DE102012022052A1

DE102012022052A1 - Optoelektronischer Sensor und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102012022052A1
Application number: DE201210022052
Authority: DE
Inventors: Joachim Jaus
Original assignee: BLACK PHOTON INSTR GmbH; Black Photon Instruments GmbH
Current assignee: BLACK PHOTON INSTR GmbH; Black Photon Instruments GmbH
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-05-15

Abstract

Sensoren die zur Detektion von Licht eine halbleiterbasierte Photozelle einsetzen weisen eine spektrale Abhängigkeit der Empfindlichkeit auf. Für Anwendungen, bei denen die Bestrahlungsstärke gemessen werden soll, ist hingegen eine konstante spektrale Empfindlichkeit vorteilhafter. Der erfindungsgemäße Sensor weist daher ein Filter auf, dessen Transmission umgekehrt proportional zur Photonenenergie ist sowie umgekehrt proportional zur Quanteneffizienz des Detektors. Hierdurch wird über einen weiten Spektralbereich die gewünschten Eigenschaft eines Detektors mit konstanter spektral Empfindlichkeit realisiert. Hierdurch lässt sich beispielsweise die Solarstrahlung, die ein ständig wechselndes Spektrum hat, besonders genau vermessen.

Description

Die Erfindung geht aus von einem optoelektronischen Sensor nach Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1, des nebengeordneten Anspruchs 8 und seiner Verwendung nach Patentanspruch 11.
Zur Messung der Bestrahlungsstärke können lichtempfindliche halbleiterbasierte Photozellen verwendet werden. Diese Photozellen erzeugen bei Bestrahlung mit Licht im Wellenlängenbereich von 200–5000 nm („Beleuchtung”) einen Strom, der proportional zur Bestrahlungsstärke ist, solange sich das Spektrum der Bestrahlung nicht verändert.
Zur Messung der Bestrahlungsstärke kann auch die Temperaturänderung gemessen werden, die an einem Prüfkörper durch die Absorption der auftreffenden Strahlungsenergie auftritt, z. B. durch die erzeugten Thermospannung mit Detektor-Elementen aus Bismut-Tellurid oder Bismut-Antimonid. Eine ausführliche Darstellung dieser Technologien am Beispiel der Messung von Solarstrahlung ist in der Veröffentlichung „Investigations in Pyranometer Design", D. J. Beaubien et al., JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND OCEANIC TECHNOLOGY, Vol 15, June 1998, pp. 677–686 gegeben. In diesem Dokument werden auch einige Nachteile dieser thermisch basierten Methoden beschrieben, insbesondere die Abhängigkeit der Messung von thermischer Umgebungsstrahlung, von der Temperatur des Messgeräts selbst, sowie die hohe Trägheit der Detektoren auf Einstrahlungsänderungen. Die Abhängigkeit des Messergebnisses von der thermischen Umgebungsstrahlung und der Eigentemperatur muss für präzise Messergebnisse durch gleichzeitigen Betrieb einer Referenzmessstelle und/oder spezielle Isolationsmaßnahmen reduziert werden.
Bekannt aus DE845716 ist eine Messvorrichtung zur Messung von Solarstrahlung. Hierbei wird zur Messung der Solarstrahlung ein thermisches Verfahren eingesetzt, in welchem die durch die solare Strahlung verursachte Temperaturänderung an einem absorbierenden Messkörper erfasst und daraus auf die Strahlung der Sonne geschlossen wird. Nachteilig ist der thermische Einfluss der Umgebungstemperatur, der durch den Erfindungsgegenstand dieses Patents zwar reduziert, jedoch nicht verhindert wird. Nachteilig ist weiter, dass zur Durchführung der Messung die Temperaturänderung des Messkörpers mit weiterer Sensorik genau erfasst werden muss.
Nach dem Stand der Technik sind auch halbleiterbasierte Methoden zur Messung von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Wellenlängenbereich der Solarstrahlung bekannt. In "Silicon-Photodiode Pyranometers: Operational Characteristics, Historical Experiences, and New Calibration Procedures" von David L. King und Daryl R. Myers, 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, September 29-October 3, 1997, Anaheim, California sind die Vor- und Nachteile dieser Sensoren im Vergleich zu den auf thermischen Prinzipien basierten Detektoren beschrieben. Als einer der gravierendsten Nachteile wird der Verlauf der spektralen Empfindlichkeit von Silizum, dem am häufigsten Eingesetzten Halbleiter, als Detektor genannt. Da jedes eintreffende Photon im Halbleiter nur in ein Elektron-Lochpaar umgewandelt werden kann, wird aus der hochenergetischen Bestrahlung des kurzwelligen Lichts pro Watt Bestrahlungsstärke ein geringerer Photostrom erzeugt als bei denen des langwelligeren Lichts. Dies für zu einer wellenlängenabhängigen spektralen Empfindlichkeit des Detektors.
