ES2365002B2 - Sitema para el mapeo de la eficiencia de superficies fotovoltaicas bajo condiciones de irradiación solar. - Google Patents

Abstract

Sistema para el mapeo de la eficiencia de superficies fotovoltaicas bajo condiciones de irradiación solar.#Permite obtener imágenes de eficiencia fotoconversora de superficies fotovoltaicas, con alta resolución espacial y bajo condiciones de irradiación semejantes a radiación solar.#Se basa en el barrido sistemático de la superficie activa a estudiar con un haz de fotones, -monocromático, altamente focalizado y con una distribución gaussiana de la energía-, al tiempo que se mide la corriente eléctrica generada. La representación de la corriente generada en función de la posición de incidencia del haz fotónico genera un mapa de eficiencias fotoconversoras. Para excitar la superficie activa bajo condiciones asimilables a la irradiación solar, se utilizan tres láseres como fuentes de excitación, que emiten en las zonas roja, verde y azul del espectro electromagnético.#Es de aplicación en el estudio de dispositivos fotovoltaicos.

Description

Sistema y procedimiento para el mapeo de la eficiencia de superficies fotovoltaicas bajo condiciones de irradiación solar.

Sector industrial

Industria foto-electrónica, foto-óptica y fotovoltaica.

Generalidades

Cuando un dispositivo con una superficie fotoactiva es irradiado por un haz de fotones, una parte de los fotones incidentes son absorbidos por el dispositivo, otra parte son trasmitidos a su través y otra parte son reflejados bien especular o bien difusamente. A su vez, de los fotones que son absorbidos una parte da lugar a la generación de calor y otra parte genera una transformación de las propiedades electrónicas foto-dependientes del material, dando lugar a lo que se denominan procesos fotoconversores. Estas propiedades foto-dependientes pueden ser caracterizadas eléctricamente tanto si son de tipo activo (p.e. fotovoltaje) como si lo son de tipo pasivo (p.e. fotoconducción).

Si la superficie activa presenta unas propiedades fotoconversoras heterogéneas, la irradiación selectiva de dicha superficie con un haz de fotones de intensidad constante, dará lugar a diferentes valores de las propiedades eléctricas foto-dependientes lo que permite la caracterización de la homogeneidad, pureza y eficacia conversora de la superficie activa del material. La medida regular y estructurada de porciones superficiales contiguas, formando un patrón matricial bidimensional, permitirá la elaboración de un mapa de las características fotoconversoras de la superficie cubierta en el barrido. De esta forma, el haz de fotones se convierte en una sonda indicadora de las propiedades de fotoconversión.

Cuanto más pequeña sea la superficie irradiada por el haz de fotones, es decir, cuanto menor sea el tamaño del haz incidente sobre la superficie activa, tanto más pequeñas serán las heterogeneidades que es posible detectar y mejor será la resolución espacial con la que pueden confeccionarse los mapas de características superficiales. Es por ello que una óptima focalización puntual del haz de fotones incidentes es la condición imprescindible para la confección de mapas de alta resolución.

La utilización de láseres como fuentes de irradiación es una solución muy adecuada ya que debido a su emisión altamente monocromática, en forma de haz paralelo con una mínima divergencia y con una distribución gaussiana de la potencia en el modo TEM00 permite su focalización con una alta eficiencia y de acuerdo con patrones matemáticos. Sin embargo, la utilización de radiación monocromática implica que los mapas característicos obtenidos son representativos únicamente del comportamiento del sistema frente a la longitud de onda de dicha radiación. Pero si la misma región superficial es estudiada mediante in sistema de irradiación policromático que abarque la zona del espectro visible, es posible elaborar mapas del comportamiento del material activo en una situación de iluminación equivalente a luz blanca. El sistema mínimo que proporciona esta información es un modelo de irradiación tricromático rojo-verdeazul, con el cual es posible la elaboración de mapas característicos asociados a la longitud de onda de cada color (λR, λVy λA) y, por una combinación adecuada de ellos, elaborar mapas del comportamiento del material activo en una situación de iluminación aproximada a la luz blanca. Para ello es preciso evaluar dicho comportamiento considerando la intensidad de irradiación relativa de cada una de las tres longitudes de onda que generan una luz semejante a la radiación solar. Esta metodología de trabajo es imprescindible ya que no existe ninguna fuente de luz blanca que cumpla las especificaciones de una emisión láser, especificaciones que son necesarias para la obtención de mapas de eficiencia fotoconversora de alta resolución. Este razonamiento es posible extenderlo a más de tres longitudes de onda, siempre y cuando se utilicen al menos una longitud de onda asociada a cada uno de los tres colores primarios (rojo, verde y azul).

Estado de la técnica

En la actualidad, son muchos los dispositivos diseñados y construidos de forma que se genera una respuesta eléctrica en función de la luz que incide sobre ellos. Entre estos dispositivos debemos destacar: (a) las células solares, en cualquiera de sus modalidades, cuya función es la conversión de la radiación solar en electricidad y (b) los fotodetectores para medida de irradiación con superficie extensa, entendiendo por tal la que supera 0.25 mm2.

El proceso tecnológico para la fabricación de estos dispositivos suele ser bastante complejo. En cualquiera de los casos el proceso comprende múltiples etapas, tales como la deposición, adsorción, absorción de materiales, productos

o elementos químicos o la abrasión mediante tratamientos químicos y/o físicos, cuya calidad de aplicación afecta al comportamiento de la superficie fotoactiva final del dispositivo. La falta de homogeneidad espacial en alguno de estos procesos es la causa más común de que el dispositivo presente inhomogeneidades superficiales en su rendimiento. Así, a modo de ejemplo, si describimos un típico proceso de fabricación de una célula solar basada en una unión p-n sobre silicio, entre los subprocesos que pueden generar dependencias superficiales podemos señalar los siguientes:

(1)

Crecimiento de un lingote de silicio monocristalino en condiciones de alta temperatura. En el caso de los sistemas basados en Silicio policristalino, Silicio amorfo o Silicio microcristalino es la propia naturaleza del material utilizado como base de partida la que presenta inhomogeneidades estructurales.

