CN108267661B - 一种光电器件的光伏特性测量设备、测量方法及成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电器件的光伏特性测量设备、测量方法及成像系统；测量设备包括：光源组件、样本放置组件以及信号测量组件；样本放置组件用于导出电池样本的电压及电流信号，光源组件用于提供垂直照射电池样本表面的稳定平衡光及瞬时激发光，信号测量组件用于测量电池样本的电压及电流信号；测量方法包括：利用平衡光源提供指定的测试光强，测量对应的开路电压或短路电流；然后利用脉冲激光器提供扰动信号，并测量对应的电压衰减信号或电流衰减信号；成像系统包括：测量设备以及计算单元。本发明能够测量光电器件的微秒级界面动力学过程，确保光电流谱/光电压谱的测试在器件的同一工作状态下完成，并对光电器件的动力学参数进行二维成像。
Description
技术领域
本发明属于光电器件测试技术领域，更具体地，涉及一种光电器件的光伏特性测量设备、测量方法及成像系统。
背景技术
近年来，由于全球能源消耗量的不断上涨，光电器件的研究受到越来越多的人关注，其中钙钛矿太阳能电池以其低成本，高效率以及易于制备的特点被认为是具有极高的应用前景的太阳能电池。
尽管钙钛矿太阳能电池的效率已经达到了较高的水平，但对于钙钛矿太阳能电池的工作机理还存在很多争议，研究钙钛矿太阳能电池内部载流子的传输与复合过程已成为重要的研究方向之一，其中利用暂态光电压/光电流等光伏特性的测试可以直观地分析钙钛矿太阳能电池内部载流子的界面传输与复合特性，而这两个动力学过程对提高电池效率和理解钙钛矿太阳能电池的工作机理有着非常重要的意义。
通常载流子在电池内部界面的传输过程可以使用传输寿命τc来表征，τc表示载流子在电池界面上传输所需要的时间，τc越小，电池的界面传输性能越好。载流子在电池内部界面的复合过程可以使用复合寿命τe来表征，τe表示载流子在电池界面上复合所需要的时间，τe越大，电子复合越慢。此外，其他的一些相关参数比如扩散长度L，化学电容C，态密度DOS等，其中扩散长度L表示载流子在钙钛矿材料中的平均扩散距离，化学电容C表征电压变化时载流子数量的变化规律，态密度DOS表示电池能带结构与态密度之间的关系。
另外，由于钙钛矿电池并不是由一块单晶构成，其内部可能存在不均匀以及缺陷等情况，通过二维成像的方式，将所有位置的相关参数以图像的方式进行呈现，可以直观地描述电池内部可能存在的缺陷问题。
现有的用于测量光电器件的光伏特性的测试有调谐光电压/光电流谱测试和交流阻抗谱测试，这两者适用于亚毫秒级界面动力学过程的表征，无法适用于钙钛矿太阳能电池等第三代太阳能电池器件微秒级界面动力学过程的研究。不仅如此，现有的面向光电器件光伏特性的设备缺乏成像功能，无法表征顺应产业化趋势的大面积太阳能电池的内部缺陷及其性能均匀性。而从测试原理上说，目前国内外的暂态光电流/光电压衰减测试系统都是实验室自己搭建完成，都是采用光电流谱和光电压谱分别测量太阳能电池器件处于开路状态下的载流子复合寿命τ和短路状态下的载流子扩散系数D，然后通过公式L＝√(D*τ)计算载流子扩散长度L。显然，这种在同一个方程中，使用不同状态下获得的载流子有关参数来计算载流子扩散长度L的方法是不合理的。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种光电器件的光伏特性测量设备、测量方法及成像系统，其目的在于，测量光电器件的微秒级界面动力学过程，确保光电流谱/光电压谱的测试在器件的同一工作状态下完成，并对光电器件的电子/空穴传输寿命、复合寿命、扩散长度、电容、电荷量等动力学参数进行二维成像。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种光电器件的光伏特性测量设备，包括：光源组件、样本放置组件以及信号测量组件；样本放置组件用于放置电池样本并导出电池样本的电压及电流信号，光源组件用于提供垂直照射电池样本表面的稳定平衡光及瞬时的激发光，信号测量组件用于测量电池样本的电压及电流信号；
光源组件包括：平衡光源、脉冲激光器、转盘以及耦合单元；平衡光源用于提供稳定的平衡光，使电池样本工作在预定的激发状态；脉冲激光器用于提供瞬时的激发光，使得电池样本内部的载流子数量在短时间内迅速提高，从而形成电流和电压的扰动信号；转盘垂直于脉冲激光器的照射方向设置，且其上设置有小孔和扩束镜，用于调节激发光的光斑大小；耦合单元用于将平衡光和激发光耦合至一束平行光束中，并使得平行光束垂直照射于电池样本表面，进而使得电池样本产生相应的电压及电流信号；