Ein Nachteil der Solarstrahlungsmessung mit Halbleiterdetektoren ist der durch die spektrale Abhängigkeit der Detektorempfindlichkeit verursachte Messfehler bei Änderungen im Spektrum der Solarstrahlung. Das Spektrum der Solarstrahlung ändert sich je nach Sonnenstand, Aerosolgehalt, Wasserdampfkonzentration und Gehalt an Spurengasen wie CO2, Ozon etc. (Siehe z. B. Jaus et. al, „Generalized Spectral Performance Evaluation of Multijunction Solar Cells Using a Multicore, Parallelized Version of SMARTS", Proc. of 8th International Conference an Concentrator Photovoltaic Systems (CPV-8), April 16-18, 2012, Toledo, Spanien). Aufgrund der wellenlängenabhängigen Empfindlichkeit von halbleiterbasierten Strahlungssensoren ergeben sich daraus für Halbleitersensoren signifikante Messfehler. Aufgrund der ständigen Veränderung kann dieser Fehler auch nicht durch eine einmalige Kalibrierung, z. B. nach der Fertigung, korrigiert werden. Im Gegensatz hierzu haben Sensoren, die auf der thermischen Absorption an einer optisch schwarzen Fläche basieren, über einen großen Wellenlängenbereich (häufig ist hier besonders der Bereich 300 nm bis 1200 nm von Interesse) eine gleichmäßige Empfindlichkeit vorzuweisen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sensor für die Messung der Bestrahlungsstärke elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich 200 bis 4000 nm, insbesondere 400 bis 900 nm aufzuzeigen, der über den zu messenden Wellenlängenbereich eine möglichst konstante spektrale Empfindlichkeit aufweist. Gleichzeitig soll der Aufbau möglichst unempfindlich gegen Temperaturänderungen der Umgebung, sowie typische Außenmessbedingungen (Windeinflüsse, Regen, Luftfeuchtigkeit) sein.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 sowie im nebengeordneten Anspruch 8 gelöst.
Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil der spektral unabhängigen Detektionseigenschaften, vergleichbar mit den spektralen Eigenschaften eines thermischen Sensors. Gleichzeitig entfallen aber die Nachteile einesthermischen Messsystems wie die starke Abhängigkeit von der thermischen Umgebungsstrahlung und die hohe thermische Trägheit. Stattdessen können die Vorteile eines halbleiterbasierten Systems wie weitgehende Unabhängigkeit von der Umgebungstemperatur, die geringe Trägheit bei Änderung der Bestrahlungsstärke, der einfache Aufbau sowie die erhöhte Messempfindlichkeit realisiert werden.
Der einfache Aufbau sowie die erhöhte Messempfindlichkeit kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, der für die Linderung des Klimawandels dringend notwendigen breiten Anwendung der Solarenergie ein kostengünstiges und robustes Messinstrument zur Messung der Solarstrahlungsressource zur Verfügung zu stellen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale und Ausführungsformen sind Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Sensors möglich.
Eine Ausführungsform sieht vor, den Halbleiterchip des Detektors in einem hermetisch geschlossenen Metallgehäuse zu montieren, welches eine Füllung von über 90% reinem Stickstoff, Helium oder Argon, ein eingeschmolzenes oder eingelötetes Eintrittsfenster sowie eine Nickel und/oder Titan enthaltende Diffusionsbarriereschicht aufweist. Durch das Metallgehäuse kann das Halbleitermaterial zuverlässig vor Umgebungseinflüssen geschützt werden. Durch das eingelötete oder eingeschmolzene Eintrittsfenster kann Licht in das Metallgehäuse treten, gleichzeitig wird das Eindringen von Feuchtigkeit an der Übergangsstelle Metall/Fenster verhindert. Durch das Aufbringen einer Nickel und/oder Titan enthaltenden Barriereschicht kann eine Diffusion von Metallatomen zwischen der Halbleitermetalisierungsschicht und dem Metallgehäuse vermieden werden, die sonst eine nachteilige Veränderung der Materialeigenschaften nach sich ziehen könnte.
Eine Ausführungsform sieht vor, das Filterelement innerhalb des hermetisch geschlossenen Gehäuses zu montieren, wobei die Transmissionsrichtung des Filters orthogonal zur Fläche des Halbleiterchips verläuft. Hierdurch kann das Filterelement dicht am Halbleiterelement platziert werden, wodurch sich bei minimaler Filterfläche ein großer Winkelbereich des Sensors abdecken lässt. Außerdem ist das Filterelement im hermetisch geschlossenen Gehäuse besonders gut vor Umgebungseinflüssen geschützt.
