CN109459418A - 一种使用变温光致发光谱测试分析太阳电池辐射效应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用变温光致发光谱测试分析太阳电池辐射效应的方法，该方法涉及的装置是由激光器、斩波器、凸透镜、低温样品室、载物铜片、待测电池、滤光片、光栅光谱仪、探测器、锁相放大器和记录仪组成，该方法对辐照前、辐照后和辐照退火后的电池分别进行了变温光致发光谱测试，将三次测试结果数据进行处理，直接得到太阳电池受辐照后光致发光的辐照损伤情况以及退火后太阳电池的性能恢复情况，并结合阿伦尼乌斯公式拟合，判断辐照在太阳电池中引入的缺陷类型以及在退火后缺陷类型的变化情况。该方法能够比较全面深入的分析太阳电池的辐射效应。且具有操作简单、测试精度高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件可靠性技术领域，特别是涉及使用变温光致发光谱测试分析太阳电池辐射效应的方法
背景技术
空间环境中丰富的太阳能资源是各类空间飞行器的主要能量来源。但是空间环境复杂恶劣，尤其是存在于空间辐射环境中的电子、质子等各种射线粒子，会严重影响空间飞行器设备的正常运行，甚至会导致航天器系统发生故障以至进一步造成功能失效。太阳电池阵列作为人造卫星等空间飞行器的主要能源系统，在面对恶劣的空间辐射环境，为了保证空间飞行器在执行任务时能够稳定、长寿命的工作，空间太阳电池抗辐射性能的优劣相当重要。当前太阳电池主要辐射防护方法是在空间电池表面增加防护盖片，但是这种方法只能屏蔽低能量的粒子，对高能量粒子屏蔽效果比较差。目前，经过大量研究表明：对于应用在空间中的太阳电池而言，影响太阳电池在轨性能退化的主要粒子是电子和质子，电池性能退化的原因主要是粒子辐射在太阳电池材料中引入了晶格缺陷，这些缺陷充当复合中心的作用，使得少数载流子扩散长度变短，导致太阳电池性能退化。目前用于太阳电池辐射缺陷分析的方法主要有I-V、暗I-V、EQE(量子效率)、EL(电致发光)、PL(光致发光)、DLTS(深能级瞬态谱)、EBIC(电子束感生电流)。PL测试具有非破坏性、灵敏度高、样品尺寸和形状没有特殊要求等优点，因此使用变温PL测试可方便的分析太阳电池的辐射效应。空间太阳电池的性能退化由辐射引入的缺陷所致，光致发光谱测量能够直接反映辐射引入非辐射复合缺陷的情况。因此研究使用光致发光谱(PL)测试分析太阳电池辐射损伤的方法，能够为空间太阳电池受辐照后性能退化的机理研究提供分析手段，具有重要意义。
与本发明最为接近的已有文献是北京师范大学王荣等人2015年发表的的1MeV电子辐照GaAs/Ge太阳电池变温光致发光研究，该研究中对1MeV电子辐照的GaAs/Ge太阳电池进行了温度范围为30K—290K的变温光致发光光谱测试，结合Arrhenius方程对太阳电池的辐射损伤进行了分析，得出了辐照太阳电池的非辐射复合中心。
由于上述方法主要是对辐照过后的电池样品进行了变温光致发光测试，并没有对辐照前的样品进行变温测试，缺乏对比性，同时辐照实验注量点单一，并不能反应出辐照缺陷随注量增加的变化情况，此外电池退火实验并未涉及，缺乏对退火后缺陷类型的变化情况分析。总体而言该实验方法在研究太阳电池辐射效应方面不够完善。
发明内容
本发明的目的在于，提供具有操作简单、准确性高等特点的一种使用变温光致发光谱测试分析太阳电池辐射效应的方法，该方法涉及的装置是由激光器、斩波器、凸透镜、低温样品室、载物铜片、待测电池、滤光片、光栅光谱仪、探测器、锁相放大器和记录仪组成，在该方法中对辐照前、辐照后和辐照退火候的电池分别进行了变温光致发光谱测试，将三次测试结果数据进行处理，直接得到太阳电池受辐照后光致发光的辐照损伤情况以及退火后太阳电池的性能恢复情况，并结合阿伦尼乌斯公式拟合，判断辐照在太阳电池中引入的缺陷类型以及在退火后缺陷类型的变化情况。该方法能够比较全面深入的分析太阳电池的辐射效应。且具有操作简单、测试精度高等特点。
