CN109525196B - 太阳能电池宽光谱响应测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能电池光谱响应测试系统，包括：单色光源，能够实现200‑2000nm连续可调单色光输出；分光系统，用于将所述单色光源的输出光按比例分成第一光束和第二光束；光谱探测系统，其包括至少两个光电探测器，所述至少两个光电探测器的光谱响应范围的和至少覆盖300‑1700nm，所述光谱探测系统用于探测所述第一光束；待测太阳能电池，所述第二光束照射所述待测太阳能电池并产生待测短路电流；信号放大与数据采集模块，用于采集所述光谱探测系统的至少两个光电探测器输出的光电探测电流和所述待测太阳能电池输出的待测短路电流；以及计算机控制系统，其计算不同输出波长对应的IPCE参数并绘制光谱响应曲线。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池测试技术，具体涉及一种太阳能电池宽光谱响应测试系统及方法。
背景技术
太阳能电池中入射光子-电子转换效率IPCE(incident photon-electronconversion efficiency)，也称为量子效率，是表征太阳能电池性能的重要参数。每个波长都有相对应的量子效率值。光谱响应测试是研究太阳能电池的量子效率随波长的变化情况，其不仅是研究太阳能电池性能的重要手段，对于提高太阳能电池的光电转换效率以及研究太阳能电池的内部工作机理也具有重要的指导意义。
目前，随着一大批新型太阳能电池材料研究的深入，对光谱响应测试设备的功能提出更高的要求，比如铜锌锡硫(CZTS)太阳能电池吸收谱带较宽，光谱响应范围超过1200nm。而大多数现有的太阳能电池光谱响应测试设备的光谱范围较窄，一般为300-1100nm(使用Si光电探测器)，这很难满足具有宽光谱吸收的太阳能电池的光谱响应测试。
由于用于标准光强测定的探测器的光谱响应范围窄，无法找到一种单一的光电探测器来覆盖紫外到红外宽光谱范围，为了实现待测电池宽光谱响应测量，就必须两种探测器接替使用，分段测试，300nm-1000nm用硅探测器，超过1000nm使用锗或铟镓砷探测器。在光路中更换不同种类的探测器，操作繁琐，测试时间长，并且更换前后光斑在探测器上位置会有一定的变化，导致较大的测量误差。
发明内容
基于上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种太阳能电池光谱响应测试系统，包括：
单色光源，能够实现200-2000nm连续可调单色光输出；
分光系统，用于将所述单色光源的输出光按比例分成第一光束和第二光束；
光谱探测系统，其包括至少两个光电探测器，所述至少两个光电探测器的光谱响应范围的和至少覆盖300-1700nm，所述光谱探测系统用于探测所述第一光束；
待测太阳能电池，所述第二光束照射所述待测太阳能电池并产生待测短路电流；
信号放大与数据采集模块，用于采集所述光谱探测系统的至少两个光电探测器输出的光电探测电流和所述待测太阳能电池输出的待测短路电流；以及
计算机控制系统，其调节所述单色光源的输出波长，基于所述信号放大与数据采集模块输出的不同输出波长的光的光电探测电流和待测短路电流，计算不同输出波长对应的IPCE参数并绘制光谱响应曲线。
根据本发明的太阳能电池光谱响应测试系统，优选地，所述第一光束和所述第二光束的光强比为1：1。
根据本发明的太阳能电池光谱响应测试系统，优选地，所述至少两个光电探测器为硅探测器和锗或铟镓砷探测器。
根据本发明的太阳能电池光谱响应测试系统，优选地，所述硅探测器和所述锗或铟镓砷探测器同轴层叠设置，沿着光的传播方向，所述硅探测器设置在所述锗或铟镓砷探测器之前。
根据本发明的太阳能电池光谱响应测试系统，优选地，所述光电探测电流对应的光强即为所述第二光束的光强。
根据本发明的太阳能电池光谱响应测试系统，优选地，所述光谱探测系统还包括分光器，用于将所述第一光束按比例分成第一子光束和第二子光束，所述第一子光束传输至所述硅探测器，所述第二子光束传输至所述锗或铟镓砷探测器。
根据本发明的太阳能电池光谱响应测试系统，优选地，所述计算机控制系统还包括校正模块，其中存储有校正系数，用于校正所述光电探测电流所对应的光强与所述第二光束的光强之间的关系。