Bei allen bisher genannten Ausführungsformen wurde von einem Transmissionsfilter ausgegangen. Das Funktionsprinzip lässt sich jedoch auch mit einem spiegelnden Filterelement erzielen, wobei alle Verwendungen des Begriffs „Transmission” durch „Reflektion” ersetzt werden müssen.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Filter einen Teil der Photozelle selbst bildet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Filter einen Teil der Antireflexschicht des Halbleiterdetektors bildet. Ein bedeutender Vorteil dieser Ausführungsform ist es, das zwei Funktionen in einem Element realisiert werden können. Hierdurch reduzieren sich der Gesamtaufwand zur Herstellung sowie die Fehlermöglichkeiten im Herstellungsprozess. Vorteilhaft ist außerdem, dass hierdurch die Filterschicht auf allen Sensorchips eines Wafers gleichzeitig aufgebracht werden kann und so eine sehr günstige Herstellung ermöglicht wird.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Filter mehrere Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindices aufweist, welche zusammengenommen die Funktion eines optischen Interferenzfilters haben.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass sich vor dem Filter eine Diffusorvorrichtung befindet, die es ermöglicht, Licht aus allen Raumrichtungen einer über der Filteroberfläche gebildeten Hemisphäre auf den Detektor zu lenken. Vorteilhafter Weise besteht diese Diffusorvorrichtung aus einer Ulbrichtkugel.
Eine unabhängige Ausführungsform sieht vor, dass das zur Bestrahlungsstärke proportionale Ausgangssignal durch die Kombination der Messergebnisse von mindestens zwei Teilsensoren erzielt wird. Dabei sind die Sensoren in unterschiedlichen Spektralbereichen empfindlich. Die jeweils gemessenen Signale werden in einer Auswerteelektronik miteinander so kombiniert, dass ihr Beitrag zum Gesamtsignal entsprechend der Filterkurve aus Anspruch 1 berechnet wird.
Eine Ausführungsform zur Messung von Solarstrahlung sieht vor, mit einer beweglichen Schattierungsvorrichtung das Detektorelement periodisch oder dauerhaft von der direkten Sonnenstrahlung abzuschatten. Hierdurch kann zwischen einem direkten und einem diffusen Anteil der Solarstrahlung unterschieden werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
1 einen typischen Verlauf der externen Quanteneffizienz sowie der spektralen Empfindlichkeit einer Photozelle aus Silizium Halbleitermaterial,
2 den Verlauf der Filtertransmission nach Anspruch 1,
3 einen schematischen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors,
4 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement, bei dem der Filter zusammen mit der Antireflexschicht direkt auf dem Halbleitersubstrat und den dotierten Schichten aufgebracht wurde,
5 einen vereinfachten schematischen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors, bei dem ein Kollimatorrohr das Auftreffen von diffusem Licht auf den Detektor weitgehend verhindert,
6 einen vereinfachten schematischen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel, das über eine Ulbrichtkugel zur Diffusstrahlungserfassung aus der vollen Hemisphäre verfügt,
7 den Verlauf der Filtertransmission, wobei ein Array von optoelektronischen Sensoren und Filtern zur näherungsweisen Realisierung der erfindungsgemäßen Transmissionskennlinie verwendet wird.
1 zeigt den typischen spektralen Verlauf der externen Quanteneffizienz (EQE) sowie der spektralen Empfindlichkeit (SR) einer Photozelle aus Silizium Halbleitermaterial. Die Quanteneffizienz gibt an, welcher Prozentsatz der eintreffenden Photonen zur Photostromerzeugung beitragen und somit nicht durch Reflektion an der Oberfläche, Transmission durch die Zelle oder Verlustmechanismen im Halbleiter „verloren” gehen. Zur Umrechnung der Quanteneffizienz in den tatsächlich erzeugten Photostrom (gemessen in A) ist die Berechnung der Photonenenergie E nach der Gleichung E = h·c/λ notwendig, mit λ = Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, c = Lichtgeschwindigkeit ((physikalische Konstante), h = Planksches Wirkungsquantum (physikalische Konstante). Nach Umrechnung erhält man hieraus aus der Literatur die Gleichung EQE(λ) = h·c/(q·λ)·SR(λ) mit q = Elementarladung und λ = Wellenlänge in Metern.
Aus 1 ergibt sich das folgende spektrale Verhalten einer halbleiterbasierten Photozelle: Für sehr kleine Wellenlängen (z. B. λ = 300 nm) wird die Energie eines einzelnen Lichtteilchens (Photons) sehr groß, sodass eine bestimmte Beleuchtungsstärke (gemessen in W/m²) schon mit einem Strom an Photonen erzielt wird. Da in einem Photoelement pro Photon mit der aus der EQE ablesbaren Wahrscheinlichkeit ein Elektron-Lochpaar erzeugt wird, erzeugt ein Sensor gegebener Fläche F (gemessen in m²) bei kleinen Wellenlängen einen kleinen Photostrom (gemessen in Ampere A). Hinzu kommen für Wellenlängen kleiner 400 nm häufig Absorptionseffekte in den Antireflex und Fensterschichten einer Photozelle. Mit steigender Wellenlänge steigt auch er Photostrom einer Photozelle an, wie in 1 gut zu erkennen ist. Bei großen Wellenlängen haben die einzelnen Photonen nur noch eine kleine Energie, welche um die sogenannte Bandkantenenergie nicht mehr genug Energie haben, um Elektronen-Lochpaare zu erzeugen, die die Bandkante des Halbleiters überwinden können. Der Photostrom sinkt auf dann auf null. Für Silizium liegt diese Bandkantenenergie bei einer Photonenwellenlänge von 1100 nm (Wellenlänge und Photonenenergie sind hier wie oben beschrieben verknüpft). Aufgrund verschiedener Effekte (z. B. Thermische Grundenergie der Elektronen, Gitterschwingung, Auffächerung der Zustandsniveaus) erfolgt der Übergang jedoch nicht abrupt, sondern erstreckt sich z. B. bei Silizium über einen Bereich von ca. 940 bis 1200 nm. Dieser Bereich des spektralen Empfindlichkeitsverlaufs kann in 1 durch das Absinken der EQE SR auf null innerhalb eines Wellenlängenintervalls von ca. 200 μm beobachtet werden.