样本放置组件包括：电池测试底座和三维平移台；电池测试底座固定于三维平移台上；电池测试底座内设置有接触探针及测试电路，用于固定电池样本并导出电压及电流信号；三维平移台用于带动电池样本移动，以实现对电池样本的二维多点测量；
信号测量组件包括：数字源表和高速数字示波器；数字源表与电池测试底座相连，以测量电池样本在稳态条件下的电压及电流信号，并在测量电压及电流衰减信号时施加对应的偏置电压或电流以过滤直流信号；高速数字示波器与电池测试底座相连，以测量电池样本对激发光的电压衰减信号及电流衰减信号；高速数字示波器还与脉冲激光器相连，以获取同步触发信号，从而控制信号采集过程。
进一步地，本发明所提供的光伏器件的光伏特性测量设备，具有两种测量模式：多光强测量模式和二维扫描模式；在多光强测量模式下，激发光经过转盘上的扩束镜得到二维扩大，最终形成的光斑覆盖整个电池样本表面；在二维扫描模式下，激发光经过转盘上的小孔的限制，形成的光斑只照亮电池样本表面的一点，并通过三维平移台移动电池样本实现二维多点测量。
进一步地，平衡光源为LED灯组，以实现平衡光源的快速开关，避免对测试过程产生干扰；优选地，LED灯组安装在凹球形表面上，以实现聚光效果。
进一步地，脉冲激光器照射到电池表面的辐照度低于平衡光源照射到电池表面辐照度的10％，以避免过强的激发光照对电池本身的工作状态产生影响。
按照本发明的第二方面，提供了一种基于本发明第一方面提供的光电器件的光伏特性测量设备的测试方法，包括如下步骤：
(1)检查设备各组件的工作状态并将工作参数设置为预设值，并设定测试光强为X0；
(2)移动标准电池，使得标准电池的表面与平行光束的焦点重合；开启平衡光源，关闭脉冲激光器；根据标准电池的电压与光强的对应关系得到与测试光强X0相对应的电压V0；调节平衡光源的光强，使得标准电池输出的电压为V0，从而完成光强标定，使得平衡光源的光强为测试光强X0；
(3)保持平衡光源不变，移动电池样本，使得电池样本表面与平行光束的焦点重合；设置电池样本为开路状态，并测量电池样本的开路电压Voc；
(4)开启脉冲激光器，并施加反向电压以过滤直流电压Voc，同时采集电压衰减信号，得到暂态光电压衰减曲线V(t)；
(5)保持平衡光源不变，关闭脉冲激光器；设置电池样本为短路状态，并测量电池样本的短路电流Isc；
(6)开启脉冲激光器，并施加反向电流以过滤直流电流Isc，以确保电池电流测试与电压测试处于同一工作状态下，同时采集电流衰减信号，得到暂态光电流衰减曲线I(t)；
(7)更改平衡光源的测试光强X0的取值，重复步骤(2)-(6)，以得到不同平衡光强下的暂态光电压曲线和暂态光电流曲线。
进一步地，本发明第二方面所提供的光电器件的光伏特性测量方法，还包括如下步骤：对暂态光电压衰减曲线V(t)进行双指数拟合，得到空穴复合寿命τn1、电子复合寿命τn2、空穴复合寿命在整个衰减过程中所占的比重A1，以及电子复合寿命在整个衰减过程中所占的比重A2；拟合公式为：
进一步地，本发明第二方面所提供的光电器件的光伏特性测量方法，还包括如下步骤：对暂态光电流衰减曲线I(t)进行双指数拟合，得到空穴传输寿命τtr1、电子传输寿命τtr2、空穴传输寿命在整个衰减过程中所占的比重A3以及电子传输寿命在整个衰减过程中所占的比重A4；拟合公式为：
按照本发明的第三方面，提供了一种包括本发明第一方面所提供的光电器件的光伏特性测量设备的成像系统，包括与平衡光源、脉冲激光器、数字源表以及高速数字示波器分别相连的计算单元；计算单元控制各组件的协调运作，并接收电池样本的开路电压Voc、短路电流Isc、电压衰减信号以及电流衰减信号，并根据接收到的信号计算包括空穴复合寿命τn1、电子复合寿命τn2、空穴传输寿命τtr1、电子传输寿命τtr2、空穴扩散长度L1、电子扩散长度L2以及化学电容C(Voc)在内的动力学参数；计算单元通过控制测量设备工作在多光强测量模式得到各动力学参数随开路电压的变化特性；计算单元通过控制测量设备工作在二维扫描模式对电池样本进行二维成像，得到各动力学参数在电池样本不同位置处的分布特性。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的光电器件的光伏特性测量设备，将脉冲激光器作为激发光源产生扰动信号，并通过高速数字示波器采集电压衰减信号及电流衰减信号，提高了时间精度，并可应用于多种光电器件的光伏特性测量；