本发明所述的一种使用变温光致发光谱测试分析太阳电池辐射效应的方法，该方法涉及的装置是由激光器、斩波器、凸透镜、低温样品室、载物铜片、待测太阳电池、光栅光谱仪、探测器、锁相放大器和记录仪组成，激光器(1)发出的激光束的中心高度和第一凸透镜(3)中心高度以及载物铜片(5)的中心点高度一致；第一凸透镜(3)垂直固定位置与载物铜片(5)的垂直位置之间距离为第一凸透镜焦距；第一凸透镜(3)中心法线与载物铜片(5)表面的法线呈45度角；载物铜片(5)垂直固定在低温样品室(4)中；将待测太阳电池(6)固定于载物铜片(5)中心处；第二凸透镜(7)的垂直固定位置与光栅光谱仪(9)入口狭缝之间的距离为350mm；第二凸透镜(7)和第三凸透镜(8)保持平行，第二凸透镜(7)和第三凸透镜(8)中心高度均与光栅光谱仪(10)狭缝入口中心点高度一致；第三凸透镜(8)中心法线与载物铜片(5)表面的中心法线呈45度角，第三凸透镜(8)固定位置与光栅光谱仪(9)狭缝入口之间距离为第三凸透镜(8)的焦距；滤光片(9)的中心高度与光栅光谱仪(10)狭缝入口中心点高度一致；锁相放大器(12)分别和斩波器(2)、探测器(11)和记录仪(13)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、对连接好的测试系统进行初始化，将未受高能粒子辐照的待测太阳电池(6)贴于载物铜片(5)中心位置处，并放置于低温样品室(4)中，样品室初始温度设置为300K；
b、激光器(1)发出激光经斩波器(2)斩波后，进入第一凸透镜(3)聚焦形成特定频率的非连续激光，并投射到低温样品室(4)中贴于载物铜片(5)上的待测太阳电池(6)表面，待测太阳电池(6)表面受激发后将产生具有光谱范围的非连续光信号，其中第一凸透镜(3)的焦距175mm，直径76.2mm；
c、将步骤b得到的非连续光信号经过第二凸透镜(7)转换成一束平行光，并通过第三凸透镜(8)和滤光片(9)聚焦在光栅光谱仪(10)入口处的焦平面上，其中第二凸透镜(7)和第三凸透镜(8)的焦距175mm，直径76.2mm；
d、将步骤c得到的聚焦光致发光信号经光栅光谱仪(10)分光后送至探测器(11)被收集，再将收集的光信号传送到锁相放大器(12)，锁相放大器(12)参考斩波器(2)中的参考信号，将信号进行降噪并放大，然后传送至记录仪(13)得到待测太阳电池(6)受激发后发出的光致发光谱；
e、经过d步骤后，第一个温度点测试完毕，之后调整样品室温度设置为270K，再按步骤a-步骤d重复进行第二个温度点测试，得到第二个温度点的光致发光谱；
f、经过e步骤后，第二个温度点测试完毕，之后调整样品室温度设置为240K，再按步骤a-步骤d重复进行第三个温度点测试，以此类推，每隔30K取一个点，直到最后一个温度点30K测试完毕，得到待测太阳电池(6)温度从300K到30K的变温光致发光谱；
g、将待测太阳电池(6)进行高能粒子辐照后，再按步骤a-步骤f重复进行一次变温光致发光谱测试，得到辐照后的光致发光谱信号；
h、将经过步骤g的样品进行热退火或载流子注入退火后，再按步骤a-步骤f重复进行一次变温光致发光谱测试，再将三次测试结果数据进行处理，直接得到太阳电池受辐照后光致发光谱的辐照损伤以及退火后太阳电池的性能恢复情况，并结合阿伦尼乌斯公式拟合，判断辐照在太阳电池中引入的缺陷类型以及在退火后缺陷类型的变化情况。
