CN106248645B - 一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，具体包含：步骤1：单色光源近边激发，获得发射光子数与计数时间关系数据；步骤2：将所得关系数据结合检测系统自身响应特性数据，进行数据单指数或多指数拟合，提取发射光子寿命数据；步骤3：调整单色光源功率密度，提取发射光子寿命数据；步骤4：获得最大发射光子寿命对应的光源功率密度；步骤5：减小照射光斑面积，提取发射光子寿命数据；步骤6：获得该吸收层材料荧光寿命；步骤7：重复上述步骤，获得多结太阳电池各吸收层材料荧光寿命。本发明的方法实现了无损地对太阳电池各吸收层材料质量衡量，对太阳电池吸收层材料质量优化与改进工作具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种多结太阳电池吸收层材料荧光寿命测试方法，具体涉及一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，属于半导体材料测试领域。
背景技术
多结太阳电池通过多层禁带宽度不同的半导体吸收材料，实现了宽光谱范围内太阳光子能量的高效收集与利用，从而获得了高的光电转换效率。新一代的高效多结太阳电池，大量使用含铝的宽禁带半导体吸收材料与复杂多元窄禁带半导体吸收材料。这些材料受制备方法与工艺参数的影响，其电学特性与材料质量，特别是材料体内各种深能级缺陷与复合中心，有着紧密的关联。多结太阳电池材料中的能级缺陷与复合中心使得太阳电池内载流子的分离与输运产生较大困难，使太阳电池的性能出现大幅下降。因此，高质量的半导体材料是高效太阳电池的关键。
荧光寿命是指当某种物质被一束激光激发后，该物质的分子吸收能量后从基态跃迁到某一激发态上，再以辐射跃迁的形式发出荧光回到基态，当激发停止后，分子的荧光强度降到激发时初始强度的1/e所需的时间，也表示粒子在激发态存在的平均时间。材料荧光寿命是表征半导体材料质量的一个有效手段。荧光寿命反应出材料体内载流子在材料体内输运过程中受到本征缺陷能级、杂质能级、晶格散射等作用等综合效果。一般地，较长的荧光寿命意味着较好的材料质量。在高效太阳电池研制与生产过程中，荧光寿命已成为反映太阳电池吸收层材料质量的重要参数。
常规的荧光寿命测试方法，是对不同厚度具备双异质结结构的材料进行寿命测试，根据R.K.Ahrenkeil等在论文“Measurement of minority-carrier lifetime bytime-resolved photoluminescence，Solid-State Electronics, Vol. 35, No.3, pp.239-250,1992”中给出的方法，推算材料荧光寿命。这种方法虽可较准确地获取荧光寿命，但需制备大量具备双异质结结构的材料，增加了测试成本。此外，多结太阳电池在器件制备过程中会经历元素扩散、高温退火、合金等过程，对材料质量也会产生影响，这种方法无法原位地反映出经历一
系列太阳电池器件工艺后吸收材料的荧光寿命，对太阳电池吸收层材料质量的优化与改进工作指导意义有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，该方法能够实现无损地在多结太阳电池器件中完成各吸收层材料质量的衡量，获得经历复杂器件工艺后太阳电池吸收层材料的荧光寿命，对太阳电池吸收层材料质量的优化与改进工作具有重要的指导意义。
为了达到上述目的，本发明提供了一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，该方法具体包含：
步骤1：使单色光源经狭缝照射多结太阳电池某子电池吸收层材料进行激发，对吸收层材料发射的光子进行检测，获得发射光子数与计数时间的关系数据；
步骤2：根据所得的发射光子数与计数时间的关系数据，结合检测系统自身响应特性数据，通过将这些数据解卷积后进行单指数或多指数拟合，获得步骤1中发射光子寿命数据；
步骤3：调整单色光源的功率密度后重复步骤1与步骤2，并多次重复上述过程，获得在该单色光源不同功率密度下发射光子寿命数据；
步骤4：对步骤3获得的不同功率密度下发射光子寿命数据绘图，根据图中发射光子寿命在不同功率密度下的变化趋势，获得与发射光子最大寿命相对应的光源功率密度；
步骤5：将单色光源功率密度固定为获得发射光子最大寿命时的功率密度，逐渐减小照射多结太阳电池样品的光斑面积，重复步骤1与步骤2获得不同光斑直径下的发射光子寿命数据；
步骤6：对步骤5获得的发射光子寿命数据绘图并外推，外推获得的发射光子寿命即为该吸收层材料的荧光寿命；
步骤7：更换光源波长，使其形成对下一子电池吸收层材料的近边激发，重复上述步骤，获得下一子电池吸收层材料的荧光寿命，最终获得多结太阳电池各吸收层材料荧光寿命。
所述的单色光源是脉冲式光源，光源脉冲频率在0.1KHz-80MHz之间。
所述的单色光源包括单波长激光器、配有单色仪的连续波长激光器、染料激光器、氙灯和卤素灯。
所述的单色光源的波长接近并小于或等于待测吸收层材料的发射波长。