(2)本发明所提供的光电器件的光伏特性测量设备，通过设置有小孔和扩束镜的转盘调节激发光的光斑大小，并结合三维平移台对电池样本的移动，能够实现两种测量模式：多光强测量模式和二维扫描模式；
(3)本发明所提供的光电器件的光伏特性的测量设备，在测量电压及电流衰减信号时通过数字源表施加对应的偏置电压或电流以过滤直流信号，能够保证光电流谱/光电压谱的测量在器件的同一工作状态下完成；
(4)本发明所提供的光电器件的光伏特性测量方法，通过对暂态光电压衰减曲线和暂态光电流衰减曲线进行双指数拟合，能够较为准确地得到电子复合寿命、空穴复合寿命、电子传输寿命和空穴传输寿命这些用于表征电池内部载流子复合和传输过程的重要参数；
(5)本发明所提供的光电器件的光伏特性成像系统，通过对电池进行二维成像，能够直观、清晰地描述电池整体的均匀性和缺陷态分布，对电池工作细节的进一步研究有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光电器件的光伏特性成像系统；
图2为数字源表、高速数字示波器分别与电池测试底座相连之后组成的测试电路示意图；
图3为不同平衡光照强度下的暂态光电压衰减曲线和暂态光电流衰减曲线；(a)为不同平衡光照强度下的暂态光电压衰减曲线；(b)为不同平衡光照强度下的暂态光电流衰减曲线；
图4为电池的载流子复合寿命和载流子传输寿命随开路电压的变化；(a)为载流子复合寿命随开路电压的变化；(b)为载流子传输寿命随开路电压的变化；
图5为电池电容和总电荷量随开路电压的变化；
图6为电池的电子扩散系数和空穴扩散系数随开路电压的变化；
图7为电池的电子扩散长度和空穴扩散长度随开路电压的变化；
图8为电池不同位置处电子复合寿命的二维成像；
图9为电池不同位置处电子传输寿命的二维成像；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为光源组件，2为样本放置组件，3为信号测量组件，4为计算单元，11为平衡光源，12为脉冲激光器，13为转盘，14为耦合单元，21为电池测试底座，22为三维平移台，31为数字源表，32为高速数字示波器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明所提供的光伏器件的光伏特性测量设备包括：光源组件1、样本放置组件2以及信号测量组件3；样本放置组件2用于放置电池样本并导出电池样本的电压及电流信号，光源组件1用于提供垂直照射电池样本表面的稳定平衡光及瞬时的激发光，信号测量组件3用于测量电池样本的电压及电流信号；
光源组件1包括：平衡光源11、脉冲激光器12、转盘13以及耦合单元14；平衡光源11用于提供稳定的平衡光，使电池样本工作在预定的激发状态；脉冲激光器12用于提供瞬时的激发光，使得电池样本内部的载流子数量在短时间内迅速提高，从而形成电流和电压的扰动信号；转盘垂13直于脉冲激光器12的照射方向设置，且其上设置有小孔和扩束镜，用于调节激发光的光斑大小；耦合单元14用于将平衡光和激发光耦合至一束平行光束中，并使得平行光束垂直照射于电池样本表面，进而使得电池样本产生相应的电压及电流信号；在本实施例中，平衡光源11为LED灯组，以实现平衡光源的快速开关，避免对测试过程产生干扰；并且，LED灯组安装在凹球形表面上，以实现聚光效果；脉冲激光器12照射到电池表面的辐照度低于平衡光源11照射到电池表面辐照度的10％，以避免过强的激发光照对电池本身的工作状态产生影响；
样本放置组件2包括：电池测试底座21和三维平移台22；电池测试底座21固定于三维平移台22上；电池测试底座21内设置有接触探针及测试电路，用于固定电池样本并导出电压及电流信号；三维平移台22用于带动电池样本移动，以实现对电池样本的二维多点测量；在本实施例中，三维平移台22的单脉冲移动距离小于10μm，以保证二维多点测量时，分辨率至少为100μm/点；
