CN110324004B - 一种太阳能电池的量子效率指标的测试方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能电池的量子效率指标的测试方法和系统。该方法包括：对待测太阳能电池施加偏置电压，同时利用脉冲泵浦光对待测太阳能电池进行微扰泵浦；调节采样电阻，以得到待测太阳能电池在不同偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线；基于待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到待测太阳能电池的量子效率指标。量子效率指标包括内量子效率、电荷收集效率、电荷抽取效率中的至少之一。通过波长和强度可调的脉冲激光泵浦、外加电场调控进行太阳能电池的的可调控瞬态光电流/光电压表征，进而计算太阳能电池的量子效率指标，普适性好、测试系统结构简单紧凑、表征功能丰富、测试精度高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料应用和测试技术领域，特别是一种太阳能电池的量子效率指标的测试方法和系统。
背景技术
现今世界能源的消耗量日益增加，且以不可再生的化石能源为主。化石燃料终会耗竭，由此带来的能源问题是当前人类社会面临的一项重大课题。太阳能作为世界上储量最丰富的能源，将在未来经济发展进程中起到不可替代的作用。太阳能电池是实现太阳能转化和应用的关键器件，其研究和应用受到了世界各国的广泛关注和支持。诸如晶硅、薄膜等无机异质结电池以及有机、敏化和有机无机杂化等新型太阳能电池相继被开发和发展出来。衡量这些太阳能电池质量的最关键的指标是光电转换效率。太阳能电池的量子效率是指太阳能电池产生的电子-空穴对数目与照射在太阳能电池表面的光子数目的比率。客观表征太阳能电池的量子效率可以帮助研究太阳能电池在不同工作状态下对不同波长光的量子产额，对太阳能电池性能的改进有指导作用。因此，太阳能电池的量子效率测试表征在半导体材料研究和太阳能电池设计领域尤为重要。
目前，传统的太阳能电池的单波长量子效率的测量分为两种，一种为直流测量法，另一种为交流测量法。这两种测试方法都需要内置单光仪进行测量，不仅测量速度慢，而且结构复杂、造价昂贵。
如今，瞬态光电流和光电压测试方法已经越来越多地应用于表征太阳能电池的载流子输运复合动力学以及研究太阳能电池的工作机理。随着可调控瞬态光电压/光电流测试系统的开发和发展，通过光场和电场调制可以模拟太阳能电池的实际工作状态，在此基础上获得的瞬态光电流/光电压衰减曲线具有丰富的载流子输运复合信息可供挖掘。因此，亟需一种可合理地利用可调控瞬态光电流/光电流测试系统进行太阳能电池的量子效率测试的方案。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的太阳能电池的量子效率指标的测试方法和系统。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种太阳能电池的量子效率指标的测试方法，包括：
对待测太阳能电池施加偏置电压，同时利用脉冲泵浦光对所述待测太阳能电池进行微扰泵浦；
调节采样电阻，以得到所述待测太阳能电池在不同偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线；
基于所述待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到所述待测太阳能电池的量子效率指标。
可选地，所述量子效率指标包括下列至少之一：
内量子效率、电荷收集效率、电荷抽取效率。
可选地，当所述量子效率指标包括内量子效率时，通过以下公式计算得到所述待测太阳能电池的内量子效率随偏置电压的变化关系：
IQE＝Qc/Qc(-1V) (1)
其中式(1)中，IQE为太阳能电池在某一偏置电压下的内量子效率，Qc为该偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线从0时刻到光电流衰减至0时的时刻区间的积分电量，Qc(-1V)为-1V偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线从0时刻到光电流衰减至0时的时刻区间的积分电量；
当所述量子效率指标包括电荷收集效率时，通过以下公式计算得到所述待测太阳能电池的电荷收集效率随偏置电压的变化关系：
ηc＝1-τc/τr (2)
其中式(2)中，ηc为太阳能电池在某一偏置电压下的电荷收集效率，τc为对该偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线进行拟合获得的载流子的测试寿命，τr为对该偏置电压下的瞬态光电压衰减曲线进行拟合获得的载流子的复合寿命；
当所述量子效率指标包括电荷抽取效率时，通过以下公式计算得到所述待测太阳能电池的电荷抽取效率随偏置电压的变化关系：
ηe＝IQE/ηc (3)