步骤c中所述的第二凸透镜(7)和第三凸透镜(8)都能在水平面内沿光轴方向、水平面内垂直光轴方向、沿光轴转动方向进行三个维度的调整。
步骤c中所述的滤光片(9)为长通滤光片，其滤光波长必须大于入射激光波长，探测器工作波长范围由光致发光波长决定。
在使用该方法时，激发光的能量要大于电池材料的禁带宽度能量。
本发明所述的一种使用变温光致发光谱测试分析太阳电池辐射损伤的方法，该方法使用一定频率的非连续激光对太阳电池辐照前后以及辐照退火后的光致发光谱进行测试，能够对太阳电池的辐射损伤进行深入分析评估；利用铜片固定的方式保证辐照前后太阳电池的受激发位置不变，使每次测试更准确。
附图说明
图1为本发明变温光致发光谱测试系统光路走向示意图；
图2为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例
本发明所述的一种使用变温光致发光谱测试分析太阳电池辐射损伤的方法，该方法中涉及的装置是由激光器、斩波器、凸透镜、低温样品室、载物铜片、待测太阳电池、光栅光谱仪、探测器、锁相放大器和记录仪组成，如图1、图2所示，具体操作按以下步骤进行：
a、对连接好的测试系统进行初始化，将未受高能粒子(电子、质子、中子)辐照的待测太阳电池6贴于载物铜片5中心位置处，并放置于低温样品室4中，样品室初始温度设置为300K；
b、激光器1发出激光经斩波器2斩波后，进入第一凸透镜3聚焦形成特定频率为f的非连续激光，并投射到低温样品室4中贴于载物铜片5上的待测太阳电池6表面，待测太阳电池6表面受激发后将产生具有光谱范围的非连续光信号，其中第一凸透镜3的焦距175mm，直径76.2mm；
c、将步骤b得到的非连续光信号经过第二凸透镜7转换成一束平行光，并通过第三凸透镜8和滤光片9聚焦在光栅光谱仪10入口处的焦平面上，其中第二凸透镜7和第三凸透镜8的焦距175mm，直径76.2mm，第二凸透镜7和第三凸透镜8都在水平面内沿光轴方向、水平面内垂直光轴方向、沿光轴转动方向进行三个维度的调整，所述的滤光片9为长通滤光片，其滤光波长必须大于入射激光波长，探测器工作波长范围由光致发光波长决定；
d、将步骤c得到的聚焦光致发光信号经光栅光谱仪10分光后送至探测器11被收集，再将收集的光信号传送到锁相放大器12，锁相放大器12参考斩波器2中的参考信号，将信号进行降噪并放大，然后传送至记录仪13得到待测太阳电池6受激发后发出的光致发光谱；
e、经过d步骤后，第一个温度点测试完毕，之后调整样品室温度设置为270K，再按步骤a-步骤d重复进行第二个温度点测试，得到第二个温度点的光致发光谱；
f、经过e步骤后，第二个温度点测试完毕，之后调整样品室温度设置为240K，再按步骤a-步骤d重复进行第三个温度点测试，以此类推，每隔30K取一个点，直到最后一个温度点30K测试完毕，得到待测太阳电池6温度从300K到30K的变温光致发光谱；
g、将待测太阳电池6进行不同能量不同注量的电子、质子、中子的高能粒子辐照后，再按步骤a-步骤f重复进行一次变温光致发光谱测试，得到辐照后的光致发光谱信号；
h、将经过步骤g的样品进行热退火或载流子注入退火后，再按步骤a-步骤f重复进行一次变温光致发光谱测试，再将三次测试结果数据进行处理，直接得到太阳电池受辐照后光致发光的辐照损伤以及退火后太阳电池的性能恢复情况，并结合阿伦尼乌斯公式拟合，判断辐照在太阳电池中引入的缺陷类型以及在退火后缺陷类型的变化情况。
在使用该方法时，激发光的能量要大于电池材料的禁带宽度能量。
Claims (3)