2. zeigt den Verlauf der Filtertransmission nach Anspruch 1. In diesem Verlauf können 3 Bereiche unterschieden werden. Die Wellenlängenbereiche hängen dabei vom verwendeten Halbleitermaterial der Photozelle ab, d. h. das Filterelement ist immer im Zusammenhang mit der darunter liegenden Photozelle zu sehen. Dies gilt für alle Ansprüche und Beschreibungen dieser Anmeldung. Beispielhaft ist in dieser Abbildung das Halbleitermaterial Silizium zugrunde gelegt. 2 weist einen zentralen Bereich 1 auf. In diesem Bereich verläuft die erfindungsgemäße Filtertransmission proportional zur Photonenenergie sowie umgekehrt proportional zur externen Quanteneffizienz der Photozelle die als Detektor verwendet wird. Hierdurch wird erreicht, dass der Photostrom der Photozelle direkt proportional zur Bestrahlungsstärke ist. Der Bereich 2 ist dadurch abgegrenzt, dass hier Temperatureffekte eine Veränderung der Bandlücke des in der Photozelle verwendeten Halbleitermaterials verursachen. Dieser Bereich beginnt bei typischen Silizium-Zellen bei ca. 940 nm. Mit höherer Temperatur herrscht hier eine höhere Gitterschwingung vor, sodass mehr Elektronen-Lochpaare erzeugt werden, die die Bandkannte überspringen könne. Dieses Wissen um die Zusammenhänge kann ausgenutzt werden, um durch ein Ausblenden dieses Bereiches aus der Messung der Bestrahlungsstärke eine besonders niedrige Temperaturabhängigkeit des Messsignals zu erreichen. Zur Verringerung von Temperatureffekten ist daher ein schnelles Absinken der Transmission des Filters zu Beginn dieses Bereichs vorteilhaft. Als Vorteilhaft erweist sich dabei für das, dass Bereich 2 bei einer Wellenlänge von 250 bis 400 nm vor der Bandlücken-Wellenlänge (bei Silizium ca. 1100 nm) beginnt und die Filtertransmission innerhalb eines Intervalls von 200 nm, vorteilhafterweise von 50 nm unter 1/20 ihres Maximalwerts abfällt. Bereich 3 wird dadurch abgegrenzt, dass die spektrale Empfindlichkeit der Photozelle, die zusammen mit dem Filter verwendet wird, hier weniger als 90% des Maximalwerts beträgt. In diesem Bereich weist der dargestellte Filter eine abnehme Empfindlichkeit auf. Dieser Bereich ist aber aufgrund der niedrigen spektralen Empfindlichkeit nicht wesentlich entscheidend für die Funktion des erfindungsgemäßen Sensors und kann daher einen unbestimmten Verlauf einnehmen, sodass hier ein Spielraum in der Design- und Fertigungsphase besteht. Dieser Spielraum ist vorteilhaft, da jede Optimierung des Filterdesigns oder der Fertigungstechnik für einen bestimmten Wellenlängenbereich sich häufig auch auf alle anderen Wellenlängenbereiche auswirkt. Bereich 3 dient hier als Puffer, sodass sich der für die Funktionalität besonders kritische Bereich 1 optimal auslegen und herstellen lässt.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors. Hierbei befindet sich der Filter 1 im Innern eines hermetisch geschlossenen Gehäuses 9. Der Filter 1 ist zweiteilig aufgebaut: Eine Filterbeschichtung 3 ist auf einem flächigen Substrat 2 aufgebracht. Als Substrat eignen sich hier vor allem Quarzglas Borosilikate, sowie eisenarme Kalk-Natrongläser. Die Filterbeschichtung ist vorzugsweise als Interferenzfilter ausgeführt, wobei mehrere dünne Schichten mit Schichtdicken zwischen 10 und 1000 nm mit unterschiedlichem