根据本发明的太阳能电池光谱响应测试系统，优选地，所述校正系数通过对产生所述光电探测电流的光束和所述第二光束进行光强测量获得,特别是获得二者的光强比。具体通过在两光束上放置相同光电探测器，测量两个光电探测器的电流信号获得。
另一方面，本发明还提供了一种太阳能电池光谱响应测试方法，包括如下步骤：
步骤一：选择输出单色光，所述单色光的波长在实现200-2000nm的范围内；
步骤二：将所述单色光分成第一光束和第二光束；
步骤三：采用光谱探测系统对所述第一光束进行探测获得光电探测电流，所述光谱探测系统包括至少两个光电探测器，所述至少两个光电探测器的光谱响应范围的和至少覆盖300-1700nm，根据所述单色光的波长启用所述至少两个光电探测器中的一个；
步骤四：探测所述第二光束照射到待测太阳能电池产生的短路电流；
步骤五：基于所述光电探测电流和所述短路电流计算相应的IPCE参数；以及
步骤六：调节步骤一中的单色光的输出波长并重复二至步骤五。
根据本发明的太阳能电池光谱响应测试方法，优选地，还包括校正所述光电探测电流对应的光强与所述第二光束的光强之间的关系的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用多个不同波段探测器共同探测，实现太阳能电池的宽光谱响应测量。光路调整完成、设备安装固定后，探测器的位置是一直保持不动的，保证了测试过程中光强测试的准确性。另外，本发明的校正步骤进一步提高了测量精度。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明第一实施例的太阳能电池光谱测试系统的结构示意图；
图2为图1中的宽光谱分光系统的结构示意图；
图3示出现有技术的太阳能电池的宽光谱响应曲线和根据本发明的第一实施例绘制的太阳能电池的宽光谱响应曲线；
图4为根据本发明第二实施例的太阳能电池光谱测试系统的结构示意图；
图5为图4中的宽光谱分光系统的结构示意图；以及
图6为根据本发明的第二实施例绘制的经过修正和未经修正的太阳能电池宽光谱响应曲线。
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。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。
第一实施例
该实施例提供一种太阳能电池光谱响应测试系统，参见图1所示的太阳能电池光谱测试系统的结构示意图，其包括：
单色光源1，用于提供200-2000nm连续可调的单色光输出，采用双光栅光谱仪实现，并在1000nm波长处切换光栅；
宽光谱分光系统2，用于将单色光源1输出的光按比例分成两路光，一路为参考光，另一路为待测光，在该实施例中，宽光谱分光系统2的结构示意图如图2所示，入射光优选地经过石英透镜21会聚在波尔卡圆点式分光器20上按1:1分成两束光。根据本发明的一个实施例，如果入射光斑面积小于分光器的面积，就不需要石英透镜21。圆点式分光器20为沉积微型阵列斑点反射膜的石英片，入射光的一部分被镀有斑点的区域反射，另一部分从未镀膜的区域透射，适应光谱范围为200-2000nm。利用石英透镜22和23分别将两束光调制汇聚成均匀的待测光和参考光输出，并保证光斑面积小于待测电池或探测器的有效面积，石英透镜的透光范围为200-2000nm，保证输出较宽的光谱范围。
待测电池3，待测光入射到待测电池3的表面，获得短路电流，短路电流信号输送至信号放大与数据采集模块5，信号放大与数据采集模块5中包括信号放大子模块和多功能数据采集卡(图中未示出)；
硅探测器41，光谱响应范围为200-1100nm，并且允许其吸收后剩下的光，特别是波长大于1000nm的光透过，该硅探测器41用于探测参考光中200-1100nm的部分并将探测的短路电流信号输送至信号放大与数据采集模块5；
锗或铟镓砷探测器42，与硅探测器41同光轴设置，光谱响应范围为900-1800nm，参考光被硅探测器41吸收后，剩下的特别是波长大于1000nm的光从硅探测器41透射并被锗或铟镓砷探测器42探测，探测的短路电流信号输送至信号放大与数据采集模块5；
同光轴设置的上层硅探测器41和下层锗或铟镓砷探测器42构成宽光谱探测系统4，光谱探测范围为200-1800nm；