(2)

Corte del lingote de silicio en obleas de espesores inferiores a las 500 micras,

(3)

Ataque químico de la superficie de la oblea para el tallado de una estructura física antirreflectante,

(4)

Difusión de átomos de fósforo a través de la superficie,

(5)

Deposición de una capa superficial de una sustancia antirreflectante como el óxido de titanio y

(6)

Pintado de una estructura conductora de la electricidad para la recolección de los electrones fotogenerados.

Estas diversas etapas de fabricación, que pueden considerarse como el modelo más simple de procesado, pueden verse influenciadas por una falta de homogeneidad en su ejecución, tanto a nivel macroscópico como a nivel micrométrico, afectando de forma negativa al rendimiento del dispositivo y haciendo que su rendimiento fotoconversor global sea inferior al máximo teóricamente posible.

Para detectar estas inhomogeneidades, conocer sus causas y poder aplicar remedios a las mismas, es preciso disponer de un sistema capaz de ir analizando el rendimiento punto a punto de la superficie del dispositivo fotovoltaico ya que una simple medición del rendimiento global del dispositivo no permite la detección de zonas con una eficacia zonal diferenciada. El conocimiento del rendimiento conversor espacialmente diferenciado permite su correlación con factores tan diversos como son: (a) el mal funcionamiento de alguno de los pasos del sistema productivo, (b) un mal diseño de alguno de los procesos productivos con relevancia espacial, (c) un comportamiento anómalo del sustrato de base utilizado en la fabricación, (d) la existencia de estructuras con diferente estructura cristalina en la masa activa, (e) la presencia de contaminantes zonales, etc.

En la bibliografía es posible encontrar algunos equipamientos que tienen como misión la obtención parcial de este tipo de información, basados en la utilización de un único láser de excitación. En esencia, estos equipos consisten en un conjunto de elementos ópticos cuya misión es encauzar la radiación emitida por un láser, de forma que esta incida sobre la superficie del sistema fotovoltaico a estudiar. Un dispositivo medidor de las propiedades eléctricas (corriente y/o voltaje) determina los efectos fotoeléctricos generados por el dispositivo fotovoltaico, valor que será representativo de su eficacia conversora en el punto de incidencia del láser sobre la superficie. El movimiento relativo del haz láser incidente sobre la superficie del dispositivo y la medición de los efectos fotoeléctricos generados en cada punto, permite la obtención de un conjunto de datos, correlacionables con la posición de incidencia de la radiación, que puede ser representada en forma de mapas o imágenes. La resolución espacial de estas imágenes depende de: (a) del tamaño de la zona iluminada por la radiación incidente, mejor cuanto menor tamaño, y (b) de la capacidad de desplazamiento del haz incidente sobre la superficie del dispositivo fotovoltaico, mejor cuanto menor sea el paso.

La mayoría de estos equipos están diseñados con fines de investigación científica, no están comercializados y alguno de ellos no han sido objeto de patente. En la mayoría de los casos hay una evidente falta de información ya que son montajes de laboratorio cuya descripción de funcionamiento ha sido secundaria respecto al interés demostrado en la obtención de datos científicos. De estos sistemas, los más destacados son analizados críticamente a continuación.

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A. Kress, T. Pernau, P. Fath y E. Bucher. 16th European Photovoltaic Solar Energy Conference (1 -5 de mayo, 2000). Este sistema utiliza dos láseres de diodo con emisión en la zona del infrarrojo (833 nm y 903 nm), cuya radiación se encauza, a través de una fibra óptica, a una lente de focalización situada según un eje vertical con un diámetro de foco de 5 μm. El dispositivo a estudiar se coloca en una plataforma con movimiento bidireccional independiente y en un plano horizontal con un paso de salto de 0.5 μm. Un dispositivo generador de potenciales se utiliza para la aplicación de un potencial al dispositivo estudiado al tiempo que un medidor de corriente proporciona información sobre la corriente fotogenerada. Deficiencias informativas: (a) No se especifican elementos correctores de la estabilidad de los emisores láser de excitación, (b) No se indican los diámetros de la fibra óptica ni la distancia de focalización de la lente, esenciales para determinar la bondad en el dato del tamaño del haz en el foco lo que constituye la resolución espacial.

-

M. Rinio, H. J. Möller y M. Werner. 5th International Workshop on Beam Injection Assessment of Defects Semiconductors (BIADS ‘98). Señala el desarrollo de un sistema LBIC con una resolución espacial (mínima zona iluminada) de 6 μm utilizando como iluminador un láser de diodo emitiendo en el infrarrojo a 833 nm. Utiliza un divisor de haz para controlar las variaciones en la potencia de emisión del láser y para colectar la radiación reflejada por la superficie estudiada por reflectancia especular. Un fotodetector, situado paralelo a la superficie activa del sistema fotovoltaico estudiado le permite medir la radiación reflejada por reflectancia difusa. Deficiencias informativas: (a) No se indica cual es la estructura óptica del encauzamiento de la radiación del láser hacia la superficie estudiada, (b) No se indica la distancia focal de la lente de focalización ni el diámetro del haz prefocalizado, esencial para determinar la bondad en el dato del tamaño de foco.