步骤1中所述的激发是指近边激发，所述的检测是通过将发射光子纯化后引入高灵敏检测器进行检测。
步骤1中所述的发射光子纯化是指通过将发射光子经单色仪，并将单色仪内光栅设置在发射光子的波长处，进行纯化。
步骤1中所述的发射光子数与计数时间的数据和关系采用时间关联单光子计数技术获得。
步骤2中所述的检测系统自身响应特性数据通过将检测系统的材料样品替代多结太阳电池，单色光源照射，连接检测器的单色仪内光栅设为与单色光源相同的波长，并采用时间关联单光子计数技术获得。
步骤5中所述的减小光斑面积是通过将狭缝的宽度减小实现。
步骤6中所述的数据绘图并外推是以光斑直径为横坐标、发射光子寿命为纵坐标绘图，对图中近线性部分数据进行合理的外推，其趋势线与纵坐标交于一点。该点对应的发射光子寿命等同于该吸收层材料的荧光寿命。
本发明提供的一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，解决了现有技术无法原位地反映出经历一系列太阳电池器件工艺后吸收层材料的荧光寿命的问题，具有以下优点：
该方法与已有技术相比，不需要制备大量具备双异质结结构的材料，降低了成本；通过对获得的发射光子寿命和检测系统自身响应特性数据进行解卷积，消除了在测试过程中可能产生的光子“堆积”效应和检测系统自身响应对发射光子寿命的影响，实现荧光寿命无损测试；通过固定与最大发射光子寿命对应的光源功率密度，并测试不同光斑直径下的荧光寿命，通过外推法得到吸收层材料的荧光寿命，消除了外在因素光源和光斑面积对吸收层材料荧光寿命的影响；该方法能够有效地指导高效太阳电池吸收层材料质量的改善与电池性能的提升。
附图说明
图1为本发明提供的一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法的工艺流程图。
图2为单色光源不同功率密度照射下提取的InGaP吸收层材料发射光子计数与计数时间关系图。
图3为单色光源不同功率密度照射下提取的InGaP吸收层材料发射光子寿命与功率密度关系图。
图4为固定功率密度不同光斑直径的单色光源照射下提取的InGaP吸收层材料发射光子寿命与光斑直径的关系图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，本发明用于提供一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，通过材料受激发后发射的光子的寿命获得材料的荧光寿命。以具有InGaP／GaInAs／Ge结构的三结太阳电池各吸收层材料的荧光寿命测量为例，该方法具体步骤如下：
步骤1：使用Fianium生产的皮秒级超连续白光激光器，将激光器频率设为20MHz，并连接一组两个级连的300mm规格的单色仪，实现光源的单色化。对于InGaP子电池吸收层材料，调整单色仪内光栅位置，使得获得波长为631nm的单色光。该单色光通过一狭缝后照射至待测三结太阳电池表面，光斑直径为140μm，对三结太阳电池中InGaP子电池吸收层材料进行近边激发。InGaP子电池吸收层材料受激后发射波长为650nm的光子。将出射的光子引入至另一组两个级联的300mm规格的单色仪，并将单色仪内光栅设在650nm处，滤除出射光子中混杂的其它波长的光子。将纯化后的发射光子引入R3809U-50超快检测器，并采用时间关联单光子计数技术，获得发射光子数与计数时间的关系数据；
步骤2：使用平整的Teflon样品替代三结太阳电池，并且连接检测器的单色仪内光栅设为与单色光源相同的波长，采用时间关联单光子计数技术，获得检测系统自身响应特性数据，并对步骤1所获得的发射光子数与计数时间的关系数据进行解卷积，消除在测试过程中可能产生的光子“堆积”效应。对解卷积后的数据进行单指数或多指数拟合，获得三结太阳电池InGaP子电池吸收层材料受激后发射光子寿命。
步骤3：调整单色光源的功率密度后重复步骤1与步骤2，并多次重复上述过程，如图2所示，获得在该激发光源的不同功率密度下发射光子寿命数据。
步骤4：对步骤3获得的发射光子寿命数据绘图，如图3所示，根据发射光子寿命在该光源不同功率密度下的趋势，获得发射光子最大寿命。
步骤5：将单色光源功率密度固定为获得发射光子最大寿命时的功率密度，减小狭缝宽度，使照射在三结太阳电池的光斑直径从140μm逐渐减小至18μm，在此过程中重复步骤1与步骤2，获得不同照射光斑直径下InGaP子电池吸收层材料受激发射光子的寿命数据。
步骤6：如图4所示，以光斑直径为横坐标、发射光子寿命为纵坐标绘图，对图中近线性部分数据进行合理的外推，其趋势线与纵坐标交于一点。该点所对应的发射光子寿命即为待测InGaP子电池吸收层材料的荧光寿命。可以看出，吸收层材料的荧光寿命约为2ns。
步骤7：将与超连续白光激光器连接的单色仪内光栅调整至850nm处，实现对三结太阳电池GaInAs子电池吸收层材料的近边激发；使用R2658P检测器，并将与检测器连接的单色仪内光栅调整至885nm处，通过时间关联单光子计数技术，以获得发射光子数与计数时间的关系并提取寿命数据。与InGaP子电池吸收层荧光寿命测量过程类似，通过改变光源功率密度、改变照射光斑直径等一系列测量与数据处理，可获得三结太阳电池GaInAs子电池吸收层材料的荧光寿命。