信号放大与数据采集模块5，用于将采集宽光谱探测系统4和待测电池3输出的短路电流并将其放大；以及
计算机控制系统6，从信号放大与数据采集模块5获取参考光的光电探测电流信号和待测电池3的短路电流信号，计算参考光的实时光强P参，并进一步计算太阳能电池光电响应性能参数，另外，计算机控制系统6还控制调节单色光源1的输出波长。
在太阳能电池领域，表征电池光电响应性能参数的是IPCE，IPCE定义为电池在某一单色光照射下输出到外电路的电子数与总入射的光子数之比，其数学表达式如下：
其中Jsc是单色光照射下电池两极产生的短路光电流密度；λ是照射电池的单色光的波长；P是照射电池的单色光的光强。
在该实施例中，待测电池3为铜锌锡硫太阳能电池，光斑全部照射到电池表面，输出的短路电流I待即为Jsc，由于宽光谱分光系统2的分束比为1：1，所以待测光与参考光的光强相等的，即P待＝P参。
计算机控制系统6控制单色光源1运行到某一波长λ，信号放大与数据采集模块5采集该波长λ对应的待测光的短路电流I待和参考光的光电探测电流I探并输送给计算机控制系统6，计算机控制系统6基于光电探测器的固有光电响应参数，计算得到参考光的实时光强P参，即为待测光的实时光强P待，代入如下公式就能够进一步计算得到该波长λ下IPCE值：
计算机控制系统6控制单色光源1以5nm或者10nm的间隔运行在不同波长λi(200nm<＝λi<＝1800nm)下，获得对应的IPCEi值，并绘制出该铜锌锡硫太阳能电池的宽光谱响应曲线，如图3的下图所示，相比图3的上图所示的现有技术的宽光谱响应曲线，本发明实施例所采集的宽光谱响应曲线更加平滑，测试更加准确，特别是长波长和短波长切换位置。
在该实施例中，当λi<1100nm时，从上层的硅探测器41获取光电探测电流，当λi>＝1100nm时，光透光硅探测器41被下层的锗或铟镓砷探测器42进行探测，从锗或铟镓砷探测器42获取光电探测电流。光电探测电流I探与相应的光电响应参数E的比值就为对应的光强信号P参。
表1示出经计量院校准得到硅探测器和锗探测器不同波长下的绝对光电响应E硅(A/W)和E锗(A/W)数据，将这些数据存储在计算机中，具体操作过程中，针对不同的波长调用不同的光电响应参数计算光强信号P参即可。
表1硅和锗探测器光电响应绝对值
第二实施例
该实施例提供另一种太阳能电池光谱响应测试系统，参见图4所示的太阳能电池光谱响应测试系统的结构示意图，其包括：
单色光源1，其包括150W球形氙灯和三光栅单色仪，用于提供200-2000nm连续可调的单色光输出，单色光源1中还包括可控电子快门7，电子快门7通过多功能数据采集卡52的开关量控制，多功能数据采集卡52与后面提到的计算机控制系统6相连，从而通过软件控制快门的通断。
宽光谱分光系统2，用于将单色光源1输出的光按比例分成两路光，一路为参考光，另一路为待测光，在该实施例中，宽光谱分光系统2的结构示意图如图5所示，采用一分二的石英光纤导管，入射光从光纤导管的入口进入，两个均等出口出射1:1的参考光和待测光，在保证光纤导管不移动的情况下，分光比例稳定，光谱范围为200-2000nm。
待测电池3，待测光入射到待测电池3的表面，待测电池3为铜锌锡硫太阳能电池，获得的短路电流输入至后面提到的信号放大模块51和多功能数据采集模块52，采集信号为V采1，信号放大模块51采用跨导放大器，±12v供电，输入端虚短，测得的是太阳能电池两端的短路电流，放大倍数为6000倍，因此待测电池3的实际短路电流I待＝V采1/6000。
圆点分光器40，按1：1的比例将参考光分成透射光和反射光两束；
硅探测器41，用于接收从圆点分光器40反射的参考光的一部分，光电探测的电流信号转换为电压信号输入到信号放大模块51和多功能数据采集模块52，采集信号为V采2；
锗或铟镓砷探测器42，用于接收从圆点分光器40透射的参考光的一部分，光电探测的电流信号转换为电压信号输入到信号放大模块51和多功能数据采集模块52，采集信号为V采3；
同前，信号放大模块51的放大倍数约为6000倍，硅探测器波长响应范围为300nm-1100nm，I硅＝V采2/6000；锗探测器波长响应范围为950-1700nm，I锗＝V采3/6000，同样采用前述表1中的绝对光电响应E硅(A/W)和E锗(A/W)数据计算实时光强，P硅＝I硅/E硅，P锗＝I锗/E锗。