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L. Miller Emmet, US4301409 (1981); M. D. Egger, US3643015 (1972); A. E. Dixon, US6072624 (2000); I. Tatsuya, JP4312942 (1991); B. Michael, US6177989 (2001). Estas patentes describen sistemas en donde la superficie fotoactiva se mantiene estática y es el haz fotónico el que se desplaza, funcionando bajo la técnica de deflexión del haz, que hace que el sistema sea más rápido. La diferencia principal entre ellos es la técnica de deflexión del haz utilizada, por ejemplo se usan pares de lentes simples desplazadas fuera del eje óptico del sistema (L. Miller Emmet, 1981; M.

D. Egger, 1972), o se utilizan lentes telecéntricas que permiten la salida de un haz que se desplaza paralelamente al eje óptico cuando el haz incide con una inclinación axial sobre dicho eje (A. E. Dixon, 2000) o se utilizan pares de espejos que giran en ejes perpendiculares entre sí (I. Tatsuya, 1991). Desventajas funcionales: El uso de la técnica de deflexión del haz genera problemas en la focalización ya que necesitan lentes de elevada distancia focal para que, a pesar del mayor camino óptico de las incidencias oblicuas, el sistema esté dentro de la profundidad de foco generado por la lente. Esto obliga a que la resolución espacial sea pequeña (tamaño del haz sobre la superficie), llegándose en algunos casos a utilizar haces no focalizados, generándose imágenes de baja resolución espacial.

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L. Sopori, US5757474 (1998); L. Sopori, US5581346 (1996); L. Sopori, US5406367 (1995); J. Martín, ES2 201 925 B1. (2005). En estas patentes se describe un sistema en el que el haz fotónico se mantiene estático y es la superficie fotoactiva la que se desplaza, eliminando los problemas generados al variar el ángulo de deflexión, por lo que se mejora en gran medida la resolución espectral y espacial y se obtienen imágenes sin distorsiones geométricas. Desventajas funcionales: Los diseños desarrollados por L. Sopori (L. Sopori, 1995, 1996, 1998) están dirigidos a la detección de anomalías estructurales como dislocaciones, precisando para ello la introducción de elementos ópticos adicionales como divisores de haz o esferas integradoras, que hacen que la lente de focalización sea de larga distancia focal, generando haces fotónicos en el foco de poca resolución espacial. El sistema presentado por J. Martín (J. Martín, 2005) carece de todos estos inconvenientes pero utiliza un único láser como sistema de excitación por lo que el resultado obtenido es dependiente de la longitud de onda utilizada.

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W. Mingde Nevil. US6154039 (2000). En este sistema se utiliza el cabezal de un microscopio para conducir la radiación y focalizarla sobre la superficie activa, lo que implica que se trabaja a distancias de focalización impuestas por el cabezal, y que suelen ser muy pequeñas, por lo que mejora la resolución. Desventajas funcionales: Al utilizar un bloque óptico pensado para otras aplicaciones, se ve reducida la capacidad de información que pueden suministrar, como por ejemplo la medida de la reflectancia especular o la medida de la estabilidad de la radiación.

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J. W. Overbeck. US6335824b1 (2002). En este sistema, un haz de radiación es deflectado siguiendo una trayectoria en forma de arco al tiempo que una plataforma móvil se va desplazando en cada barrido del haz. Desventajas funcionales: los puntos analizados con este sistema no se encuentran según un patrón rectangular, por lo que es necesario efectuar complejas e inciertas operaciones de interpolación para su transformación.

En otros casos, es posible encontrar en la bibliografía publicaciones científicas en los que se muestran imágenes, normalmente de baja resolución, de propiedades fotodependientes detectadas mediante un sistema de barrido fotónico

(W.

Dimassi, M. Bouaicha, M. Kharroubi, M. Lajnef, H. Ezzaouia, B. Bessais. Solar Energy Materials and Solar Cells 92, 1421-1424 (2008); W. Fang, K. Ito, D. A. Redfern. Mathematical and Computer Modelling 40, 127-136 (2004);

M.

Acciarri, S. Pizzini, G. Simone, D. Jones, V. Palermo. Materials Science and Engineering B 73, 235-239 (2000);

S.

Litvinenko, L. Ilchenko, A. Kaminsky, S. Kolenov, A. Laugier, E. Smirnov, V. Strikha, V. Skryshevsky. Materials Science and Engineering B 71, 238-243 (2000)). Sin embargo, no se especifica nada sobre la instrumentación usada para obtener esa información.

Todos estos dispositivos indicados, al igual que un sistema desarrollado previamente por los inventores de la patente aquí desarrollada (J. Martín, 2005), utilizan como fuente de excitación uno o dos láseres monocromáticos (normalmente en este caso en la zona del infrarrojo), alejándose por lo tanto del verdadero interés en la caracterización de dichos dispositivos ya que durante su normal funcionamiento serán irradiados por luz solar. Por esta razón, en esta patente presentamos un sistema que es capaz de obtener mapas de eficiencia fotoconversora de una superficie con propiedades fotodependientes, en condiciones equivalentes a la irradiación solar, con alta resolución espacial y sin distorsiones geométricas, a partir de la excitación con tres láseres de longitudes de onda tales que es posible componer con ellos una fuente de luz semejante a la de la radiación solar.

Descripción de la invención

Consta de los siguientes elementos o dispositivos:

(0)

Subsistema de haces fotónicos y dispositivo con superficie activa

(1)

Subsistema de la base óptica de trabajo

(2)

Subsistema de fotoexcitación

(3)

Subsistema de medición de la potencia de excitación

(4)

Subsistema opto-mecánico de acondicionamiento de la radiación láser

(5)

Subsistema motorizado de focalización

(6)

Subsistema motorizado de posicionamiento de la superficie fotoactiva

(7)

Subsistema de acondicionamiento de las señales medidas de fotoconversión

(8)

Subsistema de detección de señal de reflexión

(9)

Subsistema de control.

