CN1564005A - 光电性能综合测试装置 - Google Patents

Abstract

光电性能综合测试装置是一种测量光电转换材料和器件的光电性能的装置，该装置中氙灯光源(1)作为模拟太阳光源，光栅单色仪(3)与氙灯光源(1)间以光纤导光束(21)相连，光栅单色仪(3)与测试暗箱(5)以光纤导光束(22)相连；测试暗箱(5)中设有光电池(51)、光度计传感器(52)，光电池(51)的输出端接电压/电流表(4)，光度计传感器(52)的输出端接光度计主机(7)，光度计主机(7)、电压/电流表(4)的输出端通过数据采集接口与计算机(6)相接，原位测量照射在光电池(51)上的光强度。在测试暗箱(5)中设有测试平台(53)，在测试平台(53)上设有光电池(51)、光度计传感器(52)，光度计传感器(52)置于测试暗箱(5)中光电池(51)的位置。

Description

光电性能综合测试装置

                        技术领域

本发明是一种测量光电转换材料和器件的光电性能的装置，尤其是一种光电化学太阳能电池光电转换性能的测试仪器。

                        背景技术

测试光电转换材料和器件(如光电池)的光电特性有二电极和三电极法，以二电极法较为常用。见诸报道的是一些研究机构自行组装的分立装置。用脉冲氙(Xe)灯模拟太阳光源照射到光电池上，通过测量光电池在模拟光源照射下的电压电流数据和标准光电池的测量数据进行对比，得到光电池的性能参数。整个过程自动化程度较低，单色光的调节、数据的采集、数据的处理、性能参数的对比等都不能计算机控制，实验数据的重复性较差，不能充分满足研究的需要。

由于太阳能的利用对缓解能源危机、减轻环境污染有着十分重要的意义，人们对光电转换材料和器件的研究越来越重视。用一体化的光电池光电性能测试装置高效而准确地测定光电池的特性有助于推动太阳能电池的研究与开发。

通过计算机控制的单色仪或带通滤光片，可以得到连续的所需各种波长的单色光；高精度的数字电压电流表用于测量出光电池的开路电压和短路电流以及不同负载特性下的电压电流数据，计算机通过数据采集接口采集数据，通过计算得到光电池量子效率、光电转换效率等参数；编制自动测量程序使测试过程可以自动进行调整和测量，大大减少人工调整的时间，提高测量的效率。

                        发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种光电转换材料和器件的一体化光电性能综合测试装置，可以自动进行调整、测量和数据处理，解决目前该类装置效率低，测量精度低，重现性差的缺点。

技术方案：本发明的电性能综合测试装置，包括光源、样品室、检测部分、控制部分，在该装置中氙灯光源作为模拟太阳光源，光栅单色仪与氙灯光源间以光纤导光束相连，光栅单色仪与测试暗箱以光纤导光束相连；测试暗箱中设有光电池、光度计传感器，光电池的输出端接电压/电流表，光度计传感器的输出端接光度计主机，光度计主机、电压/电流表的输出端通过数据采集接口与计算机相接，原位测量照射在光电池上的光强度。

在测试暗箱中设有测试平台，在测试平台上设有光电池、光度计传感器，光纤导光束穿过测试暗箱壁上的入射光孔将光引入光电池，光电池两极由导线与电压/电流表相连，光度计传感器置于测试暗箱中光电池的位置；光度计传感器与光度计主机相接。氙灯光源同时采用单色光和白光。光纤导光束的接口为长方形光纤接口，使光栅单色仪的入射光和出射光能更有效的耦合。

