或纳秒尺度的时间分辨率。

可选地，所述半导体器件为太阳能电池或半导体PN结。

本发明的电光独立调制的瞬态光电压测试系统，通过脉冲光源激发待测半导体器件内部的光生电荷，并在半导体器件两端积累而形成光生电压，通过电压探测器对该光生电压实时探测和记录，以表征半导体器件的电荷复合性质。本发明通过电调制回路向所述半导体器件提供可控的直流电压调制信号，同时，本发明的稳定光源可以提供不同的偏置光强度，使半导体器件可以处在不同的光照强度下。因此本发明可以实现半导体器件在不同的偏置电压和不同的光照状态下电荷复合形状的表征。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的电光独立调制的瞬态光电压测试系统的结构示意图；

图2是图1所示瞬态光电压测试系统的电路原理图；

图3示出了在电调制回路是否存在的情况下，太阳能电池的光电压随时间变化的曲线图；

图4是通过图1所示瞬态光电压测试系统探测到的多晶硅太阳能电池在暗态下不同偏置电压下的光电压随时间变化的曲线图；

图5是通过图1所示瞬态光电压测试系统探测到的多晶硅太阳能电池在光照状态下不同偏置电压下的光电压随时间变化的曲线图；

图6是通过图1所示瞬态光电压测试系统探测到的太阳能电池在暗态和光照状态下的光电压强度和光电压寿命随偏置电压变化的曲线图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的电光独立调制的瞬态光电压测试系统的结构示意图。如图1所示，所述瞬态光电压测试系统，用于探测半导体器件1在不同光照状态和偏压状态的光生电压的瞬态过程，以表征所述半导体器件1的电荷复合性质，包括：

脉冲光源3，用于向所述半导体器件1施加脉冲光激发，以在所述半导体器件1内形成光生电荷；其中，所述光生电荷在所述半导体器件1两侧积累，以形成光生电压；

稳定光源2，用于照射所述半导体器件1以提供光调制，使所述半导体器件1内部建立稳定存在的浓度可调的电荷分布；

电压探测器4，与所述半导体器件1构成电压探测回路，用于实时探测所述半导体器件1两端的光生电压；和

与所述电压探测回路并联的电调制回路5，用于向所述半导体器件1提供可控的直流电压调制信号。

本发明的电光独立调制的瞬态光电压测试系统，通过脉冲光源3激发待测半导体器件1内部的光生电荷，并在半导体器件1两端积累而形成光生电压，通过电压探测器4对该光生电压实时探测和记录，以表征半导体器件1的电荷复合性质。本发明通过电调制回路5向所述半导体器件1提供可控的直流电压调制信号，同时，本发明的稳定光源2可以提供不同的偏置光强度，使半导体器件1可以处在不同的光照状态下。因此本发明可以实现半导体器件1在不同的偏置电压和不同的光照状态下电荷复合性质的表征。

在本发明的一个实施例中，所述半导体器件1为太阳能电池或半导体PN结。

在本发明的一个实施例中，所述电压探测器4可以为并联的数字示波器42与采样电阻41。所述电压探测器4还可以为数据采集卡。更具体地，电压探测器4具有皮秒或纳秒尺度的时间分辨率。这样在连续的时间内电压探测器4测出的连续光生电压可以形成光生电压随时间变化的曲线。

在本发明的一个实施例中，所述稳定光源2具体为波长可选的LED灯或强度连续可调的氙灯，可以使半导体器件1可以处在不同的光照状态下，从而探测半导体器件1在不同光照到光生电荷复合性质的表征。

在本发明的一个实施例中，所述脉冲光源3为脉冲激光器或高速控制的LED灯。所述脉冲光源3具有很窄的脉宽和较长的脉冲周期且所述脉冲光源3的波长可调。

在本发明的一个实施例中，所述电调制回路5包括串联的电压源51与低通滤波器52。本实施例采用低通滤波器52和电压源51组成电调制回路5，用于给半导体器件1施加不同的直流偏压，使得半导体器件1可以处在不同偏置电压下，并避免稳定光源2产生的光生电荷在半导体器件1两端积累。