Brechungsindex die gewünschte Filterwirkung erzielen. Als Schichtmaterialien kommen vorzugsweise MgF₂, SiO_x, TiO₂, SiN_x zum Einsatz, Die Brechungsindizes und Schichtdicken lassen sich dabei vom Fachmann mit handelsüblichen Programmen zur Simulation von optischen Interferenzfiltern berechnen, z. B. mit der Simulations-Software OpenFilters (Beschreibung in S. Larouche et al.: „OpenFilters: open-source software for the design, optimization, and synthesis of optical filters", Applied Optics, Vol. 47, Issue 13, pp. C219–C230, 2008). Das hermetisch geschlossene Gehäuse 9 weist eine Fensteröffnung 7 auf, durch die Licht durch das ansonsten lichtdichte Gehäuse treten kann. Das Gehäuse 9 ist mit Stickstoff sowie einer geringen Menge Helium gefüllt, die eine einfache Leckdetektion über einen Helium-Lecktester ermöglicht. Über dem Filter 1 ist eine Blende 8 angebracht. Diese ist so dimensioniert, dass sie einen Teil der Filterfläche verdeckt und so die Bestrahlung des Randbereichs des Filters verhindert. Hierdurch kann unerwünschte Streulichtbildung an den Filterwänden vermieden werden. Das Licht trifft nach Durchtritt durch die Fensteröffnung 7 und den Interferenzfilter 1 auf die Photozelle 4. Diese weist neben dem lichtempfindlichen Bereich 17 auch einen Vorderseiten-Kontaktbereich 6 auf. Von diesem wird der erzeugte Photostrom über einen Bonddraht 13 zum Signal-Pin 12 geleitet. Dieser führt durch das hermetische Gehäuse 9 durch, wobei durch eine hermetisch dichte keramische Isolierung 18 der elektrische Kontaktschluss zum Gehäuse 9 verhindert wird. Das Gehäuse 9 selbst dient als Masseverbindung zum Rückseitenkontakt 16 der Photozelle 4, wobei zur Verbesserung der Kontakteigenschaften das Gehäuse 9 auf der der Solarzellenrückseite zugewandten Seite mit einer Nickel-Gold Beschichtung 19 versehen ist. Das Gehäuse 9 weist einen elektrisch verbundenen Masse-Pin 11 auf, über den in Verbindung mit Signal-Pin 12 die elektrische Kontaktierung des Sensors erfolgt. Durch die Größe, Position und Abstand vom lichtempfindlichen Bereich 17 und von Blende 4 wird der Akzeptanzwinkel definiert, der in der Abbildung durch die beiden Randstrahlen 14 und 15 gekennzeichnet wird. Dabei wurde zur Vereinfachung der Darstellungsweise der Weg durch die Fenster und Filterschichten als gerader Weg eingezeichnet, wobei der Fachmann durch Anwendung der Fresnell'schen Beugungsgesetze anhand des Brechungsindex der eingesetzten Materialien einfach den tatsächlichen weg der Strahlen bestimmen kann. Durch die Wahl der Blendenöffnung, des Abstands zur Photozelle und dem Abstand der Blende zur Photozelle lässt sich damit der maximale Filtergrenzwinkel festlegen, unter dem Lichtstrahlen durch den Filter 2 treten bevor sie auf die Photozelle 4 treffen. Der Filtergrenzwinkel ist durch Grenzstrahlen 14 und 15 definiert und lässt sich durch einfache trigonometrische Berechnung aus der Blendenöffnung, dem Abstand Blende-Photozelle und dem maximalen Querschnitt der Photozelle ableiten. Gleichzeitig sinkt jedoch mit Einschränkung des Filtergrenzwinkels die zur Verfügung stehende Lichtmenge. Für eine Ausführung des Filters 2 als Interferenzfilter erweist sich eine Wahl des Filtergrenzwinkels aus dem Intervall 2...40°, besser aus dem Intervall 5°...20° als vorteilhaft.