其中式(3)中，ηe、IQE和ηc分别为太阳能电池在某一偏置电压下的电荷抽取效率、内量子效率和电荷收集效率。
可选地，所述测试方法还包括：
设置标准太阳能电池；
获取所述标准太阳能电池在与所述待测太阳能电池相同泵浦条件下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线；
根据所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，实时监测所述脉冲泵浦光的变化；
根据所述脉冲泵浦光的变化，对所述待测太阳能电池输出的瞬态光电流信号和/或瞬态光电压信号进行校准。
进一步地，基于所述待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到所述待测太阳能电池的量子效率指标，包括：
根据所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，获得所述标准太阳能电池的量子效率指标；
以所述标准太阳能电池的量子效率指标为基准，通过对比所述待测太阳能电池与所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，得到所述待测太阳能电池的量子效率指标。
根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种太阳能电池的量子效率指标的测试系统，包括：
第一样品架，用于安装待测太阳能电池；
光源，用于产生脉冲泵浦光，所述脉冲泵浦光入射至所述待测太阳能电池进行微扰泵浦；
偏置电压源，与所述第一样品架电连接，用于向所述第一样品架上的待测太阳能电池施加偏置电压；以及
信号采集处理装置，与所述第一样品架电连接，用于获取所述待测太阳能电池输出的瞬态光电流和/或光电压信号，根据所述瞬态光电流和/或光电压信号得到所述待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，并基于所述待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到所述待测太阳能电池的量子效率指标。
可选地，所述测试系统还包括：
第二样品架，分别与所述偏置电压源和所述信号采集处理装置电连接，用于安装标准太阳能电池；
分光片，设置在所述光源的输出光路上，用于对所述脉冲泵浦光进行分束，使分束后的脉冲泵浦光分别入射至所述待测太阳能电池和所述标准太阳能电池；
其中，所述偏置电压源还用于向所述第二样品架上的标准太阳能电池施加偏置电压；
所述信号采集处理装置还用于获取在与所述待测太阳能电池相同泵浦条件下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线。
可选地，所述信号采集处理装置还用于：
根据所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，实时监测所述脉冲泵浦光的变化；
根据所述脉冲泵浦光的变化，对所述待测太阳能电池输出的瞬态光电流信号和/或瞬态光电压信号进行校准。
可选地，所述信号采集处理装置还用于：
根据所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，获得所述标准太阳能电池的量子效率指标；
以所述标准太阳能电池的量子效率指标为基准，通过对比所述待测太阳能电池与所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，得到所述待测太阳能电池的量子效率指标。
可选地，所述测试系统还包括：
第一低通滤波器和第二低通滤波器，分别设置在所述第一样品架与所述偏置电压源之间和所述第二样品架与所述偏置电压源之间，用于允许所述偏置电压源产生的偏置电压通过以被分别施加到所述待测太阳能电池和所述标准太阳能电池上，并阻挡所述待测太阳能电池和所述标准太阳能电池输出的瞬态光电流/光电压信号通过。
本发明实施例提出的太阳能电池的量子效率指标的测试方法和系统，通过对待测太阳能电池施加偏置电压和微扰脉冲泵浦，并调节采样电阻，得到待测太阳能电池在不同偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，进而基于瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到待测太阳能电池的量子效率指标。具体地，量子效率指标可包括内量子效率、电荷收集效率、电荷抽取效率中的至少之一。本发明的方案通过波长和强度可调的脉冲激光泵浦、外加电场调控进行太阳能电池的的可调控瞬态光电流/光电压表征，进而基于可调控瞬态光电流/光电压数据测量计算太阳能电池的量子效率指标，具有普适性好、测试系统结构简单紧凑、表征功能丰富的优点。