信号测量组件3包括：数字源表31和高速数字示波器32；数字源表31与电池测试底座21相连，以测量电池样本在稳态条件下的电压及电流信号，并在测量电压及电流衰减信号时施加对应的偏置电压或电流以过滤直流信号；高速数字示波器32与电池测试底座21相连，以测量电池样本对激发光的电压衰减信号及电流衰减信号；数字源表31、高速数字示波器32分别与电池测试底座21相连所组成的测试电路如图2所示；由于电池的暂态电压/电流衰减信号的寿命为百纳秒级到微秒级，因此脉冲激光器12的脉宽设定在20ns以下，且高速数字示波器32的采样速率设定为1ns/点，以保证测试精度；另外由于信号持续时间很短，高速数字示波器32还与脉冲激光器12相连，以获取同步触发信号，从而控制信号采集过程；
本发明所提供的光伏器件的光伏特性测量设备，具有两种测量模式：多光强测量模式和二维扫描模式；在多光强测量模式下，激发光经过转盘13上的扩束镜得到二维扩大，最终形成的光斑覆盖整个电池样本表面；在二维扫描模式下，激发光经过转盘13上的小孔的限制，形成的光斑只照亮电池样本表面的一点，并通过三维平移台22移动电池样本实现二维多点测量。
基于图1所示的光电器件的光伏特性测量设备，本发明提供的光电器件的光伏特性测量方法包括如下步骤：
(1)检查设备各组件的工作状态并将工作参数设置为预设值，并设定测试光强为X0；
(2)移动标准电池，使得标准电池的表面与平行光束的焦点重合；开启平衡光源，关闭脉冲激光器；根据标准电池的电压与光强的对应关系得到与测试光强X0相对应的电压V0；调节平衡光源的光强，使得标准电池输出的电压为V0，从而完成光强标定，使得平衡光源的光强为测试光强X0；
(3)保持平衡光源不变，移动电池样本，使得电池样本表面与平行光束的焦点重合；设置电池样本为开路状态，并测量电池样本的开路电压Voc；
(4)开启脉冲激光器，并施加反向电压以过滤直流电压Voc，同时采集电压衰减信号，得到暂态光电压衰减曲线V(t)；
(5)保持平衡光源不变，关闭脉冲激光器；设置电池样本为短路状态，并测量电池样本的短路电流Isc；
(6)开启脉冲激光器，并施加反向电流以过滤直流电流Isc，以确保电池电流测试与电压测试处于同一工作状态下，同时采集电流衰减信号，得到暂态光电流衰减曲线I(t)；
(7)更改平衡光源的测试光强X0的取值，重复步骤(2)-(6)，以得到不同平衡光强下的暂态光电压曲线和暂态光电流曲线；不同平衡光强下的暂态光电压衰减曲线如图3(a)所示；不同平衡光强下的暂态光电流衰减曲线如图3(b)所示。
本发明所提供的光电器件的光伏特性测量方法，还包括如下步骤：对暂态光电压衰减曲线V(t)进行双指数拟合，得到空穴复合寿命τn1、电子复合寿命τn2、空穴复合寿命在整个衰减过程中所占的比重A1，以及电子复合寿命在整个衰减过程中所占的比重A2；拟合公式为：
本发明所提供的光电器件的光伏特性测量方法，还包括如下步骤：对暂态光电流衰减曲线I(t)进行双指数拟合，得到空穴传输寿命τtr1、电子传输寿命τtr2、空穴传输寿命在整个衰减过程中所占的比重A3以及电子传输寿命在整个衰减过程中所占的比重A4；拟合公式为：
根据本发明所提供的光电器件的光伏特性测量方法，还可计算得到如下参数：
通过对电流衰减曲线I(t)进行积分，得到单次脉冲激发光所引起的电荷输出量的变化为：
根据同一光强下的开路电压和电荷输出量的变化，计算与开路电压相对应的电池电容为：C(Voc)＝ΔQ/ΔV(Voc)；其中，ΔV(Voc)为当时间t＝0时，激发光引起的开路电压变化量，其计算公式为：ΔV＝V(t)-Voc，t＝0；
利用电池电容C(Voc)对开路电压Voc进行积分，得到电池内电荷总量随开路电压的变化关系为：
根据双指数拟合得到的空穴传输寿命τtr1和电子传输寿命τtr2，计算空穴扩散系数为：Dn1＝d2/2.35τtr1；以及电子扩散系数为Dn2＝d2/2.35τtr2；其中，d为样品电池光阳极厚度；
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如图1所示，本发明提供的光电器件的光伏特性成像系统，包括光电器件的光伏特性测试设备，还包括与平衡光源11、脉冲激光器12、数字源表31以及高速数字示波器32分别相连的计算单元4；计算单元4控制各组件的协调运作，并接收电池样本的开路电压Voc、短路电流Isc、电压衰减信号以及电流衰减信号，并根据接收到的信号计算包括空穴复合寿命τn1、电子复合寿命τn2、空穴传输寿命τtr1、电子传输寿命τtr2、空穴扩散长度L1、电子扩散长度L2以及化学电容C(Voc)在内的动力学参数；计算单元4通过控制测量设备工作在多光强测量模式得到各动力学参数随开路电压的变化特性；计算单元4通过控制测量设备工作在二维扫描模式对电池样本进行二维成像，得到各动力学参数在电池样本不同位置处的分布特性。