圆点分光器40、硅探测器41和锗或铟镓砷探测器42构成宽光谱探测系统4，其实现了200-1800nm范围内的宽光谱探测；
信号放大模块51和多功能数据采集模块52，用于放大并采集宽光谱探测系统4的光电探测电流I探和待测电池3输出的短路电流I待；以及
计算机控制系统6，控制单色光源1的输出波长，采集不同波长对应的光电探测电流数据I探和短路电流I待，进一步计算参考光的实时光强P参，IPCE参数，并绘制光谱响应曲线。
根据本发明的一个实施例，打开计算机软件，与设备通讯成功后，设置打开快门，设置单色仪以10nm间隔波长从300nm扫描至1700nm，小于1100nm的波长利用与硅探测器41相关的数据计算实时光强，大于等于1100nm的波长利用与锗或铟镓砷探测器42相关的数据计算实时光强。
在该实施例中，光谱分光系统2和圆点式分光器40的分光比例都为1:1，因此P待＝2P参(P硅或2P锗)。
P待＝2P硅＝2I硅/E硅(λi<1100nm)
P待＝2P锗＝2I锗/E锗(λi>＝1100nm)
从而计算出每个波长处的IPCE值：
此外，本实施例默认宽光谱分光系统2和圆点式分光器40的分光比例都为严格的1:1，因此P待＝2P硅或2P锗。实际运行中，由于波长不同，光路调节的优劣，造成分光比例会有细微偏差，需要校正，校正方法如下：
P待＝Cλ*P硅或Cλ*P锗。Cλ为不同波长处，由参考光光强计算出待测光需要乘的系数。这个系数Cλ其实就是分光后的光强比例，第一次分光这个比例就在1:1左右，二次分光就在2:1左右，理论上应该跟分光镜本身有关，但根据波长不同会有细微变化。所以这个系数跟太阳能电池无关，主要跟波长有关，每个波长对应一个值，每个波长处的这个值跟光路中光学元件质量、光路调节好坏等相关，但是，一旦光学元件确定，光路调节完毕，这个值就固定了。正如下段话介绍的，为了得到这个具体的分光比例，发明人把分光后最终测试光和参考光位置处放置一模一样的两个探测器，根据测试信号比，反推出光强比。
将待测电池3位置上和圆点分光器40的反射光路上均放置生产批次和光电响应数据都一样的两只硅探测器，控制三光栅单色仪，从300nm扫描到1100nm，10nm间隔，记录每个波长下，两路信号比值即为Cλ1(300nm<＝λi<1100nm)；同样将待测电池3位置上和圆点分光器40的透射光路上放置生产批次和光电响应数据都一样的两只锗探测器，控制单色仪，从1100nm扫描到1700nm，10nm间隔，记录每个波长下，两路信号比值，即为Cλ2(1100nm<＝λi<1700nm)，数据如表2所示。校正系数存储在计算机系统的校正模块中，用于后续的校正计算。
基于上述校正系数，计算IPCE的公式变为：
为了体现本发明的效果，发明人采集了经过校准的和未经校准的IPCE曲线。具体地，采用如下表2所示的校准系数，对铜锌锡硫太阳能电池进行300-1400nm扫描测试，得到图6所示的IPCE曲线。图6中，针对同一块铜锌锡硫太阳能电池，实线为修正后的IPCE测试曲线，虚线为未修正的IPCE测试曲线，可以看出，修正后，光谱曲线更加平缓，更加准确，避免了系统误差。曲线积分得到的短路电流跟I-V测试得到的短路电流吻合度高。
表2校正系数
本发明的太阳能电池光谱响应测试系统不需要移动或拆换探测器就能够实现宽光谱光电响应测试，操作简单、误差小。
根据本发明的其他实施例，宽光谱分光系统2、宽光谱探测系统4中的圆点分光器4可以采用本领域公知的分光元件替代。另外，本领域技术人员能够理解，宽光谱分光系统2和宽光谱探测系统4中的圆点分光器40的分光比并非必须为1：1，对于其它的分光比，只要将分光系数引入计算公式中即可。例如，假设宽光谱分光系统2分出的待测光和参考光的比为K：1，那么，计算机控制系统6计算的P待＝K*P参。
根据本发明的其他实施例，宽光谱探测系统所包括的探测器并非必须为硅探测器和锗或铟镓砷探测器，也并非只包括两个探测器，只要多个探测器的探测光谱范围能够覆盖待测太阳能电池的光谱响应范围，然后进行适当的分光探测即可。
在本发明中，单色光源的光谱范围为200-2000nm，分光器的分光范围是250-2200nm，探测器能探测300-1700nm，整个装置的300-1700nm，一次性从300nm扫描测到1700nm，中间不用切换，不用间断，精确度高。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (3)