更具体地，所述低通滤波器52可以为电感或有源低通滤波器，所述电压源51可以为信号发生器或数字源表。所述电压源51具有较低的直流输入阻抗且可以提供可控的覆盖所述半导体器件1工作范围的直流电压信号。所述电压源51具有较低的直流输入阻抗和较大的高频输入阻抗。

参见图1，还包括设置在所述脉冲光源3与所述半导体器件1之间的滤光片7，所述滤光片7用于调节所述半导体器件1接收到的所述脉冲光的强度。

参见图1，还包括用于容纳所述半导体器件1的样品室6，所述样品室6用于为所述半导体器件1提供预定的温度环境、气氛环境和/或电磁屏蔽。

在本发明的一个具体实施例中，所述半导体器件1为多晶硅太阳能电池。采样电阻41为高阻抗电阻，其阻抗为1MΩ。将半导体器件1的正负极引出并分别连接到采用电阻的两端，用数字示波器42可以探测和记录采样电阻41两端的电压及其变化，由此构成了电压探测回路。为了向半导体器件1提供直流电调制，同时为了避免瞬态信号的分流，本实施例中采用串联的电压源51和低通滤波器52构成电调制回路5。同时，电压源51和低通滤波器52均具有很低的直流输入阻抗的特性。

为了向半导体器件1提供稳态光调制，本实施例中采用强度连续可调的氙灯或波长可选的LED灯作为稳态光源，照射半导体器件1，从而在半导体器件1内部产生浓度可调的稳定分布的光生电荷，并可形成稳态光生电流。该稳态光生电流可以流经电调制回路5，形成近似短路状态。本实施例中，采用脉冲激光器作为脉冲光源3，照射半导体器件1，产生瞬态光生电荷，该瞬态光生电荷在半导体器件1内建电场或扩散作用下，最终积累在半导体器件1两端，形成光生电压。该积累的瞬态光生电荷在半导体器件1内部会以一定的速度发生复合，电荷量减少，光电压也相应降低，从而出现光电压随时间的变化过程。该过程时间尺度很短，因此频率很高，难以流经含有低通滤波器52的电调制回路5。因此该过程可以被电压探测器4进行准确的探测和记录。

通过调节电压源51输出电压大小可以改变施加在半导体器件1两端的直流电压，从而改变半导体器件1内部电性质，比如pn结势垒高度或耗尽层宽度。这些电性质的改变均会影响半导体器件1瞬态电荷的复合性质，并可被电压探测回路探测。类似地，通过调节稳态偏置光的强度，半导体器件1内部产生的稳定分布的光生电荷的浓度也会发生相应的变化，这也会最终影响半导体器件1的电荷复合性质。因此本发明的瞬态光电压测试系统可以探测半导体器件1在不同偏置电压和不同稳态偏置光下的电荷复合性质，对于半导体器件1电荷过程的研究具有重要的作用。

图2是图1所示瞬态光电压测试系统的电路原理图。参见图2，电调制回路5与电压探测器4分别并联在被测半导体器件1两端，电路噪声较小，适合于瞬态探测。

传统的瞬态光电压测试系统不含有电调制回路5，无法实现对半导体器件1的电调制。为了实现电调制，可以将电压源51与半导体器件1并联，但由此引入的并列回路将会使得瞬态电荷产生分流，因此光电压会很快的衰减。图3示出了在电调制回路5是否存在的情况下，太阳能电池的光电压随时间变化的曲线图。图3所示曲线图为在暗态、偏置电压为0V的条件下测试的。其中，未添加电调制回路5的曲线为A曲线，包含有电压源51和低通滤波器52的电调制回路5的曲线为B曲线，只包含电压源51的电调制回路5的曲线为C曲线。参见图3，在只包含电压源51的电调制回路5中，瞬态光电压衰减迅速。为了避免该分流情况的出现，本发明引入了低通滤波器52，其与电压源51串联，将该电调制回路5变成一个有效的低通回路，有效地阻止了瞬态光生电荷的通过。参见图3，从图3中可以看出，包含有电压源51和低通滤波器52的电调制回路5与未添加电调整回路5两者的曲线完全重合。这说明本发明在实现电光独立调制的同时可以保证测试过程的准确性。