进一步地，本发明的方案还可以利用标准太阳能电池进行实时在线监测校准，并以标准太阳能电池为参考，通过待测太阳能电池与标准太阳能电池的瞬态光电流/光电压信号的对比来间接测试待测太阳能电池的量子效率指标，从而提高测试的精度和效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明一实施例的太阳能电池的量子效率指标的测试方法的流程图；
图2和图3分别示出了根据本发明一具体实施例所测得的标准硅电池在暗态中不同偏置电压下的瞬态光电流和瞬态光电压随时间变化的衰减曲线图；
图4至图6分别示出了根据图2和图3所示的瞬态光电流和瞬态光电压随时间变化的衰减曲线图，通过直接测量法计算得到的标准硅电池的内量子效率、电荷收集效率和电荷抽取效率随偏置电压的变化曲线图；
图7示出了根据本发明一实施例的太阳能电池的量子效率指标的测试系统的结构示意图；以及
图8示出了根据本发明另一实施例的太阳能电池的量子效率指标的测试系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种太阳能电池的量子效率指标的测试方法。图1示出了根据本发明一实施例的太阳能电池的量子效率指标的测试方法的流程图。参见图1，该方法至少可以包括以下步骤S102至步骤S106。
步骤S102，对待测太阳能电池施加偏置电压，同时利用脉冲泵浦光对待测太阳能电池进行微扰泵浦。
在步骤S102中，可利用信号发生器对待测太阳能电池施加偏置电压，实现对待测太阳能电池从负向到正向连续变化的直流电场调制。电场调制可以是从负电场到正电场的连续线性扫描的过程。在一种具体的实施方式中，例如，从-1V开始扫描，每隔0.05V扫描一个点，逐渐递增，直至递增至0.5V。
在施加偏置电压的同时，还可以通过光强和波长可调的脉冲激光对待测太阳能电池进行微扰泵浦，激发待测太阳能电池产生瞬态电信号。微扰泵浦是指用于泵浦的脉冲激光足够弱而不改变被泵浦器件本身的费米能级状态的一种泵浦方式，一般为使被泵浦器件产生的瞬态光电流(Transient photocurrent，TPC)峰值在几十个毫安或使瞬态光电压(Transient photovoltage，TPV)峰值在几十个毫伏以内的脉冲激光泵浦。脉冲激光以特定角度入射待测太阳能电池，优选垂直入射。
在一种实施方式中，可采用可调谐纳秒激光器作为光源产生可调脉冲激光。进一步地，还可以通过控制器(如计算机)对光源进行控制，并通过光衰减片、光阑等的调节，实现对产生的脉冲激光的光强和波长的调制。
上述对待测太阳能电池的电场调制和微扰泵浦可在暗态条件下进行，以消除其他因素的干扰。本文提及的“暗态”指的是无外加偏置光源(如光强可调的LED白光)的情况。
步骤S104，调节采样电阻，以得到待测太阳能电池在不同偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线。
在步骤S104中，在特定波长和光强的脉冲激光泵浦下，通过调节信号采集部件的采样电阻，采集待测太阳能电池在不同偏置电压下输出的瞬态光电流和/或光电压信号，并处理得到待测太阳能电池在不同偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线。采样电阻可按常规瞬态光电流和光电压测试方法中的方式与待测太阳能电池电连接。
在一种实施方式中，通过将采样电阻调节为第一电阻(如50Ω)来模拟待测太阳能电池的实际工作状态，从而获取瞬态光电流信号。通过将采样电阻调节为第二电阻(如1MΩ)来模拟开路状态，从而获取瞬态光电压信号。
另外，产生泵浦脉冲激光的光源输出的电信号与信号采集部件获取的瞬态光电流/光电压信号同步触发，以提高测量的实时性和精确度。
步骤S106，基于待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到待测太阳能电池的量子效率指标。
在步骤S106中，根据下面的给定公式，直接计算待测太阳能电池的量子效率指标。
太阳能电池的量子效率指标可包括内量子效率、电荷收集效率、电荷抽取效率等。内量子效率(Internal Quantum Efficiency,IQE)指太阳能电池产生的电荷载流子数目与太阳能电池吸收的光子数目之比。在太阳能电池的电荷动力学过程中，在入射光的激发下，半导体光吸收层内产生自由载流子，载流子在浓度梯度和电场的作用下在吸收层内部发生扩散和漂移运动，同时发生载流子的复合，最终，一定比例的载流子到达吸收层界面，并被相应的选择性电荷传输层抽取。将抽取进入电荷传输层的电荷量与光生电荷总量的比值定义为电荷抽取效率ηe，其主要由光吸收层内的输运和体相复合决定。非平衡自由电荷会在电荷传输层内进行扩散直至达到电极界面被电极收集并流经外电路形成完整的电流过程。在该扩散过程中，非平衡电荷也会发生界面或体相复合过程，导致电荷的损耗。因此，可将电极实际收集到的电荷总量与抽取进入电荷传输层的电荷总量的比值定义为电荷收集效率ηc，其主要由电荷传输层的输运和界面复合决定。此时，内量子效率则可表示为IQE＝ηe×ηc。这三个量子效率指标可以用来量化太阳能电池内的电荷损失并区分与空间有关的电荷损失机制。低的ηe值意味着光吸收层内高的电荷复合几率或低效的电荷传输，而低的ηc值则意味着高的界面反向复合几率，需要抑制界面反向复合以获得更高的电池性能。