通过图1所示的光电器件的光伏特性成像系统，得到电池载流子复合寿命和载流子传输寿命随开路电压的变化分别如图4(a)和图4(b)所示，电池电容和总电荷量随开路电压的变化如图5所示，电池的电子扩散系数和空穴扩散系数随开路电压的变化如图6所示，电池的电子扩散长度和空穴扩散长度随开路电压的变化如图7所示。
通过图1所示的光电器件的光伏特性成像系统，得到电池不同位置处电子复合寿命的二维成像如图8所示，电池不同位置处电子传输寿命的二维成像如图9所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种光电器件的光伏特性测量设备，其特征在于，包括：光源组件(1)、样本放置组件(2)以及信号测量组件(3)；样本放置组件(2)用于放置电池样本并导出电池样本的电压及电流信号，光源组件(1)用于提供垂直照射电池样本表面的稳定平衡光及瞬时激发光，信号测量组件(3)用于测量电池样本的电压及电流信号；
光源组件(1)包括：平衡光源(11)、脉冲激光器(12)、转盘(13)以及耦合单元(14)；平衡光源(11)用于提供稳定的平衡光，使电池样本工作在预定的激发状态；脉冲激光器(12)用于提供瞬时的激发光，使得电池样本内部的载流子数量在短时间内迅速提高，从而形成电流和电压的扰动信号；转盘(13)垂直于脉冲激光器(12)的照射方向设置，且其上设置有小孔和扩束镜，用于调节激发光的光斑大小；耦合单元(14)用于将平衡光和激发光耦合至一束平行光束中，并使得平行光束垂直照射于电池样本表面，进而使得电池样本产生相应的电压及电流信号；
样本放置组件(2)包括：电池测试底座(21)和三维平移台(22)；电池测试底座(21)固定于三维平移台上；电池测试底座(21)内设置有接触探针及测试电路，用于固定电池样本并导出电压及电流信号；三维平移台(22)用于带动电池样本移动，以实现对电池样本的二维多点测量；
信号测量组件(3)包括：数字源表(31)和高速数字示波器(32)；数字源表(31)与电池测试底座(21)相连，以测量电池样本在稳态条件下的电压及电流信号，并在测量电压及电流衰减信号时施加对应的偏置电压或电流以过滤直流信号；高速数字示波器(32)与电池测试底座(21)相连，以测量电池样本对激发光的电压衰减信号及电流衰减信号；高速数字示波器(32)还与脉冲激光器相连，以获取同步触发信号，从而控制信号采集过程；
所述光电器件的光伏特性测量设备具有两种测量模式：多光强测量模式和二维扫描模式；在多光强测量模式下，激发光经过所述转盘(13)上的扩束镜得到二维扩大，最终形成的光斑覆盖整个电池样本表面；在二维扫描模式下，激发光经过所述转盘(13)上的小孔的限制，形成的光斑只照亮电池样本表面的一点，并通过所述三维平移台(22)移动电池样本实现二维多点测量。
2.如权利要求1所述的光电器件的光伏特性测量设备，其特征在于，所述平衡光源(11)为LED灯组。
3.如权利要求1所述的光电器件的光伏特性测量设备，其特征在于，所述脉冲激光器(12)照射到电池表面的辐照度低于所述平衡光源(11)照射到电池表面辐照度的10％。
4.一种基于权利要求1所述的光电器件的光伏特性测量设备的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)检查设备各组件的工作状态并将工作参数设置为预设值，并设定测试光强为X0；
(2)移动标准电池，使得标准电池的表面与平行光束的焦点重合；开启平衡光源，关闭脉冲激光器；根据标准电池的电压与光强的对应关系得到与测试光强X0相对应的电压V0；调节平衡光源的光强，使得标准电池输出的电压为V0，从而完成光强标定，使得平衡光源的光强为测试光强X0；
(3)保持平衡光源不变，移动电池样本，使得电池样本表面与平行光束的焦点重合；设置电池样本为开路状态，并测量电池样本的开路电压Voc；
(4)开启脉冲激光器，并施加反向电压以过滤直流电压Voc，同时采集电压衰减信号，得到暂态光电压衰减曲线V(t)；