4 zeigt eine spezielle Ausführung der Fotozelle 4. Hierbei besteht die Photozelle aus einer Rückseitenkontaktschicht 5, einem n-dotierten Halbleiterschicht 22 sowie einem p-dotierten Halbleiterschicht 21, wobei die Halbleiterschicht hier aus Silizium besteht. Anstatt Silizium zu verwenden, kann es auch von Vorteil sein, Verbindungshalbleiter, insbesondere Arsenide, Phosphide, Nitride oder Antimonide zu verwenden. Hierdurch lässt sich der spektrale Bereich, in dem Messungen mit der erfindungsgemäßen Sensortechnologie durchgeführt werden, ausgedehnt und er Halbleiter optimal auf den zu messenden Wellenlängenbereich abgestimmt werden. Da alle Halbleiter im Vergleich zu Luft einen hohen Brechungsindex n für Licht aufweisen (z. B. n = 3.5 für Silizium, n = 1.0 für Luft), ist die Photozelle mit einer Antireflexschicht 20 ausgestattet, der die durch den Brechungsindexsprung verursachten Reflexionen verringert. Eine Antireflexschicht besteht bei konventionellen Photozellen nach dem Stand der Technik häufig aus einer Filterschicht, deren Brechungsindex und Schichtdicke so ausgelegt sind, dass der optische Weg für gespiegelte Strahlen gleich der halben Wellenlänge des eingestrahlten Lichts ist. Hierdurch löschen sich die reflektierte und die eingestrahlt Welle für senkrechte Einstrahlung durch Interferenz genau aus, eine Reflexion wird verhindert. Erfindungsgemäß wird nun dieses Schichtsystem so angepasst, dass es neben der Antireflex-Wirkung gleichzeitig die gewünschten Filtereigenschaften ähnlich 2 aufweist (AR + F). Die Filterbeschichtung wird dabei vorzugsweise als Interferenzfilter ausgeführt, wobei mehrere dünne Schichten mit Schichtdicken zwischen 20 und 1000 nm mit unterschiedlichem Brechungsindex die Filterwirkung nach Anspruch 1, 2 oder 6 erzielen. Die erfindungsgemäße Photozelle weist einen Vorderseitenkontakt 6 auf, der in Verbindung mit dem Rückseitenkontakt 5 die elektrische Kontaktierung der Photozelle ermöglicht. Da die Schichtmaterialien der Antireflex- und Filterschicht 20 elektrisch isolierend wirken, weist diese Schicht im Bereich der Vorderseitenkontakte Freistellungen auf.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors. Der dargestellte Sensor ermöglicht es, eng kollimiertes Licht (z. B. das direkte Sonnenlicht) unter Ausblendung von Streulicht, zu vermessen. Hierzu verfügt der erfindungsgemäße Sensoraufbau über eine Kollimatorvorrichtung 41, die nur Licht unter dem Winkel definiert durch die beiden Randstrahlen 45 und 46 durch den Filter 1 auf die Photozelle 4 fallen lässt. Hierzu ist in einem Tubusrohr 42 eine Eintrittsblende 43 eingebaut, deren Durchmesser den Winkelbereich bestimmt, aus dem Strahlung detektiert werden kann. Weiter ist eine Streulicht-Blende 44 vorhanden, die den Einfluss von Strahlung außerhalb des gewünschten Einfallswinkelbereichs auf das Messergebnis verringert. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Filter 1 außerhalb des hermetisch geschlossenen Gehäuses 9 eingebaut. Der Sensor verfügt über ein Sensorgehäuse 47, das wasserdicht aufgebaut ist. In ihm ist der Filter 1 montiert, außerdem ist eine Verstärkerelektronik 48 zur Verstärkung des Stromsignals der Photozelle 4 eingebaut. Die Kollimatorvorrichtung 41 ist ebenfalls mit dem Gehäuse 47 verbunden. Das Gehäuse 47 weist im Bereich des Strahlungsdurchtritts einen transparenten Bereich 49 auf, der übrige Teil des Gehäuses ist aus opakem Material.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors, der speziell für die Messung von Sonnenlicht ausgelegt ist. Der dargestellte Sensor ermöglicht es, Licht über einen sehr großen Winkelbereich von bis zu 180°, definiert durch die Randstrahlen 73 und 74, zu erfassen. Hierzu verfügt er über eine Ulbrichtkugel 62, die eine kreisförmige Eintrittsöffnung 75 aufweist. Die Ulbrichtkugel weist eine stark diffus-reflektierende Oberfläche aus und ist hierzu mit einer Beschichtung enthaltend Titanoxid-Partikel oder Bariumsulfat-Partikel versehen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Fertigung der gesamten Ulbrichtkugel 62 aus gesintertem Teflon. Die in der Ulbrichtkugel 62 intern diffus reflektierte Strahlung tritt durch die Austrittsöffnung 66 durch den Filter 1 auf die Photozelle 4. Durch den Abstand zwischen Photozelle 4 und Austrittsöffnung 66, die Abmessungen der Photozelle 4 sowie der Austrittsöffnung 66 ergeben sich die Randstrahlen 64 und 65, die den Winkelbereich der von der Photozelle detektierbaren Strahlung eingrenzen. Die Photozelle 4 sowie der Filter 1 befinden sich in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse 9. Das von der Photozelle erzeugte Signal wird von einem Verstärker 68 verstärkt. Der Detektoraufbau wird von einem Gehäuse 69 umschlossen, das im Bereich der Eintrittsöffnung 75 eine domförmige transparente Kuppel 61 aufweist, durch die die zu detektierende Strahlung einfallen kann. Durch die domartige Form wird erreicht, dass auch bei flachen Einstrahlwinkeln nur geringe Fresnel-Reflektionen an der Oberfläche stattfinden. Zur Vermeidung einer direkten Beleuchtung der Austrittsöffnung 66 ist in der Ulbrichtkugel 62 eine Blende 63 angebracht, die den direkten Lichtweg von Eintrittsöffnung 75 zu Austrittsöffnung 66 blockiert. Eine Schattierungsvorrichtung 71 ermöglicht es, direktes Sonnenlicht von diffusem Sonnenlicht zu unterscheiden. Die Schattierungsvorrichtung 72 ist dabei als ein schmales Band ausgeführt mit der doppelten Größe der Eintrittsöffnung 75 und wird von einem Motor 72 angetrieben. Durch eine Bewegung des Motors 72 kann so die Schattierungsvorrichtung in einem Halbkreis um die Eintrittsöffnung bewegt werden, wodurch sich Messungen im schattierten Zustand, im nicht schattierten Zustand sowie in beliebigen Teilschattierungen durchführen lassen. Hierdurch lässt sich der direkte Anteil der Sonnenstrahlung vom diffus einstrahlenden Teil trennen, außerdem lassen sich Informationen über die Helligkeitsverteilung am Himmel, insbesondere zum Rückschluss auf den Anteil der Circumsolarstrahlung, gewinnen. Möglich ist auch der Einsatz einer Kugel oder einer Scheibe, die durch eine Nachführeinheit so über dem Sensor gehalten wird, dass sie das direkte Sonnenlicht periodisch oder auch dauerhaft abschattet, sodass der Sensor periodisch oder dauerhaft das diffuse Sonnenlicht messen kann, das aus dem nicht abgeschatteten Winkelbereich kommt.