大功率氙(Xe)灯的功率可以通过稳流电源调节；用光纤导光，单色仪或带通滤光片通过计算机控制可以得到连续的所需各种波长的单色光；测试暗箱为50cm×50cm×50cm铁制箱体，必须是密闭不透光的，箱体内的温度可以控制在室温～80℃之间，箱体内有测试平台、样品池、光度计传感器等部件；光度计经国家级计量标准单位标定，检测范围200nm～1100nm；高精度的数字电压电流表测量光电池的开路电压和短路电流以及不同负载特性下的电压电流数据，可以测量到毫伏和微安级；电压电流数据由计算机自动采集，记录和保存；自编程序包括对单色仪的自动控制，对整个测试过程自动进行设置和采集数据的计算处理。

该测试装置的工作过程为：打开电源，调节大功率氙(Xe)灯的工作电流，给出一定强度的模拟太阳光源，经低通凹面镜反射滤去波长为1200nm以上的红外光，导入单色仪，打开计算机测试界面，输入工作条件，设置单色光波长或扫描方式，在计算机控制下，单色仪给出一定波长的单色光或进行扫描，单色光经光纤引入测试暗箱照射到光电池上(测模拟太阳光下的光电性能时，不经单色仪)，产生光能-电能的转换，光电池的开路电压和短路电流以及不同负载特性下的电压电流数据由高精度的数字电压电流表测量，照射在光电池表面的光强度由光功率计测定，所有测量数据由计算机自动采集，记录和保存，经过校正后，计算出量子效率、填充因子、光电转换效率等性能参数。计算公式为：

$\mathrm{IPCE}=\frac{1243\×I_{\mathrm{SC}}\×100\%}{\mathrm{\λ}\×P_{\mathrm{in}}}---\left(1\right)$

$\mathrm{FF}=\frac{I_{\mathrm{Ph}\left(\max \right)}\×V_{\mathrm{Ph}\left(\max \right)}}{I_{\mathrm{SC}}\×V_{\mathrm{OC}}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\η}=\frac{I_{\mathrm{SC}}\×V_{\mathrm{OC}}\×\mathrm{FF}}{P_{\mathrm{in}}}---\left(3\right)$

式中：IPCE、FF、η分别为量子效率、填充因子、光电转换效率；λ、P_in分别是入射光的波长和光功率；I_SC、V_OC分别是光电池的短路电流和开路电压；I_Ph(max)、V_Ph(max)分别是光电池在有负载条件下获得最大输出功率时的光电流与光电压。

有益效果：

1.使用电流稳定可调的光源，使光源的照度可以调节、照射到光电池表面的光强度稳定。

2.采用单色光频率的自动扫描、测量信号的自动记录和处理，实现了光电池性能的自动测试。

3.测试速度快，1分钟内即可实现200-800nm单色光的扫描与量子效率的测定。

4.测试结果重现性好，仪器系统误差小于2％。

5.自偏程序在windows下运行，界面为中文，操作简单。

6.全部组件均为国产。

7.一机多用，还可以用于光催化、光电导等方面的测试。

                            附图说明

图1是本发明的光电性能综合测试仪框图。

图2是本发明中测试暗箱5的结构示意图。

以上的图中有氙灯光源1；光纤导光束21、22；光栅单色仪3；电压/电流表4；测试暗箱5；光电池51；光度计传感器52；测试平台53；入射光孔54；计算机6；光度计主机7。

                           具体实施方式

本发明是一种测量光电转换材料和器件的光电性能的装置，包括光源、样品室、检测系统、控制系统等。该装置中氙灯光源1作为模拟太阳光源，光栅单色仪3与氙灯光源1间以光纤导光束21相连，光栅单色仪3与测试暗箱5以光纤导光束22相连；测试暗箱5中设有光电池51、光度计传感器52，光电池51的输出端接电压/电流表4，光度计传感器52的输出端接光度计主机7，光度计主机7、电压/电流表4的输出端通过数据采集接口与计算机6相接，原位测量照射在光电池51上的光强度。在测试暗箱5中设有测试平台53，在测试平台53上设有光电池51、光度计传感器52，光纤导光束22穿过测试暗箱5壁上的入射光孔54将光引入光电池51，光电池51两极由导线与电压/电流表4相连，光度计传感器52置于测试暗箱5中光电池51的位置；光度计传感器52与光度计主机7相接。氙灯光源1同时采用单色光和白光。光度计、电压\电流计通过数据采集接口与计算机相接，在windows系统下，编写操作与数据处理程序，实现测试自动化。