Descripción individualizada de los diferentes elementos o subsistemas

Subsistema de haces fotónicos y dispositivo con superficie activa (0): Este subsistema consiste en el dispositivo con la superficie fotoactiva a estudiar (0a), así como en el conjunto de caminos ópticos definidos por los haces fotónicos que se generan en el sistema debido a los dispositivos optoelectrónicos que lo componen (0b-0i). A lo largo de esta descripción se irán detallando estos componentes del susbsistema.

Subsistema de la base óptica de trabajo (1): Todos los elementos optomecánicos que se utilizan se encuentran anclados a la plataforma la (figura 1) que constituye la plataforma óptica de trabajo. Esta plataforma define una superficie de trabajo ópticamente plana. La desviación en su planitud en la superficie debe ser inferior a 150 micras por metro, y presentar mínimas deformaciones por tensión mecánica y por causas térmicas. El sistema de anclaje de los elementos optomecánicos no es relevante en este sistema, pero debe asegurar que una vez posicionado un elemento opto-mecánico, éste sólo puede presentar variaciones en su posición por efectos térmicos o por tensión mecánica.

Subsistema de fotoexcitación (2): El sistema, para poder simular la radiación solar, debe disponer como mínimo de los tres láseres descritos en este documento pero puede mejorar su funcionamiento con un número mayor láseres siempre que la longitud de onda de su emisión esté dentro del rango 200 nm a 1100 nm. Por ello, al objeto de mejorar la comprensión del sistema, toda la descripción toda la descriptiva subsiguiente se va a basar en un sistema mínimo de tres láseres LR 2a, LV 2b y LA 2c con emisiones en el modo TEM00, no polarizadas en la zona del rojo con longitud de onda λR, verde con longitud de onda λG y azul con longitud de onda λB. La situación de cada láser es regulada respectivamente por los tornillos 2d-2e-2f que ajustan el paralelismo de la emisión con respecto al plano de trabajo definido por la plataforma 1a, y por los sistemas (2g-2h), (2i-2j) y (2k-2l) que regulan su posición con respecto a los dos ejes de giro, uno vertical y otro axial. Los filtros neutros continuos 2m-2n-2o y el sistema medidor de potencia portátil (y no dispuesto permanentemente) 2p, capaz de medir a diferentes longitudes de onda, establecen las condiciones de irradiación para cada láser que permite obtener unas condiciones de irradiación semejantes a la de la radiación solar. Los tres láseres se encuentran situados de tal forma que las trayectorias de sus emisiones 0b-0c-0e son paralelas al plano de referencia constituido por el elemento la y confluyen en un mismo punto sobre el elemento reflectante 2q, es cual está montado sobre un sistema de rotación 2r, controlado por un motor paso a paso de alta resolución, con un mínimo de 400 pasos por revolución y una repetitividad mejor que 0.02º, que lleva el haz de cada láser según el camino óptico establecido para el sistema. Los obturadores 2s-2t-2u y el sistema de rotación 2r, están electrónicamente controlados y permiten establecer cual será el haz de láser que seguirá el camino óptico del sistema e incidirá sobre la superficie del material fotoactivo. En la figura 2 se muestra un esquema de este susbsistema.

Subsistema de medición de la potencia de excitación (3): El haz láser 0e, emergente del elemento reflectante 2q, incide sobre el elemento óptico 3 a que es un divisor de haz cúbico no polarizante. Este elemento divide el haz incidente 0e en dos haces emergentes que denominamos haz emergente primario 0f (haz reflejado) y haz emergente secundario 0g (haz trasmitido), con una relación de potencias respecto a la potencia del haz incidente 0e de 50:50. La potencia de la radiación trasmitida 0g es medida con un sistema constituido por el difusor 3b y el dispositivo medidor de radiación 3c, y se utilizará para controlar la estabilidad de la emisión del láser. La señal eléctrica generada por el sistema medidor de radiación 3c es transportada hasta el subsistema acondicionador de las señales medidas (8) por medio de un cable 3d con apantallamiento antiparasitario. En la figura 3 se muestra un esquema de este subsistema.

Subsistema opto-mecánico de acondicionamiento de la radiación láser (4): La emisión láser procedente del divisor de haz 3a que denominamos haz emergente primario 0f, es expandida en un factor de 6 o superior, mediante el empleo de las lentes convergentes 4a y 4b en disposición coaxial y confocal, tal y como se muestra en la figura 4. Para conseguir el factor de expansión indicado, la lente 4b debe tener una distancia focal, al menos 6 veces mayor que la distancia focal de la lente 4b. Dado que este sistema debe ser estable frente a los cambios de longitud de onda derivados de la utilización de los tras láseres indicados, las lentes 4a y 4b deben ser acromáticas, resultando provechosa para esta finalidad el empleo de objetivos de microscopio. La lente 4b está situada sobre la plataforma de deslizamiento micrométrico 4c que permite controlar la confocalidad de ambas lentes. La utilización de un conjunto de lentes convergente-convergente, permite introducir una apertura centradora (pinhole) 4d, situada en el foco común de ambas lentes y cuya misión es eliminar las radiaciones dispersivas que acompañan a la emisión láser principal. Al utilizar láseres con emisión en el modo TEM00, la emisión láser finalmente emergente tiene unas características de divergencia y distribución de potencia Gaussiana similares a la de la radiación incidente. El tamaño final del haz expandido o haz emergente 0h es ajustado mediante una apertura circular ajustable (iris) o diafragma axial 4e con un mínimo de 10 láminas.