1.一种太阳能电池光谱响应测试系统，包括：
单色光源，能够实现200-2000nm连续可调单色光输出；
分光系统，用于将所述单色光源的输出光按比例分成第一光束和第二光束，所述第一光束和所述第二光束的光强比为1：1；
光谱探测系统，其包括至少两个光电探测器，所述至少两个光电探测器的光谱响应范围的和至少覆盖300-1700nm，并且所述至少两个光电探测器在太阳能电池光谱响应测试期间保持固定，所述光谱探测系统用于探测所述第一光束；
待测太阳能电池，所述第二光束照射所述待测太阳能电池并产生待测短路电流；
信号放大与数据采集模块，用于采集所述光谱探测系统的至少两个光电探测器输出的光电探测电流和所述待测太阳能电池输出的待测短路电流；以及
计算机控制系统，其调节所述单色光源的输出波长，基于所述信号放大与数据采集模块输出的不同输出波长的光的光电探测电流和待测短路电流，计算不同输出波长对应的IPCE参数并绘制光谱响应曲线，
其中，所述至少两个光电探测器为硅探测器和锗或铟镓砷探测器，所述硅探测器和所述锗或铟镓砷探测器同轴层叠设置，沿着光的传播方向，所述硅探测器设置在所述锗或铟镓砷探测器之前，所述光电探测电流对应的光强即为所述第二光束的光强，以及
其中，所述计算机控制系统还包括校正模块，其中存储有校正系数，用于校正所述光电探测电流所对应的光强与所述第二光束的光强之间的关系，所述校正系数通过对产生所述光电探测电流的光束和所述第二光束进行光强测量获得，
其中，所述分光系统是一分二的石英光纤导管或圆点分光器。
2.一种太阳能电池光谱响应测试系统，包括：
单色光源，能够实现200-2000nm连续可调单色光输出；
分光系统，用于将所述单色光源的输出光按比例分成第一光束和第二光束，所述第一光束和所述第二光束的光强比为1：1；
光谱探测系统，其包括至少两个光电探测器，所述至少两个光电探测器的光谱响应范围的和至少覆盖300-1700nm，并且所述至少两个光电探测器在太阳能电池光谱响应测试期间保持固定，所述光谱探测系统用于探测所述第一光束；
待测太阳能电池，所述第二光束照射所述待测太阳能电池并产生待测短路电流；
信号放大与数据采集模块，用于采集所述光谱探测系统的至少两个光电探测器输出的光电探测电流和所述待测太阳能电池输出的待测短路电流；以及
计算机控制系统，其调节所述单色光源的输出波长，基于所述信号放大与数据采集模块输出的不同输出波长的光的光电探测电流和待测短路电流，计算不同输出波长对应的IPCE参数并绘制光谱响应曲线，
其中，所述至少两个光电探测器为硅探测器和锗或铟镓砷探测器，所述光谱探测系统还包括分光器，用于将所述第一光束按比例分成第一子光束和第二子光束，所述第一子光束传输至所述硅探测器，所述第二子光束传输至所述锗或铟镓砷探测器，以及
其中，所述计算机控制系统还包括校正模块，其中存储有校正系数，用于校正所述光电探测电流所对应的光强与所述第二光束的光强之间的关系，所述校正系数通过对产生所述光电探测电流的光束和所述第二光束进行光强测量获得，
其中，所述分光系统和所述分光器是一分二的石英光纤导管或圆点分光器。
3.一种使用如权利要求1或2所述的太阳能电池光谱响应测试系统的太阳能电池光谱响应测试方法，包括如下步骤：
步骤一：选择输出单色光，所述单色光的波长在实现200-2000nm的范围内；
步骤二：将所述单色光分成第一光束和第二光束；
步骤三：采用光谱探测系统对所述第一光束进行探测获得光电探测电流，所述光谱探测系统包括至少两个光电探测器，所述至少两个光电探测器的光谱响应范围的和至少覆盖300-1700nm，并且所述至少两个光电探测器在太阳能电池光谱响应测试期间保持固定，根据所述单色光的波长启用所述至少两个光电探测器中的一个；
步骤四：探测所述第二光束照射到待测太阳能电池产生的短路电流；
步骤五：基于所述光电探测电流和所述短路电流计算相应的IPCE参数；以及
步骤六：调节步骤一中的单色光的输出波长并重复二至步骤五，
其中，还包括校正所述光电探测电流对应的光强与所述第二光束的光强之间的关系的步骤。
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