制造过程为：

1、氙灯的功率不小于1500W，工作电流可调，并有散热装置。发出的光经过低通的凹面镜的反射，滤除了大部分的红外光后，聚焦到耐高温的光纤导光束一端。

2、光栅单色仪的进光与出光端和光纤配套，并由计算机自动控制输出光波长，输出波长范围为200～1500nm，波长控制精度0.1nm。

3、测试暗箱的大小根据测试要求而定，用冷轧钢板制成，内部烤黑，密封不透光，内外壁间夹层以石棉为隔热层，采用PID温度控制系统，箱内温度可以从室温到80℃恒温控制。

4、光照强度采用经过标定的智能光功率计测量，带有GPIB控制接口，可以由计算机自动测量从单色仪入射的单色光的光强，光谱响应范围为400nm～1100nm，测量范围为1nW～1.000mW，光敏面积为2.00mm²。

5、高精度数字电压电流表电压量程为0～±12000.0mV，输入阻抗：＞10MΩ，非线性＜±0.002％F.S.，温度系数＜2ppm/℃；电流量程为0～±3.0000mA，等效取样电阻＜1Ω，非线性＜±0.002％F.S.，温度系数＜7ppm/℃。

6、将上述光源、单色仪、光纤导光束、测试暗箱、智能光功率计、高精度数字电压电流表、计算机控制系统按照附图结构连接装配成本光电性能综合测试仪。主要仪器规格与主要参数

1、光源：氙灯功率1500W；工作电流0～100A可调

2、光栅单色器：输出波长范围为200～1500nm，波长控制精度0.1nm

3、光度计：光谱响应范围为400nm～1100nm，测量范围为1nW～1.000mW，光敏面积为2.00mm²。

4、电压电流表：电压量程为0～±12000.0mV，输入阻抗：＞10MΩ，非线性＜±0.002％F.S.，温度系数＜2ppm/℃；电流量程为0～±3.0000mA，等效取样电阻＜1Q，非线性＜±0.002％F.S.，温度系数＜7ppm/℃。

Claims (4)

1、一种光电性能综合测试装置，包括光源、样品室、检测部分、控制部分，其特征在于该装置中氙灯光源(1)作为模拟太阳光源，光栅单色仪(3)与氙灯光源(1)间以光纤导光束(21)相连，光栅单色仪(3)与测试暗箱(5)以光纤导光束(22)相连；测试暗箱(5)中设有光电池(51)、光度计传感器(52)，光电池(51)的输出端接电压/电流表(4)，光度计传感器(52)的输出端接光度计主机(7)，光度计主机(7)、电压/电流表(4)的输出端通过数据采集接口与计算机(6)相接，原位测量照射在光电池(51)上的光强度。

2、根据权利要求1所述的光电性能综合测试装置，其特征在于在测试暗箱(5)中设有测试平台(53)，在测试平台(53)上设有光电池(51)、光度计传感器(52)，光纤导光束(22)穿过测试暗箱(5)壁上的入射光孔(54)将光引入光电池(51)，光电池(51)两极由导线与电压/电流表(4)相连，光度计传感器(52)置于测试暗箱(5)中光电池(51)的位置；光度计传感器(52)与光度计主机(7)相接。

3、根据权利要求1所述的光电性能综合测试装置，其特征在于氙灯光源(1)同时采用单色光和白光。

4、根据权利要求1或2所述的光电性能综合测试装置，其特征在于光纤导光束(22)的接口为长方形光纤接口，使光栅单色仪(3)的入射光和出射光能更有效的耦合。

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