Subsistema motorizado de focalización (5): El haz láser 0h emergente del subsistema opto-mecánico de acondicionamiento de la radiación láser (4) incide en el sistema de focalización que consiste en una lente acromática 5a de corta distancia focal anclada a un sistema de posicionamiento motorizado 5b con el eje de desplazamiento paralelo al eje óptico de irradiación. El motor que controla el desplazamiento de la lente 5a es un motor con funcionamiento paso a paso y está controlado por el sistema informático. Para la óptima focalización del haz láser, el sistema de posicionamiento debe cumplir los siguientes requisitos: (a) resolución de paso de avance y retroceso de 0.25 micras, (b) reproducibilidad de posicionamiento mejor que 1 micra y (c) holgura en cabeceo inferior a 0.25 micras. El control del posicionamiento es atendido por el controlador 9b, el cual depende del sistema de control. En la figura 5 se muestra un esquema de este subsistema.

Subsistema motorizado de posicionamiento de la superficie fotoactiva (6): El dispositivo con superficie activa 0a a estudiar, se sitúa mediante succión de aire o cualquier otro sistema a la superficie 6a que actúa como soporte y que está situado perpendicularmente al eje óptico del sistema. El sistema de sujeción no es decisorio mientras cumpla con el requisito de no presentar elementos fijos o móviles que sobresalgan del plano definido por la superficie activa a estudiar ya que estos podrían dificultar el acceso físico al estudio de los bordes de la célula por interacción con la lente de focalización. Este soporte 6a está firmemente anclado a un sistema de posicionamiento motorizado biaxial constituido por las plataformas de deslizamiento 6b y 6c que debe cumplir con las siguientes características: (a) resolución de paso de avance y retroceso de 0.25 micras, (b) reproducibilidad de posicionamiento mejor que 1 micra y (c) holgura en cabeceo inferior a 0.25 micras.

Todo el sistema está diseñado para que la radiación de excitación incida perpendicularmente a la superficie activa a estudiar y la superficie activa se desplace por medio del sistema motorizado de posicionamiento según un plano vertical. Esta condición es necesaria con el fin de minimizar los efectos gravitatorios generados por las masas suspendidas fuera del centro de masas del conjunto del sistema de posicionamiento. Por su parte, el soporte de la superficie activa a estudiar debe tener un contacto eléctrico para la salida de la corriente eléctrica generada y otro contacto eléctrico para su retorno al dispositivo fotoactivo. El diseño y la posición de dichos contactos dependerán expresamente del tipo de dispositivo a estudiar y serán los contactos eléctricos a través de los cuales se medirán los efectos producidos por la incidencia del haz láser. Mediante el cable apantallado 6d se transporta la corriente eléctrica generada hasta el subsistema de acondicionamiento de las señales medidas (8).

Subsistema de detección de la señal de reflexión (7): La radiación reflejada especularmente por la superficie del elemento fotoactivo tiene una trayectoria plenamente coincidente con el camino óptico de incidencia 0i-0h-0f pero en sentido contrario cuando la lente de focalización 5a se encuentra justo a su distancia focal de la superficie fotoactiva. En esta situación, la radiación reflejada incide nuevamente en el divisor de haz 3 a, generándose dos nuevos haces reflejados emergentes del divisor y que denominamos haz reflejado emergente primario 0j y haz reflejado emergente secundario 0e’. El haz reflejado emergente secundario 0e’ no tiene ningún interés para la invención pero el haz reflejado emergente primario es utilizado para obtener información sobre la capacidad reflectante de la superficie fotoactiva a partir de la medida de su intensidad por medio del conjunto difusor/detector 7a/7b. Mediante el cable con apantallamiento antiparasitario 7c se transporta la señal eléctrica generada hasta el subsistema acondicionador de señal (8). La radiación reflejada por la superficie fotoactiva que no presenta características de reflexión especular no es medida. La colocación de la lente de focalización 5a a una distancia distinta a la de su valor focal genera una reflexión especular no coincidente con la trayectoria de incidencia por lo que no es detectada por el sistema. En la figura 3 se muestra un esquema de este subsistema.

Subsistema acondicionador de señal (8): Como paso previo a la medición de la señal eléctrica generada por el elemento fotoactivo a estudiar, ésta es transformada por el subsistema acondicionador (8) en una diferencia de potencial proporcional a su valor de intensidad a través de un amplificador operacional en montaje de transimpedancia. El valor VC proporcionado dependerá de la potencia de irradiación (PR, PV o PA) y de las características de eficacia conversora de la superficie activa sobre la cual incida la radiación láser. La señal acondicionada es enviada al conversor analógico digital por medio del cable apantallado 8a.

A su vez, este sistema de acondicionamiento de señales también acondiciona las señales suministradas por el subsistema de medición de la potencia de excitación 3c, por el sistema medidor de potencia 2p que controla la potencia de los láseres de excitación con el fin de establecer una radiación semejante a la radiación solar, y por el subsistema de detección de la señal de reflexión 8b.

Subsistema de control (9): Las señales eléctricas suministradas por los detectores medidores de radiación 3c y 7b, así como la suministrada por el dispositivo con superficie activa 0a, después de pasar por el subsistema acondicionador de señal (8) son conducidas mediante el cable apantallado 8a al sistema conversor analógico-digital 9a que debe poseer una profundidad de escala mínima de 4096 divisiones en todo el intervalo de medición y un tiempo de conversión inferior a 35 microsegundos. Por su parte el control del movimiento y posicionamiento de las plataformas motorizadas y del sistema de rotación, así como la apertura o cierre de los obturadores, es acometido por el controlador 9b que permite el control de los elementos 5b, 6b, 6c, 2r, 2s, 2t y 2r mediante el envío del adecuado número de impulsos eléctricos a los respectivos motores paso a paso, y a los obturadores.