经理论研究发现，光伏器件在足够大的负向电场下，载流子会被迅速抽取到电荷传输层，从而可以忽略到载流子在吸收层内的复合过程。实验研究表明，-1V偏置电压对于光伏器件来说是足够大的，此时器件的内建电场达到最大值，可以近似认为每吸收一个光子即会产生一个电子，即器件的内量子效率为100％。因此，通过将不同偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线的积分电量与-1V偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线的积分电量相比进行归一标定，即可获得太阳能电池的内量子效率随偏置电压的变化关系。也即是说，可以通过以下公式计算得到待测太阳能电池的内量子效率随偏置电压的变化关系：
IQE＝Qc/Qc(-1V) (1)
式(1)中，IQE为太阳能电池在某一偏置电压下的内量子效率，Qc为该偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线从0时刻到光电流衰减至0时的时刻区间的积分电量，Qc(-1V)为-1V偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线从0时刻到光电流衰减至0时的时刻区间的积分电量。
此外，还可以将瞬态光电流和光电压测试相结合，通过以下公式计算待测太阳能电池的电荷收集效率随偏置电压的变化关系：
ηc＝1-τc/τr (2)
式(2)中，ηc为太阳能电池在某一偏置电压下的电荷收集效率，τc为对该偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线进行拟合获得的载流子的测试寿命，τr为对该偏置电压下的瞬态光电压衰减曲线进行拟合获得的载流子的复合寿命。
上式中的载流子的测试寿命τc，可通过以拟合公式y＝Aexp(-(t-t0)/τ)+B对相应偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线进行单指数拟合得到，其中t0、A、B为常量，y表示瞬态光电流TPC，t表示衰减时间，τ即为载流子的测试寿命τc。
类似地，上式中的载流子的复合寿命τr，可通过以拟合公式y’＝A’exp(-(t’-t0’)/τ’)+B’对相应偏置电压下的瞬态光电压衰减曲线进行单指数拟合得到，其中t0’、A’、B’为常量，y’表示瞬态光电压TPV，t’表示衰减时间，τ’即为载流子的复合寿命τr。
进一步地，太阳能电池的电荷抽取效率ηe可以通过内量子效率IQE与电荷收集效率ηc的比值得到。也即是说，可以通过以下公式计算待测太阳能电池的电荷抽取效率随偏置电压的变化关系：
ηe＝IQE/ηc (3)
式(3)中，ηe、IQE和ηc分别为太阳能电池在某一偏置电压下的电荷抽取效率、内量子效率和电荷收集效率，IQE和ηc的计算如上所述。
在一种可选的实施方式中，还可以通过引入标准太阳能电池来实现对瞬态光电流/光电压信号的实时监测校准，提高测试精度。
首先，在测试系统中设置标准太阳能电池。标准太阳能电池例如可以为标准硅电池、标准钙钛矿电池等。
然后，在与待测太阳能电池相同的泵浦条件下，对标准太阳能电池进行电场调控和微扰泵浦，并获取标准太阳能电池输出的瞬态光电流信号和/或瞬态光电压信号，得到标准太阳能电池在该条件下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线。
具体地，可以通过在光源的输出光路中设置分光片来对光源产生的脉冲泵浦光进行分束，使脉冲泵浦光被均分后以相同的角度分别入射至待测太阳能电池和标准太阳能电池，对它们进行激发。
接着，根据所获得的标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，实时监测脉冲泵浦光的变化。
最后，根据脉冲泵浦光的变化，对待测太阳能电池输出的瞬态光电流信号和/或瞬态光电压信号进行校准。
具体地，例如，可以根据标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线来实时监测脉冲泵浦光的光强。当脉冲泵浦光的光强不稳定，发生变化时，可通过电路控制(如与光源电连接的控制器)来调节泵浦光的光强，从而实现对待测太阳能电池输出的瞬态光电流信号和/或瞬态光电压信号的校准。