图4是通过图1所示瞬态光电压测试系统探测到的多晶硅太阳能电池在暗态下不同偏置电压下的光电压随时间变化的曲线图。如图4所示，随着偏置电压的提高，太阳能电池的光电压衰减加快，表明电荷复合速度的加快，也就是说，本发明的瞬态光电压测试系统可以实现有效的电调制。图5是通过图1所示瞬态光电压测试系统探测到的多晶硅太阳能电池在光照状态(光强为100毫瓦/平方厘米)下不同偏置电压下的光电压随时间变化的曲线图。如图5所示，随着偏置电压的提高，太阳能电池的光电压衰减加快，表明电荷复合速度的加快，也就是说，本发明的瞬态光电压测试系统可以实现有效的电调制。

图6是通过图1所示瞬态光电压测试系统探测到的太阳能电池在暗态和光照状态下的光电压强度和光电压寿命随偏置电压变化的曲线图。如图6所示，可以看出，不论是在暗态下还是在光照条件下，太阳能电池的光电压峰值和复合寿命都随之偏置电压的提高而下降。并且，在同一偏置电压下，光照状态下的光电压和光电压寿命都比在暗态下的光电压和光电压寿命低。该结果对于研究硅太阳能电池的工作状态，电荷特性具有重要的作用。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种电光独立调制的瞬态光电压测试系统，用于探测半导体器件在不同光照和偏压状态的光生电压的瞬态过程，以表征所述半导体器件的电荷复合性质，包括：

脉冲光源，用于向所述半导体器件施加脉冲光激发，以在所述半导体器件内形成光生电荷；其中，所述光生电荷在所述半导体器件两侧积累，以形成光生电压；

稳定光源，用于照射所述半导体器件以提供光调制，使所述半导体器件内部建立稳定存在的浓度可调的电荷分布；

电压探测器，与所述半导体器件构成电压探测回路，用于实时探测所述半导体器件两端的光生电压；和

与所述电压探测回路并联的电调制回路，用于向所述半导体器件提供可控的直流电压调制信号。

2.根据权利要求1所述的瞬态光电压测试系统，其中，所述电压探测器具体为数据采集卡或并联的数字示波器与采样电阻。

3.根据权利要求1或2所述的瞬态光电压测试系统，其中，所述稳定光源具体为波长可选的LED灯或强度连续可调的氙灯。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的瞬态光电压测试系统，其中，所述脉冲光源具体为脉冲激光器或高速控制的LED灯。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的瞬态光电压测试系统，其中，所述脉冲光源具有很窄的脉宽和较长的脉冲周期且所述脉冲光源的波长可调。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的瞬态光电压测试系统，其中，所述电调制回路包括串联的电压源与低通滤波器。

7.根据权利要求6所述的瞬态光电压测试系统，其中，所述低通滤波器具体为电感或有源低通滤波器，所述电压源具体为信号发生器或数字源表。

8.根据权利要求6或7所述的瞬态光电压测试系统，其中，所述电压源具有较低的直流输入阻抗且可以提供可控的覆盖所述半导体器件工作范围的直流电压信号，所述低通滤波器具有较低的直流输入阻抗和较大的高频输入阻抗。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的瞬态光电压测试系统，其中，还包括设置在所述脉冲光源与所述半导体器件之间的滤光片，所述滤光片用于调节所述半导体器件接收到的所述脉冲光的强度。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的瞬态光电压测试系统，其中，还包括用于容纳所述半导体器件的样品室，所述样品室用于为所述半导体器件提供预定的温度环境、气氛环境和/或电磁屏蔽。