Ambos sistemas de control 9a y 9b están a su vez bajo el control del subsistema 9c que consiste en una secuencia de procedimientos, controlados por un ordenador o cualquier otro dispositivo de control, y organizados según un criterio lógico de actuación de forma que conduzcan a la medida de todos los datos necesarios. Este procedimiento de medida debe comprender los siguientes pasos:

a) Selecciona la radiación del láser que vaya a utilizarse mediante el cierre del obturador de los otros láseres y el adecuado giro del espejo selector 2q.

b) Efectúa el procedimiento establecido para focalizar el láser sobre la superficie activa a estudiar mediante el control del subsistema motorizado 5.

c) Mide, en cada instante de tiempo, el valor de la potencia de la radiación emitida por el láser que esté en uso.

d) Mide la corriente y/o el voltaje generado por la superficie fotoactiva que se está estudiando.

e) Mide, mediante el subsistema 7, la radiación reflejada especularmente por la superficie fotoactiva.

f) Controla, mediante el subsistema (6), la posición de la superficie fotoactiva para hacer que el haz láser en uso incida en cada uno de los puntos deseados.

g) Fotocompone una imagen de la eficacia conversora de la superficie fotoactiva para el láser en uso, mediante una correlación entre las señales medidas y la posición física de la superficie fotoactiva.

h) Fotocompone una imagen de la reflectancia especular de la superficie fotoactiva para el láser en uso, mediante una correlación entre las señales medidas con el subsistema7yla posición física de la superficie fotoactiva.

i) Fotocompone una imagen global, asimilada a la generada por una irradiación con luz blanca, de la reflectancia especular de la superficie fotoactiva así como de su reflectancia especular, por concurso de las imágenes asociadas a cada una de las radiaciones utilizadas, y

j) Guarda en algún soporte de almacenamiento masivo toda la información generada.

Descripción de los dibujos

Figura 1.-Esquema general del sistema. Se muestra la disposición relativa de todos los elementos ópticos necesarios que conforman el sistema, así como los caminos ópticos que se definen en el mismo.

Figura 2.-Imagen virtual del subsistema de fotoexcitación (2) compuesto por los tres láseres y los elementos para la elección del haz láser activo en cada uno de los barridos a desarrollar.

Figura 3.-Imagen virtual del subsistema de medición de la potencia de excitación (3) y del subsistema de detección de la señal de reflexión (7).

Figura 4.-Imagen virtual del subsistema opto-mecánico de acondicionamiento de la radiación láser (4).

Figura 5.-Imagen virtual del subsistema motorizado de focalización (5) y del subsistema motorizado de posicionamiento de la superficie fotoactiva (6).

Modo de realización de la invención

El sistema diseñado permite la obtención de mapas de propiedades fotodependientes con una resolución inferior a una 1 micra. Con este fin, toda la instrumentación optomecánica empleada debe tener unas características de funcionamiento con un error inferior a dicha magnitud. Además el sistema debe estar montado sobre una plataforma ópticamente plana y de baja deformabilidad térmica y mecánica.

A continuación se describe, a modo ilustrativo pero no limitativo, el modo de ensamblar la invención bajo el supuesto mínimo de utilización de tres fuentes láseres de excitación. Genéricamente, los láseres utilizados 2a, 2b y 2c tienen como características: (a) una potencia de excitación en el rango de los miliwatios, (b) una emisión en haz paralelo con baja dispersión angular y un diámetro del haz entorno a 1.5 mm, (c) una emisión en modo continuo con una distribución de potencia en el modo TEM00 y (d) una emisión preferiblemente no polarizada.

La superficie del material activo que se va a caracterizar debe ser siempre la misma, independientemente del láser que se esté lo que se consigue mediante el empleo de un camino óptico de incidencia único. El encauzamiento de las emisiones individuales de cada láser al camino óptico común se realiza mediante una deflexión del haz láser emitido por el espejo no refractante 2q. El posicionamiento de este espejo a las posiciones específicas en la que el haz reflectado es coincidente con el eje óptico del resto del sistema se lleva a cabo mediante el sistema de rotación 2r, controlado por el subsistema 9b. Un condicionante a cumplir por el posicionamiento de este espejo es que su plano de reflexión debe contener al eje de giro.

Los pasos a seguir para obtener una imagen de la variación de la fotoconversión de una superficie fotoactiva excitada con tres radiaciones en proporciones tales que generan una radiación semejante a la solar son los siguientes:

1.-Definición del eje óptico y trayectoria de la radiación de excitación.

2.-Posicionamiento del material con la superficie fotoactiva a estudiar.

3.-Elección de la primera radiación de excitación.

4.-Focalización del haz láser seleccionado sobre la superficie fotoactiva.

5.-Medición, para la primera radiación de excitación y en la zona seleccionada de la muestra, de:

5.a.-la propiedad fotodependiente generada.

5.b.-la reflectancia especular.

6.-Selección de la segunda radiación y repetición de los pasos descritos los puntos 4 y 5.

7.-Selección de la tercera radiación y repetición de los pasos descritos los puntos 4 y 5.

8.-Composición de las imágenes de la variación de la fotoconversión y de la reflectancia especular a partir de las obtenidas con las tres radiaciones utilizadas.

1.-Definición del eje óptico y trayectoria de la radiación de excitación

Todos los elementos necesarios para definir el eje óptico y la trayectoria de la radiación incidente serán anclados a la plataforma de trabajo 1a. En primer lugar se ajusta la emisión de los tres láseres (0b-0c-0d) haciéndolas paralelas a la plataforma de trabajo, para ello se utilizan los tornillos micrométricos 2d-2e-2f que ajustan la posición de los láseres en el eje Z, y por los sistemas de rotación 2h-2j-2l que ajustan el paralelismo del láser con respecto a la plataforma de trabajo. Los tres láseres deben quedar a la misma altura con respecto a la plataforma de trabajo, y su emisión completamente paralela a dicha plataforma en todo su recorrido hasta el elemento reflectante 2q. En segundo lugar, se ha de establecer el ángulo entre las emisiones de los tres láseres. A su vez, la posición de los láseres ha de fijarse de forma que cumplan que los tres inciden sobre el mismo punto del elemento reflectante 2q, para que el camino óptico (0e) a partir de este elemento sea completamente coincidente para las tres emisiones láser y perpendicular al haz emitido por el láser 2b. Para ello utilizamos los sistemas de rotación 2g-2i-2k que permiten el giro de los láseres con respecto al eje adecuado para conseguir este ajuste.