1.一种使用变温光致发光谱测试分析太阳电池辐射效应的方法，其特征在于：该方法涉及的装置是由激光器、斩波器、凸透镜、低温样品室、载物铜片、待测太阳电池、光栅光谱仪、探测器、锁相放大器和记录仪组成，激光器（1）发出的激光束的中心高度和第一凸透镜（3）中心高度以及载物铜片（5）的中心点高度一致；第一凸透镜（3）垂直固定位置与载物铜片（5）的垂直位置之间距离为第一凸透镜焦距；第一凸透镜（3）中心法线与载物铜片（5）表面的法线呈45度角；载物铜片（5）垂直固定在低温样品室（4）中；将待测太阳电池（6）固定于载物铜片（5）中心处；第二凸透镜（7）的垂直固定位置与光栅光谱仪（9）入口狭缝之间的距离为350mm；第二凸透镜（7）和第三凸透镜（8）保持平行，第二凸透镜（7）和第三凸透镜（8）中心高度均与光栅光谱仪（10）狭缝入口中心点高度一致；第三凸透镜（8）中心法线与载物铜片（5）表面的中心法线呈45度角，第三凸透镜（8）固定位置与光栅光谱仪（9）狭缝入口之间距离为第三凸透镜（8）的焦距；滤光片（9）的中心高度与光栅光谱仪（10）狭缝入口中心点高度一致；锁相放大器（12）分别和斩波器（2）、探测器（11）和记录仪（13）连接，具体操作按下列步骤进行：
a、对连接好的测试系统进行初始化，将未受高能粒子辐照的待测太阳电池（6）贴于载物铜片（5）中心位置处，并放置于低温样品室（4）中，样品室初始温度设置为300 K；
b、激光器（1）发出激光经斩波器（2）斩波后，进入第一凸透镜（3）聚焦形成特定频率的非连续激光，并投射到低温样品室（4）中贴于载物铜片（5）上的待测太阳电池（6）表面，待测太阳电池（6）表面受激发后将产生具有光谱范围的非连续光信号，其中第一凸透镜（3）的焦距175mm，直径76.2mm；
c、将步骤b得到的非连续光信号经过第二凸透镜（7）转换成一束平行光，并通过第三凸透镜（8）和滤光片（9）聚焦在光栅光谱仪（10）入口处的焦平面上，其中第二凸透镜（7）和第三凸透镜（8）的焦距175mm，直径76.2mm；
d、将步骤c得到的聚焦光致发光信号经光栅光谱仪（10）分光后送至探测器（11）被收集，再将收集的光信号传送到锁相放大器（12），锁相放大器（12）参考斩波器（2）中的参考信号，将信号进行降噪并放大，然后传送至记录仪（13）得到待测太阳电池（6）受激发后发出的光致发光谱；
e、经过d步骤后，第一个温度点测试完毕，之后调整样品室温度设置为270K，再按步骤a-步骤d重复进行第二个温度点测试，得到第二个温度点的光致发光谱；
f、经过e步骤后，第二个温度点测试完毕，之后调整样品室温度设置为240K，再按步骤a-步骤d重复进行第三个温度点测试，以此类推，每隔30K取一个点，直到最后一个温度点30K测试完毕，得到待测太阳电池（6）温度从300K到30K的变温光致发光谱；
g、将待测太阳电池6进行高能粒子辐照后，再按步骤a-步骤f重复进行一次变温光致发光谱测试，得到辐照后的光致发光谱信号；
h、将经过步骤g的样品进行热退火或载流子注入退火后，再按步骤a-步骤f重复进行一次变温光致发光谱测试，再将三次测试结果数据进行处理，直接得到太阳电池受辐照后光致发光的辐照损伤以及退火后太阳电池的性能恢复情况，并结合阿伦尼乌斯公式拟合，判断辐照在太阳电池中引入的缺陷类型以及在退火后缺陷类型的变化情况。
2.根据权利要求1所述的使用变温光致发光谱测试分析太阳电池辐射损伤的方法，其特征在于步骤c中所述的第二凸透镜（7）和第三凸透镜（8）都能在水平面内沿光轴方向、水平面内垂直光轴方向、沿光轴转动方向进行三个维度的调整。
3.根据权利要求1所述的使用变温光致发光谱测试分析太阳电池辐射损伤的方法，其特征在于步骤c中所述的滤光片（9）为长通滤光片，其滤光波长必须大于入射激光波长，探测器工作波长范围由光致发光波长决定。
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