以上介绍了通过瞬态光电流/光电压测试直接测量待测太阳能电池的量子效率指标的方法。在一种可选的实施方式中，还可以利用标准太阳能电池作为参考，间接地测量待测太阳能电池的量子效率指标。在此间接测量法中，在获取待测太阳能电池和标准太阳能电池在相同泵浦条件下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线后，首先根据标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，获得标准太阳能电池的量子效率指标，然后，再以标准太阳能电池的量子效率指标为基准，通过对比待测太阳能电池与标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，得到待测太阳能电池的量子效率指标。
下面以内量子效率测试为例，对该间接测量法进行具体说明。
光伏器件的内量子效率的另一计算公式如下：
IQE＝Nc/(Np×(1-T-R)) (4)
式(4)中，IQE为光伏器件在某一偏置电压下的内量子效率，Np为入射光子数，T和R分别为光伏器件的透射系统和反射系数，Nc为光伏器件的收集电荷数，且Nc＝Qc/q，其中Qc为该偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线从0时刻到光电流衰减至0时的时刻区间的积分电量，q为元电荷，即，一个电子所带的电荷量。
在具体测试时，可以在特定波长和光强的脉冲激光泵浦下，利用标准太阳能电池进行标定，首先利用标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线，通过式(1)计算获得标准太阳能电池在某一偏置电压(例如0V)下的IQE。然后，根据测试得到的标准太阳能电池的透射系统T和反射系统R、以及通过标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线计算得到的收集电荷数Nc，通过公式(4)算出该泵浦条件下的入射光子数Np。由于待测太阳能电池与标准太阳能电池的泵浦条件相同，所以两者的Np值是相同的。因此，即可以利用测试得到的待测太阳能电池的投射系统T和反射系数R、通过待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线计算得到的收集电荷数Nc、以及利用标准太阳能电池计算出的入射光子数Np，通过公式(4)计算出待测太阳能电池在该偏置电压下的内量子效率。这种间接测量法省去了将待测太阳能电池在不同偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线的积分电量与-1V偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线的积分电量相比进行归一标定的计算，提高了测量的效率。
下面以一具体实施例对本发明提供的太阳能电池的量子效率指标的测试方法的测试效果进行验证。在本具体实施例中，以标准硅电池作为待测太阳能电池，采用重复频率为10Hz的可调谐纳秒激光器在计算机控制下输出波长为532nm的脉冲激光对待测太阳能电池实现微扰泵浦。图2-图6示出了利用本发明实施例提供的太阳能电池的量子效率指标的测试方法、通过直接测量法对标准硅电池进行测量得到的数据结果。其中，图2示出了利用本发明实施例提供的测试方法，在采样电阻为50Ω时获得的标准硅电池在暗态中不同偏置电压下的瞬态光电流(TPC)随时间变化的衰减曲线图。图3示出了利用本发明实施例提供的测试方法，在采样电阻为1MΩ时获得的标准硅电池在暗态中不同偏置电压下的瞬态光电压(TPV)随时间变化的衰减曲线图。需要说明的是，为了更清晰地展示图中的曲线，图2和图3中仅示例性地示出了若干电压点下的衰减曲线。
图4至图6分别示出了利用本发明实施例提供的测试方法，以直接测量法计算得到的标准硅电池的内量子效率(IQE)、电荷收集效率ηc和电荷抽取效率ηe随偏置电压的变化曲线图。可见，本发明实施例提供的测试方法可以简单且高精度地测量计算各种类型太阳能电池的内量子效率、电荷收集效率和电荷抽取效率，对于研究太阳能电池机理问题诸如载流子输运复合动力学过程以及电池的工艺改进研究，有着巨大的指导意义。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种太阳能电池的量子效率指标的测试系统。图7示出了根据本发明一实施例的太阳能电池的量子效率指标的测试系统700的结构示意图。参见图7，该系统700至少可以包括：光源701、第一样品架702、偏置电压源703以及信号采集处理装置704。
现介绍本发明实施例的太阳能电池的量子效率指标的测试系统700的各组成或器件的功能以及各部分间的连接关系：
第一样品架702，用于安装待测太阳能电池。
光源701，用于产生脉冲泵浦光。光源701发射出的脉冲泵浦光以指定角度入射至安装在第一样品架702上的待测太阳能电池进行微扰泵浦。在一种实施方式中，光源701可采用可调谐纳秒激光器产生可调脉冲激光。
偏置电压源703与第一样品架702电连接，用于向第一样品架702上的待测太阳能电池施加偏置电压。在一种实施方式中，偏置电压源703可采用信号发生器，实现对待测太阳能电池从负向到正向连续变化的直流电场(偏置电压)调制。