7 zeigt den Verlauf von Filtertransmissionen eines Sensors gemäß Anspruch 8. Hierbei ist die ideale Transmission, die sich für einen Detektor mit EQE = 100% über den gesamten zu detektierenden Wellenlängenbereich ergibt, nach T(λ) = a·h·c/λ berechnet und als gestrichelte Linie eingezeichnet. Der Skalierungsfaktor a wird dabei vom Fachmann so gewählt, dass sich innerhalb des zu messenden Wellenlängenintervalls in der Filterherstellung realistisch zu erzielende Transmissionswerte ergeben. Je größer jedoch der Wellenlängenbereich ist, über der die eine Filtertransmission genau berechnet und hergestellt werden muss, desto komplexer wird die Fertigung und Herstellung. Weiter sinkt bei der Filterberechnung mit zunehmender Breite des Auslegungs-Wellenlängenbereichs die mögliche Toleranz gegen nicht-senkrechten Einfall des Lichts. 7 zeigt hier nun eine Realisierungsmöglichkeit, bei der die Idee der Filterkennlinie durch Abschnittsweise Näherung erzielt wird. Die einzelnen Filter können eine normale Bandpasscharakteristik mit gaußförmigem Verlauf wie Filter 1 und Filter 3 aufweisen, oder idealerweise eine Transmission gemäß Anspruch 1 wie in Filter 2 dargestellt. Die Transmissionsmaxima der einzelnen Filter werden so hoch wie technologisch möglich gewählt. Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte hohe Lichttransmission und damit verbunden eine rauscharme Detektion des Lichts durch die Photozelle. Zur Messung des durch die Filter tretenden Lichts wird dabei jeweils eine Photozelle eingesetzt. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, für den jeweiligen Wellenlängenbereich der Filter optimal geeignete Halbleitermaterialien einzusetzen. Zur erfindungsgemäßen Berechnung des Messergebnisses der Bestrahlungsstärkemessung werden nun die Photoströme der einzelnen Photozellen miteinander gewichtet addiert. Ziel der gewichteten Addition ist es, die Teilströme entsprechend ihrem Beitrag zur Bestrahlungsstärke zu gewichten. Wie aus der idealen Transmission erkennbar ist, haben Ströme aus dem längeren Wellenlängenbereich aufgrund der kleineren Photonenenergie eine geringere Gewichtung. Außerdem wird die Gewichtung entsprechend der Quanteneffizienz angepasst. Der Gewichtungsfaktor f berechnet sich vorteilhafter Weise als Wellenlängenintegral über das Produkt aus (i) Photonenenergie h·c/λ (ii) dem Kehrwert der Filtertransmission und (iii) dem Kehrwert der EQE der entsprechenden Photozelle. Um zu verhindern, dass die Gewichtung eines Sensors aufgrund niedriger EQE übermäßig erhöht wird, wird als Integrationsgrenzen vorteilhafter Weise nur der Bereich verwendet, in dem sowohl die Filtertransmission als auch die EQE größer als 30% ihres jeweiligen Maximalwerts sind. Das in 7 vorgestellte Ausführungsbeispiel lässt sich erweitern auf ein Array, das Strahlung über ein großen Wellenlängenbereich 200 bis 2200 nm erfassen kann. Hierzu werden in diesem Ausführungsbeispiel als Photozellen die Halbleiter SiC für UV-Strahlung im Bereich 200 bis 350 nm, GaInP für Strahlung im Bereich 350 nm bis 700 nm, Silizium im Bereich 700 bis 940 nm, Germanium im Bereich 940 bis 1400 nm, sowie InGaAs im Bereich 1400 bis 2200 nm. Zu jeder Fotozelle werden Interferenzfilter berechnet und gefertigt, die innerhalb des jeweiligen Wellenlängenbereichs eine Filtertransmission entsprechend Anspruch 1 oder 2 haben. Durch die kleine Intervallgröße lassen sich die Filter mit wenigen Interferenzschichten (< 100) und für einen großen Winkelbereich auslegen und fertigen (größer als 10° Vollwinkel). Durch die gewichtete Addition mit einem Gewichtungsfaktor f wie oben beschrieben lassen sich die Einzelsignale zu einem Gesamtsignal zusammenfügen, das die in der Aufgabenstellung beschriebene hohe Gleichmäßigkeit der spektralen Empfindlichkeit aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 845716 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Investigations in Pyranometer Design”, D. J. Beaubien et al., JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND OCEANIC TECHNOLOGY, Vol 15, June 1998, pp. 677–686 [0003]
”Silicon-Photodiode Pyranometers: Operational Characteristics, Historical Experiences, and New Calibration Procedures” von David L. King und Daryl R. Myers, 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, September 29-October 3, 1997, Anaheim, California [0005]