Una vez definidos los caminos ópticos para los tres láseres, y el camino principal a partir del elemento reflectante, se sitúan los elementos ópticos que establecen las condiciones de la emisión de los tres láseres, que son: en primer lugar, los filtros neutros de densidad variable 2m-2n-2o que establecen la potencia de irradiación de cada láser de forma que, fijada la del láser de referencia (2b), las de los otros láseres tendrán un valor proporcional a la relación entre las irradiancias equivalentes de la emisión solar a la longitud de onda de emisión de cada láser, y en segundo lugar, los obturadores 2s-2t-2u que definirán qué radiación es activa en cada momento del procedimiento de trabajo.

A continuación, se coloca el divisor de haz 3 a que, para minimizar las distorsiones en la trayectoria, es de tipo biprismático rectangular en montaje cúbico, de alta transmitancia, con recubrimiento externo antirreflectante y no polarizador. El divisor de haz se coloca de tal forma que genera una trayectoria para el haz principal (0f) completamente perpendicular a la trayectoria incidente (0e), siendo esta trayectoria la que define, a partir de ahora, el eje óptico principal. Por otra parte, el haz transmitido (0g) define el eje óptico secundario y pasa a través del difusor 3b hasta incidir en el dispositivo medidor de radiación 3c. La señal eléctrica generada por este dispositivo es conducida por medio del cable con apantallamiento antiparasitario 3d hacia el subsistema acondicionador de las señales medidas (8).

Sobre el eje óptico principal (0e) se sitúan los elementos ópticos para conseguir una expansión del haz, que son: las lentes 4a y 4b, y la apertura centradora (pinhole) 4d cuya misión es eliminar luz difusa acompañante a la emisión principal. La lente 4a se coloca sobre una plataforma de desplazamiento micrométrico (4c) que permite su ajuste para que la radiación emergente (0h) forme un haz de rayos paralelos. A continuación, se coloca la apertura micrométrica (4d) en el foco común de las lentes que configuran el expansor de haz (4a y 4b). La óptima colocación de la apertura centradora (pinhole) 4d se realiza comprobando que la intensidad del haz de salida (0h) sea máxima. A la salida de la lente 4b se obtiene un haz paralelo, no divergente. El diámetro final de este haz es controlado por el diafragma 4e, el cual deja pasar un haz con un diámetro ligeramente inferior al haz expandido, y que asegura la confocalidad de la radiación.

2.-Posicionamiento del material con la superficie fotoactiva a estudiar

El material o dispositivo con superficie fotoactiva a estudiar (0a) se sitúa en la trayectoria del haz emergente del subsistema opto-mecánico de acondicionamiento de la radiación láser (4) y debe estar perpendicular a la trayectoria de irradiación. El material se sitúa sobre el soporte 6a, el cual no es relevante pues puede ser modificado en función de la morfología del material a estudiar. Dicho soporte se ancla a la plataforma de deslizamiento vertical 6b de forma que los movimientos incontrolados de todo el sistema no sean mayores de 0.1 μm. A su vez, el conjunto formado por el soporte y la plataforma de deslizamiento vertical se sitúa anclado a la plataforma de deslizamiento horizontal 6c. Ambas plataformas de deslizamiento se motorizan por medio de motores paso a paso con una capacidad mínima de control de desplazamiento de 0.2 μm. Así, cada uno de los dos posibles movimientos tiene un control individualizado a partir de las órdenes específicas del programa de control del sistema 9c y del subsistema de control de motores 9b.

Una vez que el dispositivo a estudiar se ha colocado sobre el soporte, se decide la zona de estudio, la cual se define como una superficie rectangular acotada por la introducción de cuatro datos, que son las coordenadas (Xi, Zi) de la posición inicial y las coordenadas (Xf, Zf) de la posición final, siendo ésta la esquina opuesta a la que se defina como posición inicial. Igualmente se debe definir el incremento de distancia mínima que se recorre en cada paso o cambio de posición de cada eje. Esta distancia debe permitir que, partiendo de la posición inicial, se llegue a la posición final a través de M saltos en el eje X y N saltos en el eje Y. De esta forma se define un barrido de la superficie fotoactiva de MxN píxeles, que generará una matriz de datos de fotoconversión para cada láser de excitación de MxN puntos.

3.-Elección de la primera radiación de excitación

Una vez establecida la zona de estudio de la superficie fotoactiva y prefocalizado el haz incidente sobre la misma, se define el primer láser de excitación a utilizar. Para ello, el programa informático 9c controla la posición del elemento reflectante 2q mediante el sistema de rotación 2r que a su vez es controlado por el controlador de motores 9b, estableciendo el láser 2a como el sistema de excitación lumínica activo para desarrollar el barrido de la zona de estudio. A su vez, el sistema de control 9c establece las condiciones de apertura y cierre de los obturadores 2s-2t-2u, activando la apertura del obturador 2s y activando el cierre de los correspondientes a los otros dos láseres. Por medio del filtro neutro continuo 2m y utilizando el sistema medidor de potencia 2p se establece la potencia necesaria del láser 2a, previamente calculada, para poder establecer una irradiancia semejante a la radiación solar por la unión de los tres láseres.

