CN106569073B - 一种基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件及测试方法。所述附件包括光源和光纤输出部；所述光源发出的光束射入所述光纤输出部的入射端，所述光纤输出部的出射端与所述热电性能测试仪光路连接且光路能够照射所述热电性能测试仪中的样品。通过在热电性能测试仪的样品仓引入光纤导入辐照光源，测试并获得在变温条件下、被辐照光照射后样品的电阻率/电导率等光致电性能变化情况。

Description

一种基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件及方法

技术领域

本申请涉及一种材料光致电性能测试装置及方法，属于材料性能测试领域。

背景技术

光功能材料作为一种重要的能源转换材料，在航空航天、国防军工、电子技术等领域有着广泛的应用。在光电半导体材料的研究中，除了利用新方法来制备新材料外，评价材料的电性能(Seebeck塞贝克系数、电导率/电阻率)也是一个重点。由于新材料的优劣及应用前景的关键在于其性能的表现，因此材料性能的研究和表征则成为重中之重。这里评价材料性能的塞贝克系数和电导率/电阻率的测试不仅可以宏观上表征材料的热电输运性能，同时可以间接反映载流子浓度及迁移率等微观性质，是表征材料电学性能的重要指标。这些材料性能的测量主要通过塞贝克系数测试仪获得室温到800℃或者物理性能测试仪获得室温到1700℃之间热能转化为电能的效率。

在材料的应用研究中还需要评估材料被不同波长的光或者激光照射后导电性能的变化，如一些热电材料、非线性光学材料、光电子材料、半导体材料等，对材料的高温光电导效应、激光材料损伤过程及机理、材料在光热环境下的损伤等研究方向有迫切要求，这对材料性能的测量提出更高的要求。而一般被广泛应用于光电导性能评估的是采用表面电位衰减法的光电导测试系统、静电纸测试仪或者半导体参数测试仪。这些仪器一般只能测试室温下材料的光致电性能变化情况，无法在高温或者变温下测试评估材料的性能变化。由于热电性能测试仪的测试是在密闭条件下进行，无法直接使用外置光源照射样品并获得材料的光致电性能变化情况，目前尚未见有在变温条件下利用热电性能测试仪测试材料光致电性能变化情况的文献或者专利的报道。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件。通过在热电性能测试仪的样品仓引入光纤导入辐照光源，测试并获得在变温条件下、被辐照光照射后样品的电阻率/电导率等光致电性能变化情况。评价材料的光致电性能，是表征和研究材料热电性能、光电导效应不可或缺的手段，能够广泛地应用于光电子效应、光诱导反应过程中的电参数变化、热变化带来的材料禁带变化、光致损伤过程等等和光辐照下电学性能变化相关的研究，成为研究材料热电性能、光电效应的有效方法，对太阳能电池研究、非线性光学材料、热电材料等研究有重要的促进作用，对热电材料和光电材料等功能材料的研究具有重要意义。

基于热电性能测定装置的光致电性能测试附件，可以模拟太阳光或者单一波长激光辐射下，测试并分析材料光辐照、热升温过程的变化，研究材料的光致电性能变化，能够实现材料在室温到200℃之间不同的温度下，保持热电测试装置原有在塞贝克系数和电导率/电阻率测量上的高灵敏度，测试获得样品在不同波长的光或者激光照射后的塞贝克系数和电导率变化情况。本申请的技术方案能够广泛地应用于各种制造光电设备的材料、非线性光学材料等等的研究。

本申请提供的基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件，其特征在于，所述附件包括光源和光纤输出部；所述光源发出的光束射入所述光纤输出部的入射端，所述光纤输出部的出射端与所述热电性能测试仪光路连接且光路能够照射所述热电性能测试仪中的样品。本申请的技术方案通过采用光纤将光源的辐照光导入热电性能测试仪，并照射其中的样品，利于现有的热电性能测试仪，即可同时对样品进行变温(比如升温)和光照的情况下测试样品的光致电性能及其变化。现有技术中，热电性能测试和光致电性能测试必须分开测试，只能得到材料静态的光致电性能，导致无法得到材料工作状态下的光致电性能。本申请的解决了现有技术中长久以来热电性能测试和光致电性能测试无法同时测量的技术难题，进一步解决了变温条件下测试光致电性能的灵敏度不高且误差较大的技术难题，更进一步通过提供了一种应用于现有仪器的附件即可解决上述难题的装置和方法。