信号采集处理装置704与第一样品架702电连接，用于获取待测太阳能电池输出的瞬态光电流和/或光电压信号，根据瞬态光电流和/或光电压信号得到待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，并基于待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到待测太阳能电池的量子效率指标。信号采集处理装置704在计算待测太阳能电池的量子效率指标时，可根据上文所述的直接测量法中的公式(1)、(2)、(3)分别计算待测太阳能电池的内量子效率、电荷收集效率和电荷抽取效率，此处不再赘述。
信号采集处理装置704还可与光源701电连接，使得光源701输出的电信号连接至信号采集处理装置704，用于同步触发信号采集处理装置704采集并处理待测太阳能电池输出的瞬态光电流和/或光电压信号。
在一种实施方式中，信号采集处理装置704可采用示波器。此时，通过对示波器的采样电阻的调节实现对瞬态光电流和光电压信号的获取。通过将采样电阻调节为第一电阻(如50Ω)来模拟待测太阳能电池的实际工作状态，从而获取瞬态光电流信号。通过将采样电阻调节为第二电阻(如1MΩ)来模拟开路状态，从而获取瞬态光电压信号。另外，既可以利用示波器自身的处理能力进行量子效率指标的计算，也可以利用外置的处理器进行计算，本发明对此不作限制。
图8示出了根据本发明另一实施例的太阳能电池的量子效率指标的测试系统700的结构示意图。
参见图8所示，在一个可选的实施例中，系统700还可以包括控制器705。控制器705与光源701电连接，用于对光源701进行控制，使光源701发射出所需波长和光强的脉冲激光。控制器705例如可以为计算机等。
此外，为了实现对脉冲激光的进一步调节，系统700还可以包括光衰减片706和光阑707。光衰减片706和光阑707依次设置在从光源701向第一样品架702的输出光路上，用于对光源701输出的脉冲激光的光强和光束大小进行调节。
在一个可选的实施例中，继续参见图8，系统700还可以包括第二样品架708和分光片709，从而构成双光路测试系统。第二样品架708用于安装标准太阳能电池，并分别与偏置电压源703和信号采集处理装置704电连接。如此，则偏置电压源703还可以同时向安装在第二样品架708上的标准太阳能电池施加偏置电压，施加于标准太阳能电池的偏置电压可与施加于待测太阳能电池上的偏置电压相同或不同，具体根据测试需求而定。分光片709设置在光源701的输出光路上，用于对光源701输出的脉冲泵浦光进行分束，使分束后的脉冲泵浦光分别入射至安装在第一样品架702上的待测太阳能电池和安装在第二样品架708上的标准太阳能电池。通过适当地设置分光片709、第一样品架702和第二样品架708的方位，使分束后的脉冲泵浦光以相同的指定角度入射至待测太阳能电池和标准太阳能电池。优选地，待测太阳能电池和标准太阳能电池分别相对于分光片709的两束输出光垂直布置。信号采集处理装置704还可以采集标准太阳能电池在与待测太阳能电池相同的泵浦条件下输出的瞬态电信号并进行相应处理，获得标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线。
通过构造双光路测试系统引入标准太阳能电池，可以实现对瞬态光电流/光电压信号的实时监测校准。具体地，信号采集处理装置704执行以下操作：根据标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，实时监测脉冲泵浦光的变化；进而，根据脉冲泵浦光的变化，对待测太阳能电池输出的瞬态光电流信号和/或瞬态光电压信号进行校准。例如，可以根据标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线来实时监测脉冲泵浦光的光强。当脉冲泵浦光的光强不稳定，发生变化时，可通过电路控制来调节泵浦光的光强，从而实现对待测太阳能电池输出的瞬态光电流信号和/或瞬态光电压信号的校准。
此外，还可以利用标准太阳能电池作为参考，间接地测量得出待测太阳能电池的量子效率指标。具体地，信号采集处理装置704执行以下操作：根据所获取的标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，获得标准太阳能电池的量子效率指标；进而，以标准太阳能电池的量子效率指标为基准，通过对比待测太阳能电池与标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，得到待测太阳能电池的量子效率指标。
在一个可选的实施例中，继续参见图8，系统700还可以包括第一低通滤波器710和第二低通滤波器711。第一低通滤波器710设置在第一样品架702与偏置电压源703之间。第二低通滤波器711设置在第二样品架708与偏置电压源703之间。由于偏置电压源703向待测太阳能电池施加偏置电压是一个缓慢连续变化的线性扫描过程，因此第一低通滤波器710允许偏置电压源703产生的偏置电压通过以被施加到待测太阳能电池上，并阻挡待测太阳能电池输出的瞬态光电流/光电压信号通过。同理，第二低通滤波器711也允许偏置电压源703产生的偏置电压通过以被施加到标准太阳能电池上，并阻挡标准太阳能电池输出的瞬态光电流/光电压信号通过。如此，使待测太阳能电池和标准太阳能电池的瞬态光电流/光电压信号全部通过信号采集处理装置704输出，实现了电场调控信号与瞬态探测信号的分离，提高测试精度。