(5)保持平衡光源不变，关闭脉冲激光器；设置电池样本为短路状态，并测量电池样本的短路电流Isc；
(6)开启脉冲激光器，并施加反向电流以过滤直流电流Isc，以确保电池电流测试与电压测试处于同一工作状态下，同时采集电流衰减信号，得到暂态光电流衰减曲线I(t)；
(7)更改平衡光源的测试光强X0的取值，重复步骤(2)-(6)，以得到不同平衡光强下的暂态光电压曲线和暂态光电流曲线。
5.如权利要求4所述的光电器件的光伏特性测量设备的测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：
对暂态光电压衰减曲线V(t)进行双指数拟合，得到空穴复合寿命τn1、电子复合寿命τn2、空穴复合寿命在整个衰减过程中所占的比重A1，以及电子复合寿命在整个衰减过程中所占的比重A2；拟合公式为：
6.如权利要求4所述的光电器件的光伏特性测量设备的测量方法，其特征在于，还包括如下步骤：
对暂态光电流衰减曲线I(t)进行双指数拟合，得到空穴传输寿命τtr1、电子传输寿命τtr2、空穴传输寿命在整个衰减过程中所占的比重A3以及电子传输寿命在整个衰减过程中所占的比重A4；拟合公式为：
7.一种包括如权利要求1所述的光电器件的光伏特性测量设备的成像系统，其特征在于，包括与所述平衡光源(11)、所述脉冲激光器(12)、所述数字源表(31)以及所述高速数字示波器(32)分别相连的计算单元(4)；所述计算单元(4)控制各组件的协调运作，并接收电池样本的开路电压Voc、短路电流Isc、电压衰减信号以及电流衰减信号，并根据接收到的信号计算包括空穴复合寿命τn1、电子复合寿命τn2、空穴传输寿命τtr1、电子传输寿命τtr2、空穴扩散长度L1、电子扩散长度L2以及化学电容C(Voc)在内的动力学参数；
所述计算单元(4)通过控制所述测量设备工作在多光强测量模式得到各动力学参数随开路电压的变化特性；所述计算单元(4)通过控制所述测量设备工作在二维扫描模式对电池样本进行二维成像，得到各动力学参数在电池样本不同位置处的分布特性。
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|---|---|---|---|---|
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| CN113686783A (zh) * | 2021-08-13 | 2021-11-23 | 华东师范大学 | 一种基于傅里叶红外光谱仪的光电流谱自动测试系统 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101782517A (zh) * | 2010-02-10 | 2010-07-21 | 华中科技大学 | 一种基于双激光光源的激光探针微区成分分析仪 |
| CN102252828A (zh) * | 2011-04-19 | 2011-11-23 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法 |
| CN102520330A (zh) * | 2011-12-01 | 2012-06-27 | 华中科技大学 | 太阳能电池光伏器件伏安特性测试系统 |
| CN102778643A (zh) * | 2012-07-12 | 2012-11-14 | 华中科技大学 | 用于测量光伏太阳能电池光电转换特性参数的设备及方法 |
| CN102818631A (zh) * | 2012-07-30 | 2012-12-12 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统 |
| CN102980600A (zh) * | 2012-12-03 | 2013-03-20 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 基于双脉冲数字散斑瞬态测量光学系统 |
| CN103728354A (zh) * | 2013-12-23 | 2014-04-16 | 华中科技大学 | 基于光调控的光催化光电化学综合测试系统及方法 |
| CN203800887U (zh) * | 2013-11-28 | 2014-08-27 | 华中科技大学 | 光伏器件多光强伏安特性测试系统 |