由于不同材料特点及用途不同的样品，其需要不同的辐照光类型进行变温条件下降的光致电性能变化测试。比如，非线性晶体材料往往需要激光照射下进行变温测试，而太阳能电池材料需要能够在解决太阳光或太阳光谱中的某一段的辐照光下进行变温测试。本申请提供的进一步的技术方案，可以选择激光或模拟日光的辐照光条件。优选地，所述光源包括激光部、模拟日光部和光路选择部；所述光路选择部选择所述激光部射出的激光光束或所述模拟日光部射出的日光光束射入所述光纤输出部的入射端。

优选地，所述激光部包括激光光源、第一反射镜和第一驱动马达，所述第一驱动马达驱动所述第一反射镜将所述一至五个激光光源中的一个激光光源的激光光束反射入所述光路选择部。

优选地，所述激光光源由一至五个可拆卸的激光器模块组成。所述激光器模块能够可拆卸的安装或替换成多种不同的激光器。由于所述激光器模块位置固定且可模块化拆卸，因此可以根据实际测试需要，选用并替换不同输出波长和功率的激光器。同时采用多个可拆卸激光器，可以在测试某个样品时，在若干个激光光源中任意切换，以便于获得不同激光辐照条件下的光致电性能随温度变化情况。

作为一个具体的实施方式，所述激光光源由三个可拆卸激光器模块组成。

所述第一驱动马达能够驱动所述第一反射镜移动至不同位置，用以反射所述一至五个激光光源中的一个激光光源发射的激光束输出到所述光路选择部。

作为一个具体的实施方式，所述激光光源为三个且波长不同。所述激光光源为三个波长不同的激光器，分别为第一激光器、第二激光器和第三激光器，所述第一驱动马达能够驱动所述第一反射镜移动至三个不同位置：第一位置、第二位置和第三位置。第一位置、第二位置和第三位置分别对应并反射第一激光器、第二激光器和第三激光器的出射光线，以使三个激光器之一的激光光束射向所述光路选择部。

优选地，所述激光部包括第二反射镜和第一透镜组，所述第一反射镜反射出的激光光束先经由所述第二反射镜反射后通过所述第一透镜组聚焦准直后射入所述光路选择部。

作为一个具体的实施方式，所述激光部包括第一激光光源、第二激光光源、第三激光光源、第一反射镜、第一驱动马达、第二反射镜和第一透镜组；所述第一驱动马达驱动所述第一反射镜分别处于第一位置、第二位置和第三位置以分别反射所述第一激光光源、所述第二激光光源和所述第三激光光源发射的不同波长的激光光束射向所述第二反射镜，经所述第二反射镜反射后的激光光束经所述第一透镜组聚焦准直后射入所述光路选择部。

优选地，所述光路选择部包括第二驱动马达和第三反射镜，所述第二驱动马达驱动所述第三反射镜处于两个不同位置，以选择将所述激光部射出的激光光束或所述模拟日光部射出的日光光束射入所述光纤输出部的入射端。

优选地，所述模拟日光部包括模拟日光光源和第二透镜组；所述模拟日光光源产生190nm～1100nm中任一波段的模拟日光通过所述第二透镜组聚焦准直后射入所述光路选择部。

进一步优选地，所述模拟日光部还包括光栅和狭缝，所述第二透镜组聚焦准直后的出射光路上依次设置所述光栅和所述狭缝，通过所述光栅和所述狭缝的光束射入所述光路选择部；

所述光栅由第三驱动马达驱动，所述狭缝由第四驱动马达驱动，所述光栅和所述狭缝相配合用以选择190nm～1100nm中任一波长范围的光。

进一步优选地，所述模拟日光部还包括第三透镜组，所述第三透镜组设置在所述狭缝的出射光路上，经所述第三透镜组聚焦准直后的出射光束射入所述光路选择部。

所述模拟日光光源为氙灯。

作为一个具体的实施方式，所述模拟日光部包括氙灯、第二透镜组、光栅、第三驱动马达、狭缝、第四驱动马达和第三透镜组，所述氙灯产生190nm～1100nm波段的模拟日光通过所述第二透镜组聚焦准直后射向所述光栅，所述光栅由第三驱动马达驱动以实现分光，光栅出射的分光光束通过所述狭缝，所述狭缝由第四驱动马达调整狭缝宽度和位置以选取分光后的出射光束的波长范围，通过所述狭缝的光束射入所述第三透镜组聚焦准直后射入所述光路选择部。