根据上述任意一个可选实施例或多个可选实施例的组合，本发明实施例能够达到如下有益效果：
本发明实施例提出的太阳能电池的量子效率指标的测试方法和系统，通过对待测太阳能电池施加偏置电压和微扰脉冲泵浦，并调节采样电阻，得到待测太阳能电池在不同偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，进而基于瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到待测太阳能电池的量子效率指标。具体地，量子效率指标可包括内量子效率、电荷收集效率、电荷抽取效率中的至少之一。本发明的方案通过波长和强度可调的脉冲激光泵浦、外加电场调控进行太阳能电池的的可调控瞬态光电流/光电压表征，进而基于可调控瞬态光电流/光电压数据测量计算太阳能电池的量子效率指标，具有普适性好、测试系统结构简单紧凑、表征功能丰富的优点。
进一步地，本发明的方案还可以利用标准太阳能电池进行实时在线监测校准，并以标准太阳能电池为参考，通过待测太阳能电池与标准太阳能电池的瞬态光电流/光电压信号的对比来间接测试待测太阳能电池的量子效率指标，从而提高测试的精度和效率。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：在本发明的精神和原则之内，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案脱离本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种太阳能电池的量子效率指标的测试方法，其特征在于，包括：
对待测太阳能电池施加偏置电压，同时利用脉冲泵浦光对所述待测太阳能电池进行微扰泵浦；
调节采样电阻，以得到所述待测太阳能电池在不同偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线；
基于所述待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到所述待测太阳能电池的量子效率指标；
其中，所述量子效率指标包括下列至少之一：
内量子效率、电荷收集效率、电荷抽取效率；并且
当所述量子效率指标包括内量子效率时，通过以下公式计算得到所述待测太阳能电池的内量子效率随偏置电压的变化关系：
IQE＝Qc/Qc(-1V) (1)
其中式(1)中，IQE为太阳能电池在某一偏置电压下的内量子效率，Qc为该偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线从0时刻到光电流衰减至0时的时刻区间的积分电量，Qc(-1V)为-1V偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线从0时刻到光电流衰减至0时的时刻区间的积分电量；
当所述量子效率指标包括电荷收集效率时，通过以下公式计算得到所述待测太阳能电池的电荷收集效率随偏置电压的变化关系：
ηc＝1-τc/τr (2)
其中式(2)中，ηc为太阳能电池在某一偏置电压下的电荷收集效率，τc为对该偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线进行拟合获得的载流子的测试寿命，τr为对该偏置电压下的瞬态光电压衰减曲线进行拟合获得的载流子的复合寿命；
当所述量子效率指标包括电荷抽取效率时，通过以下公式计算得到所述待测太阳能电池的电荷抽取效率随偏置电压的变化关系：
ηe＝IQE/ηc (3)
其中式(3)中，ηe、IQE和ηc分别为太阳能电池在某一偏置电压下的电荷抽取效率、内量子效率和电荷收集效率。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，还包括：
设置标准太阳能电池；
获取所述标准太阳能电池在与所述待测太阳能电池相同泵浦条件下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线；
根据所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，实时监测所述脉冲泵浦光的变化；
根据所述脉冲泵浦光的变化，对所述待测太阳能电池输出的瞬态光电流信号和/或瞬态光电压信号进行校准。
3.根据权利要求2所述的测试方法，其特征在于，基于所述待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到所述待测太阳能电池的量子效率指标，包括：