| CN104502388A (zh) * | 2014-11-19 | 2015-04-08 | 华中科技大学 | 基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法 |
| CN208156093U (zh) * | 2018-03-30 | 2018-11-27 | 华中科技大学 | 一种光电器件的光伏特性测量设备 |
| CN112909715A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-06-04 | 华中科技大学 | 一种全保偏光纤超短脉冲激光器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8912799B2 (en) * | 2011-11-10 | 2014-12-16 | Semiconductor Physics Laboratory Co., Ltd. | Accurate measurement of excess carrier lifetime using carrier decay method |
-
2018
- 2018-03-30 CN CN201810296308.3A patent/CN108267661B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101782517A (zh) * | 2010-02-10 | 2010-07-21 | 华中科技大学 | 一种基于双激光光源的激光探针微区成分分析仪 |
| CN102252828A (zh) * | 2011-04-19 | 2011-11-23 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种监测高反射光学元件在激光辐照下反射率实时变化的方法 |
| CN102520330A (zh) * | 2011-12-01 | 2012-06-27 | 华中科技大学 | 太阳能电池光伏器件伏安特性测试系统 |
| CN102778643A (zh) * | 2012-07-12 | 2012-11-14 | 华中科技大学 | 用于测量光伏太阳能电池光电转换特性参数的设备及方法 |
| CN102818631A (zh) * | 2012-07-30 | 2012-12-12 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统 |
| CN102980600A (zh) * | 2012-12-03 | 2013-03-20 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 基于双脉冲数字散斑瞬态测量光学系统 |
| CN203800887U (zh) * | 2013-11-28 | 2014-08-27 | 华中科技大学 | 光伏器件多光强伏安特性测试系统 |
| CN103728354A (zh) * | 2013-12-23 | 2014-04-16 | 华中科技大学 | 基于光调控的光催化光电化学综合测试系统及方法 |
| CN104502388A (zh) * | 2014-11-19 | 2015-04-08 | 华中科技大学 | 基于扫描电化学显微镜的光电化学动力学测试系统及方法 |
| CN208156093U (zh) * | 2018-03-30 | 2018-11-27 | 华中科技大学 | 一种光电器件的光伏特性测量设备 |
| CN112909715A (zh) * | 2021-01-20 | 2021-06-04 | 华中科技大学 | 一种全保偏光纤超短脉冲激光器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 黄飞洪，等.钙钛矿太阳能电池的稳定性.《科学通报》.2017,第62卷(第36期),4256-4269. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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