优选地，所述光纤输出部包括衰减器、第五驱动马达和光纤；所述光路选择部出射的光束先经过所述衰减器，再射入所述光纤；所述衰减器由所述第五驱动马达驱动，以控制通过所述衰减器后的光强度占入射所述衰减器的光强度之百分比为0.01％～100％。

进一步优选地，所述光纤输出部包括一至十个衰减器、第五驱动马达和光纤；所述光路选择部出射的光束先经过所述衰减器，再射入所述光纤；所述第五驱动马达控制选取所述一至十个衰减器中的至少一个置于所述光路上。更进一步优选地，所述一至十个衰减器的光强度透过率分别各自选自100％、50％、25％、10％、5％、2.5％、1％、0.1％和0.01％。

根据本申请的又一个方面，提供了一种基于热电性能测试仪测试样品光致电性能变化方法，通过在热电性能测试仪的样品仓引入光纤导入辐照光源，测试并获得在变温条件下、被辐照光照射后样品的电阻率/电导率等光致电性能变化情况。该方法由上述任一所述附件与热电性能测试仪光路连接，所述附件中的光纤输出部出射的光线照射所述热电性能测试仪中的样品上的部分或全部区域，使用所述热电性能测试仪测试样品在温度20℃～1700℃中的至少一段范围内变温情况下的光致电性能变化。

优选地，使用所述热电性能测试仪测试样品在温度20℃～200℃中的至少一段范围内变温情况下的光致电性能变化。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件，能够测试并获得在变温条件下、被辐照光照射后样品的电阻率/电导率等光致电性能变化情况。

2)本申请的附件应用于热电性能测定装置，在样品被辐照光照射的情况下，变温并测量光致电性能的变化具有很高灵敏度，其中在塞贝克系数测量中，测量范围10^-5V～10V时，测量精度可以达到：<±7％；在电导率测量中，测量范围10^-6Ω～100Ω时，测量精度可以达到：<±10％。

3)本申请所提供的基于热电性能测试仪测试样品光致电性能变化方法，通过在热电性能测试仪的样品仓引入光纤导入辐照光源，能够测试并获得在变温条件下、被辐照光照射后样品的电阻率/电导率等光致电性能变化情况。

附图说明

图1为本申请一种实施方式的基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件示意图。

图2为本申请一种实施方式的基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件示意图。

图3为本申请一种实施方式的基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件示意图。

图4为本申请一种实施方式的基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件中第一反射镜局部示意图。

图5为本申请一种实施方式的基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件中第三反射镜局部示意图；其中图5(a)为选择激光输出状态，图5(b)为现在模拟日光输出状态。

部件和附图标记列表：

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的具体实施方式中的仪器设备均通过商业途径购买。

实施例1

根据本申请的一种具体实施方式，如图1所示，本申请的基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件包括光源和光纤输出部8。所述光源发出的光束射入所述光纤输出部8的入射端，光纤输出部8的出射端与所述热电性能测试仪9光路连接，热电性能测试仪9中的样品被所述光纤输出部8射出的光束照射。

本实施例通过采用光纤将光源的辐照光导入热电性能测试仪，并照射其中的样品，利于现有的热电性能测试仪，即可同时对样品进行变温(比如升温)和光照的情况下测试样品的光致电性能及其变化。

实施例2

根据本申请的一种具体实施方式，可以选择激光或模拟日光的辐照光条件。如图2所示，所述基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件包括激光部2、模拟日光部4、光路选择部6和光纤输出部8。激光部2能够发射出激光光束，模拟日光部4能够发射出模拟日光束，两束光束均射入光路选择部6。光路选择部6能够选择激光部2射出的激光光束或者模拟日光部4射出的日光光束射入光纤输出部8的入射端。

光路选择部6对光束的选择依据热电性能测试仪9中的样品的类型和应用领域。

例如，当样品为非线性晶体材料，且此材料主要应用于激光晶体领域时，为获得此晶体材料在激光照射下、且在温度变化过程中的光致电性能，采用本实施例测试附件时，光路选择部6选择激光部2射出的激光光束并射入光纤输出部8的入射端。

又如，当样品为太阳能电池材料时，为获得此太阳能电池在太阳光照射下、且在温度变化过程中的光致电性能，采用本实施例测试附件时，光路选择部6选择模拟日光部4射出的激光光束并射入光纤输出部8的入射端。