Jaus et. al, „Generalized Spectral Performance Evaluation of Multijunction Solar Cells Using a Multicore, Parallelized Version of SMARTS”, Proc. of 8th International Conference an Concentrator Photovoltaic Systems (CPV-8), April 16-18, 2012, Toledo, Spanien [0006]
S. Larouche et al.: „OpenFilters: open-source software for the design, optimization, and synthesis of optical filters”, Applied Optics, Vol. 47, Issue 13, pp. C219–C230, 2008 [0031]

Claims

Optoelektronischer Sensor, der eine lichtempfindliche Photozelle sowie einen optischen Filter enthält, wobei der Filter eine Transmissionscharakteristik aufweist, die über einen Wellenlängenbereich von mindestens 20 nm proportional zur Photonenenergie sowie umgekehrt proportional zur externen Quanteneffizienz der Photozelle ist, wobei die externe Quanteneffizienz der Photozelle innerhalb dieses Wellenlängenbereichs überwiegend größer als 10% ihres Maximalwerts ist.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Transmission des Filters einen ersten Bereich aufweist, in dem die Transmissionscharakteristik von Anspruch 1 vorliegt, sowie einen zweiten Bereich, in dem die Transmission unter 20% des Maximalwerts im ersten Bereich liegt, wobei der zweite Bereich in einem höheren Wellenlängenbereich liegt als der erste, der zweite Beriech sich nicht mit dem ersten Bereich überschneidet und der zweite Bereich 50 bis 400 nm vor der der Bandlückenenergie entsprechenden Wellenlänge des zusammen mit dem Filterverwendeten Halbleiters beginnt.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der optische Filter mehrere Schichten mit unterschiedlichem Brechungsindex aufweist, die zusammengenommen die Funktion eines optischen Interferenzfilters haben.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Photoelement in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse befindet, das überwiegend aus Metall besteht sowie ein für die zu messende Strahlung transparentes Fenster aufweist, eine Gasfüllung bestehend zu über 90% aus den Edelgasen Stickstoff, Helium und Argon, sowie eine Nickel und/oder Titan enthaltende Diffusionsbarriere aufweist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement innerhalb des hermetisch geschlossenen Gehäuses angeordnet ist, wobei die Transmissionsrichtung des Filters orthogonal zur aktiven Fläche der Photozelle verläuft und der Abstand zwischen Filter und Photozelle nicht kleiner als 10 μm und nicht größer als 40 mm ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter ein Teil der Photozelle selbst bildet. Die Filterung des Lichts wird hierbei durch Filterschichten erreicht, die auf der dem Licht zugewandten Seite der Photozelle aufgebracht sind.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Blende im Lichtweg verhindert wird, dass der Randbereich des Filters beleuchtet wird.
Optoelektronischer Sensor, der mehrere lichtempfindliche Photozellen sowie dazu gehörende optische Bandpassfilter enthält, wobei das Messergebnis des Sensors durch eine gewichtete Addition der Photoströme der einzelnen Photozellen gebildet wird, wobei in den Gewichtungsfaktor die Photonenenergie sowie der Kehrwert der Quanteneffizienz der Photozelle sowie der Kehrwert der Filtertransmission des jeweiligen Bandpassbereichs eingehen.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollimatorvorrichtung den Akzeptanzbereich des Sensors auf einen Raumwinkelbereich kleiner 10° einschränkt.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich vor dem Filter eine Diffusorvorrichtung befindet, die es ermöglicht, Strahlung über einen Raumwinkelbereich mit einem Öffnungshalbwinkel von > 60° zu detektieren, wobei die Diffusorvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie über eine kreisförmige Eintrittsöffnung verfügt, deren Rand plan auf einer Ebene liegt, sowie über eine Austrittsöffnung verfügt in der die Photozelle montiert ist, wobei gleichzeitig durch ein geeignetes Verhältnis von beleuchteter Photozellfläche und Abstand zur Austrittsöffnung der Diffusorvorrichtung nur Strahlen mit einem Halbwinkel geringer als 60°, vorteilhafterweise geringer als 20° detektiert werden.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er für die Vermessung von Solarstrahlung verwendet wird.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor über eine Schattierungsvorrichtung verfügt, die periodisch oder kontinuierlich das direkte Sonnenlicht abschattet, sodass der Sensor periodisch oder kontinuierlich das diffuse Sonnenlicht messen kann.