根据所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，获得所述标准太阳能电池的量子效率指标；
以所述标准太阳能电池的量子效率指标为基准，通过对比所述待测太阳能电池与所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，得到所述待测太阳能电池的量子效率指标。
4.一种太阳能电池的量子效率指标的测试系统，其特征在于，包括：
第一样品架，用于安装待测太阳能电池；
光源，用于产生脉冲泵浦光，所述脉冲泵浦光入射至所述待测太阳能电池进行微扰泵浦；
偏置电压源，与所述第一样品架电连接，用于向所述第一样品架上的待测太阳能电池施加偏置电压；以及
信号采集处理装置，与所述第一样品架电连接，用于获取所述待测太阳能电池输出的瞬态光电流和/或光电压信号，根据所述瞬态光电流和/或光电压信号得到所述待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，并基于所述待测太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线计算得到所述待测太阳能电池的量子效率指标；
其中，所述量子效率指标包括下列至少之一：
内量子效率、电荷收集效率、电荷抽取效率；并且
当所述量子效率指标包括内量子效率时，所述信号采集处理装置通过以下公式计算得到所述待测太阳能电池的内量子效率随偏置电压的变化关系：
IQE＝Qc/Qc(-1V) (1)
其中式(1)中，IQE为太阳能电池在某一偏置电压下的内量子效率，Qc为该偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线从0时刻到光电流衰减至0时的时刻区间的积分电量，Qc(-1V)为-1V偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线从0时刻到光电流衰减至0时的时刻区间的积分电量；
当所述量子效率指标包括电荷收集效率时，所述信号采集处理装置通过以下公式计算得到所述待测太阳能电池的电荷收集效率随偏置电压的变化关系：
ηc＝1-τc/τr (2)
其中式(2)中，ηc为太阳能电池在某一偏置电压下的电荷收集效率，τc为对该偏置电压下的瞬态光电流衰减曲线进行拟合获得的载流子的测试寿命，τr为对该偏置电压下的瞬态光电压衰减曲线进行拟合获得的载流子的复合寿命；
当所述量子效率指标包括电荷抽取效率时，所述信号采集处理装置通过以下公式计算得到所述待测太阳能电池的电荷抽取效率随偏置电压的变化关系：
ηe＝IQE/ηc (3)
其中式(3)中，ηe、IQE和ηc分别为太阳能电池在某一偏置电压下的电荷抽取效率、内量子效率和电荷收集效率。
5.根据权利要求4所述的测试系统，其特征在于，还包括：
第二样品架，分别与所述偏置电压源和所述信号采集处理装置电连接，用于安装标准太阳能电池；
分光片，设置在所述光源的输出光路上，用于对所述脉冲泵浦光进行分束，使分束后的脉冲泵浦光分别入射至所述待测太阳能电池和所述标准太阳能电池；
其中，所述偏置电压源还用于向所述第二样品架上的标准太阳能电池施加偏置电压；
所述信号采集处理装置还用于获取所述标准太阳能电池在与所述待测太阳能电池相同泵浦条件下的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线。
6.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述信号采集处理装置还用于：
根据所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，实时监测所述脉冲泵浦光的变化；
根据所述脉冲泵浦光的变化，对所述待测太阳能电池输出的瞬态光电流信号和/或瞬态光电压信号进行校准。
7.根据权利要求5或6所述的测试系统，其特征在于，所述信号采集处理装置还用于：
根据所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，获得所述标准太阳能电池的量子效率指标；
以所述标准太阳能电池的量子效率指标为基准，通过对比所述待测太阳能电池与所述标准太阳能电池的瞬态光电流衰减曲线和/或瞬态光电压衰减曲线，得到所述待测太阳能电池的量子效率指标。
8.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，还包括：
第一低通滤波器和第二低通滤波器，分别设置在所述第一样品架与所述偏置电压源之间和所述第二样品架与所述偏置电压源之间，用于允许所述偏置电压源产生的偏置电压通过以被分别施加到所述待测太阳能电池和所述标准太阳能电池上，并阻挡所述待测太阳能电池和所述标准太阳能电池输出的瞬态光电流/光电压信号通过。
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