实施例3

根据本申请的一种具体实施方式，如图3所示，本申请的基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件包括激光部2、模拟日光部4、光路选择部6和光纤输出部8。激光部2能够发射出激光光束，模拟日光部4能够发射出模拟日光束，两束光束均射入光路选择部6。光路选择部6能够选择激光部2射出的激光光束或者模拟日光部4射出的日光光束射入光纤输出部8的入射端。

具体而言，请参阅图3，激光部2包括激光器200、激光器202、激光器204、反射镜22、驱动马达24、反射镜28和透镜组26。驱动马达24能够驱动反射镜22分别处于位置P1、位置P2和位置P3，以分别反射所述激光器200、激光器202、激光器204发射的激光光束。见图4所示，图4(a)为驱动马达24驱动反射镜22处于位置P1，以反射激光器204射出的激光，其余激光器射出的激光不会进入反射光路；图4(b)为驱动马达24驱动反射镜22处于位置P2，以反射激光器202射出的激光，其余激光器射出的激光不会进入反射光路；图4(c)为驱动马达24驱动反射镜22处于位置P3，以反射激光器200射出的激光，其余激光器射出的激光不会进入反射光路。图3所示状态为图4(a)中选择激光器204射出的激光进入光路，反射镜22选择反射出的激光光束再由反射镜28反射后，经透镜组26聚焦准直后射入光路选择部6。

图3和图4中，采用的三个激光器(激光器200、激光器202、激光器204)的方案仅作为一个典型的实施方式，考虑到实际需求，可以选取一至五个激光器，相应的驱动马达24能够驱动反射镜22分别处于五个不同位置以分别选择反射其中一个激光器射出的激光。多个激光器的方案中，各个激光器可以是波长不同，也可以是功率不同。

具体而言，请继续参阅图3，模拟日光部4包括氙灯40、透镜组42、透镜组43、光栅44、狭缝46、驱动马达48和驱动马达49。氙灯40能够产生190nm～1100nm波段的模拟日光，模拟日光通过透镜组42聚焦准直后射向光栅44，光栅44由驱动马达48驱动以实现分光，光栅44出射的分光光束通过狭缝46。狭缝46由驱动马达49驱动，以调整狭缝宽度和位置以选取分光后的出射光束的波长范围，具体而言，驱动马达49调整狭缝46沿分光光束的波谱分布方向移动位置，可以得到相应中心波长的光束；驱动马达49调整狭缝46的宽度变化，可以在中心波长不变的情况下，调整光束的波长范围。通过狭缝46的光束射入透镜组43聚焦准直后射入所述光路选择部6。

具体而言，请继续参阅图3，光路选择部6包括反射镜60和驱动马达62，驱动马达62驱动反射镜60处于位置P4和位置P5两个不同位置，以选择反射激光部2射出的激光光束或者反射模拟日光部4射出的日光光束，见图5所示，图5(a)为驱动马达62驱动反射镜60选择来自激光部2的激光光束射入光纤输出部8，此时模拟日光部4的模拟日光光束不会进入光路；图5(b)为驱动马达62驱动反射镜60选择来自模拟日光部4的日光光束射入光纤输出部8，此时激光部2的模拟日光光束不会进入光路。图3所示光路选择部6的状态为驱动马达62驱动反射镜60选择来自激光部2的激光光束进入射入光纤输出部8。

具体而言，请继续参阅图3，光纤输出部8包括衰减器80、驱动马达82和光纤84。光路选择部6出射的光束先经过衰减器80，再射入光纤84。衰减器80由驱动马达82驱动，以控制通过所述衰减器后的光强度占入射所述衰减器的光强度之百分比为0.01％～100％。本实施例中，衰减器80由九片透过率分别为100％、50％、25％、10％、5％、2.5％、1％、0.1％和0.01％的衰减片组成。驱动马达82驱动衰减器80中的九片衰减片中一个置于所述光路上。