步骤8：将与超连续白光激光器连接的单色仪内光栅调整至1650nm处，实现对三结太阳电池Ge子电池吸收层材料的近边激发；使用H10330B-75检测器，并将与检测器连接的单色仪内光栅调整至1850nm处，通过时间关联单光子计数技术，以获得发射光子数与计数时间的关系并提取寿命数据。与InGaP子电池吸收层荧光寿命测量过程类似，通过改变光源功率密度、改变照射光斑直径等一系列测量与数据处理，可获得三结太阳电池Ge子电池吸收层材料的荧光寿命，从而获得具有InGaP／GaInAs／Ge结构的三结太阳电池各吸收层材料的荧光寿命。
综上所述，本发明用于提供一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，该方法解决了无法原位地反映太阳电池的荧光寿命的问题，通过检测太阳电池材料的发射光子寿命获得材料的荧光寿命，并实现无损测试，能够指导太阳电池吸收层材料质量的优化以及电池性能的提高。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，其特征在于，该方法具体包含：
步骤1：使单色光源经狭缝照射多结太阳电池某子电池吸收层材料进行激发，对吸收层材料发射的光子进行检测，获得发射光子数与计数时间的关系数据；
步骤2：根据所得的发射光子数与计数时间的关系数据，结合检测系统自身响应特性数据，通过将这些数据解卷积后进行单指数或多指数拟合，获得步骤1中发射光子寿命数据；
步骤3：调整单色光源的功率密度后重复步骤1与步骤2，并多次重复上述过程，获得在该单色光源不同功率密度下发射光子寿命数据；
步骤4：对步骤3获得的不同功率密度下发射光子寿命数据绘图，根据图中发射光子寿命在不同功率密度下的变化趋势，获得与发射光子最大寿命相对应的光源功率密度；
步骤5：将单色光源功率密度固定为获得发射光子最大寿命时的功率密度，逐渐减小照射多结太阳电池样品的光斑面积，重复步骤1与步骤2获得不同光斑直径下的发射光子寿命数据；
步骤6：对步骤5获得的发射光子寿命数据绘图并外推，外推获得的发射光子寿命即为该吸收层材料的荧光寿命；
步骤7：更换光源波长，使其形成对下一子电池吸收层材料的近边激发，重复上述步骤，获得下一子电池吸收层材料的荧光寿命，最终获得多结太阳电池各吸收层材料荧光寿命。
2.根据权利要求1所述的多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，其特征在于，所述的单色光源是脉冲式光源，光源脉冲频率在0.1KHz-80MHz之间。
3.根据权利要求1所述的多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，其特征在于，所述的单色光源包括单波长激光器、配有单色仪的连续波长激光器、染料激光器、氙灯和卤素灯。
4.根据权利要求1所述的多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，其特征在于，所述的单色光源的波长小于或等于待测吸收层材料的发射波长。
5.根据权利要求1所述的多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，其特征在于，步骤1中所述的激发是指近边激发，所述的检测是通过将发射光子纯化后引入高灵敏检测器进行检测。
6.根据权利要求5所述的多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，其特征在于，步骤1中所述的发射光子纯化是指通过将发射光子经单色仪，并将单色仪内光栅设置在发射光子的波长处，进行纯化。
7.根据权利要求1所述的多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，其特征在于，步骤1中所述的发射光子数与计数时间的数据和关系采用时间关联单光子计数技术获得。
8.根据权利要求7所述的多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，其特征在于，步骤2中所述的检测系统自身响应特性数据通过将检测系统的材料样品替代多结太阳电池，单色光源照射，连接检测器的单色仪内光栅设为与单色光源相同的波长，并采用时间关联单光子计数技术获得。
9.根据权利要求1所述的多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，其特征在于，步骤5中所述的减小光斑面积是通过将狭缝的宽度减小实现。
10.根据权利要求1所述的多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，其特征在于，步骤6中所述的数据绘图并外推是以光斑直径为横坐标、发射光子寿命为纵坐标绘图，对图中近线性部分数据进行合理的外推，其趋势线与纵坐标交于一点。
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