本实施例的基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件工作时，如图3所示，先将光纤输出部8的光纤84的输出端接入热电性能测试仪9并将样品置于能够被照射到需要照射的位置。根据样品测试需要，如图5所示，操作光路选择部6中的驱动马达62以将反光镜60置于位置P4或位置P5，以选择采用激光光源或者模拟日光光源。当需要选择激光光源时，即图5(a)所示状态时，进一步判断需要照射样品的激光波长和功率，进而选择相应的激光器。请参阅图4，操作驱动马达24以将反光镜22置于位置P1、位置P2或位置P3，以选择采用激光器204、激光器202或者激光器200输出的激光。图3中所示状态为：采用激光光源照射样品，具体采用激光器204输出的激光照射样品时，分别在20℃～100℃、20℃～200℃、50℃～200℃、20℃～300℃的变温条件下，对样品光致电性能变化测试。其中，在塞贝克系数测量中，测量范围10^-5V～10V时，测量精度可以达到：<±7％；在电导率测量中，测量范围10^-6Ω～100Ω时，测量精度可以达到：<±10％。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (11)

1.一种基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件，其特征在于，所述附件包括光源和光纤输出部；

所述光源发出的光束射入所述光纤输出部的入射端，所述光纤输出部的出射端与所述热电性能测试仪光路连接且光路能够照射所述热电性能测试仪中的样品；

所述光源包括激光部、模拟日光部和光路选择部；所述光路选择部选择所述激光部射出的激光光束或所述模拟日光部射出的日光光束射入所述光纤输出部的入射端；

所述光路选择部包括反射镜和驱动马达，所述驱动马达驱动反射镜在两个不同位置之间移动，从而选择所述激光光束或者日光光束射入所述光纤输出部的入射端；

所述基于热电性能测试仪的光致电性能测试附件能够测试并获得在在变温条件下且同时被辐射光照射后，待测试样品的光致电性能变化情况；

其中，所述光致电性能包括电阻率、电导率或塞贝克系数。

2.根据权利要求1所述的附件，其特征在于，所述激光部包括激光光源、第一反射镜和第一驱动马达；

所述激光光源由一至五个可拆卸的激光器模块组成；

所述第一驱动马达驱动所述第一反射镜将所述激光光源中一至五个可拆卸的激光器模块中的一个激光器模块的激光光束反射入所述光路选择部。

3.根据权利要求2所述的附件，其特征在于，所述激光光源由三个可拆卸激光器模块组成。

4.根据权利要求2所述的附件，其特征在于，所述激光部包括第二反射镜和第一透镜组；

所述第一反射镜反射出的激光光束先经由所述第二反射镜反射后通过所述第一透镜组聚焦准直后射入所述光路选择部。

5.根据权利要求1所述的附件，其特征在于，所述光路选择部包括第二驱动马达和第三反射镜；

所述第二驱动马达驱动所述第三反射镜处于两个不同位置以选择将所述激光部射出的激光光束或所述模拟日光部射出的日光光束射入所述光纤输出部的入射端。

6.根据权利要求1所述的附件，其特征在于，所述模拟日光部包括模拟日光光源和第二透镜组；所述模拟日光光源产生190nm～1100nm中任一波段的模拟日光通过所述第二透镜组聚焦准直后射入所述光路选择部。

7.根据权利要求6所述的附件，其特征在于，所述模拟日光部还包括光栅和狭缝；

所述第二透镜组聚焦准直后的出射光路上依次设置所述光栅和所述狭缝，通过所述光栅和所述狭缝的光束射入所述光路选择部；

所述光栅由第三驱动马达驱动，所述狭缝由第四驱动马达驱动，所述光栅和所述狭缝相配合用以选择190nm～1100nm中任一波长范围的光。

8.根据权利要求7所述的附件，其特征在于，所述模拟日光部还包括第三透镜组，所述第三透镜组设置在所述狭缝的出射光路上，经所述第三透镜组聚焦准直后的出射光束射入所述光路选择部；

所述模拟日光光源为氙灯。

9.根据权利要求1所述的附件，其特征在于，所述光纤输出部包括衰减器、第五驱动马达和光纤；

所述光路选择部出射的光束先经过所述衰减器，再射入所述光纤；

所述衰减器由所述第五驱动马达驱动，以控制通过所述衰减器后的光强度占入射所述衰减器的光强度之百分比为0.01％～100％。

10.一种基于热电性能测试仪测试样品光致电性能变化方法，其特征在于，由权利要求1至9任一项所述附件与热电性能测试仪光路连接，所述附件中的光纤输出部出射的光线照射所述热电性能测试仪中的样品上的部分或全部区域，使用所述热电性能测试仪测试样品在温度20℃～300℃中的至少一段范围内变温情况下的光致电性能变化。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使用所述热电性能测试仪测试样品在温度20℃～200℃中的至少一段范围内变温情况下的光致电性能变化。

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