4.-Focalización del haz láser sobre la superficie fotoactiva

Aunque la distancia focal de una lente pueda ser un dato conocido por sus especificaciones, la focalización de la misma utilizando un procedimiento óptico para el posicionamiento físico exacto de la misma mediante la manipulación de los distintos elementos que actúan como soporte, tanto de la lente como de la superficie sobre la que se quiere focalizar el haz láser, es una tarea que no conduce a resultados óptimos. Esto es debido a que en muchas ocasiones la capa fotoactiva se encuentra tras una o más capas inactivas que serían las que se focalizarían por métodos ópticos. La focalización del haz láser en el sistema que se presenta está basada en la detección de las más pequeñas heterogeneidades presentes en la superficie activa lo cual sólo se puede efectuar cuando la superficie iluminada es igual o menor al tamaño de dichas heterogeneidades. Dado que el tamaño de la superficie iluminada es dependiente del nivel de focalización del haz láser sobre la superficie activa, la variación de la efectividad fotoconversora de la superficie activa por el acoplamiento entre el tamaño del haz láser incidente y la existencia de heterogeneidades en la superficie fotoconversora es empleado para la óptima focalización.

Puesto que la lente 5a utilizada es acromática, la posición de la misma que genera la mejor focalización de la luz incidente es la misma para los tres láseres de excitación utilizados en el sistema. Sin embargo para una mayor exactitud y precisión, la focalización se lleva a cabo utilizando como referencia el láser que tenga la emisión intermedia de los tres utilizados en la configuración mínima.

La focalización se lleva a cabo mediante un procedimiento que controla la utilización combinada de: (a) el posicionamiento de la lente de focalización 5a a partir del desplazamiento de la plataforma motorizada 5b mediante el envío de órdenes al controlador 9b, (b) el posicionamiento de la superficie fotoactiva 0a anclada en el soporte 6a a partir del desplazamiento individualizado de las plataforma motorizadas 6b y 6c mediante el envío de órdenes al controlador 9b,

(c) la medida de la corriente de fotoconversión generada por la incidencia del haz láser sobre la superficie fotoactiva 0a a través del subsistema acondicionador de las señales medidas 8 y del conversor A/D 9a y (d) la medida de los valores de corriente generados por el fotodetector 8b a través del subsistema acondicionador de las señales medidas 8 y del conversor A/D 9a.

De esta forma, el procedimiento utilizado por el programa informático es el siguiente:

1.-Posiciona la lente de focalización de forma que la distancia FI entre la lente 5a y el plano de la superficie activa 0a sea superior al de la distancia focal teórica FT. Este posicionamiento se hace mediante el envío de las adecuadas órdenes a la plataforma motorizada 5b.

2.-Se efectúa un desplazamiento lineal de la superficie activa 0a de forma que el haz láser incida a lo largo de un recorrido L entre las posiciones LI y LF, en el cual se encuentre alguna heterogeneidad que genere una diferencia en la eficacia conversora. Este desplazamiento se efectuará mediante pequeños saltos discretos de valor DL, de forma que para recorrer toda la distancia L sea necesario dar N saltos. El desplazamiento se efectúa enviando las adecuadas órdenes a las plataformas motorizadas 6a y 6b a través del controlador 9b.

3.-Para cada posición irradiada en cada nuevo salto de los N totales se efectúa una medida de la señal eléctrica generada IG en la superficie fotoactiva 0a y de la generada PL por la fotocélula de control 3c. Todos los valores de señal eléctrica generados por la superficie fotoactiva 0a y el fotodiodo 3c son medidos por el conversor A/D 9a después de su acondicionamiento en 8. El valor de la señal eléctrica IG es corregido por normalización a un valor de potencia incidente constante dividiendo por PL, obteniendo como valor normalizado de señal eléctrica generada IN. Después de completar totalmente el desplazamiento L se obtendrá un total de N+1 datos de valores IN.

4.-A partir de la colección de los N+1 datos de IN se obtiene una nueva colección de datos DI formada a partir de restar cada dos datos contiguos. El primer elemento de esta nueva colección DI(1) se corresponderá con la diferencia entre IN(1) menos IN(2), el segundo DI(2) a IN(2) menos IN(3) y así sucesivamente.

5.-La nueva colección de datos DI contará con N elementos a partir de los cuales se calculará la diferencia entre el de más valor y el de menos valor. El valor obtenido constituirá el primer elemento de una nueva colección de datos que llamamos MM.

6.-Se cambia la posición de la lente de focalización mediante el desplazamiento de una cierta cantidad DF de forma que si estaba a mayor distancia que la de su focalización teórica se acerque. En esta nueva posición de la lente se repite todo el proceso definido en los puntos 2, 3,4y5.De esta forma se obtiene el segundo punto de la colección MM.

7.-El proceso 6 se repite iterativamente hasta que nos encontremos a una distancia FF entre la lente de focalización y el plano de la superficie activa de forma que en el recorrido se haya sobrepasado la distancia teórica de focalización en una cantidad simétrica a la existente entre este punto y el punto inicial. Como resultado de este proceso iterativo se tendrá una colección de datos MM formada por tantos puntos como saltos de valor DF se hayan producido para cubrir la distancia entre FI y FF.

8.-La colección de datos MM relacionada con cada una de las posiciones de la lente de focalización se ajusta matemáticamente a una curva de pico tipo: (a) Pseudo Voigt II, definida como una combinación lineal de una campana de Lorentz y una campana de Gauss con coincidencia obligada de la posición del máximo de ambas campanas, (b) Pearson VII, (c) Lorentz o (d) Gauss. El valor calculado para la posición del máximo de la curva ajustada es la posición óptima de la lente de focalización FO.

9.-Se envían las órdenes oportunas al controlador 9b para que la plataforma motorizada 5b posicione la lente de focalización a la distancia FO.

5.-Medición de la propiedad fotodependiente y de la reflectancia especular para la primera radiación de excitación

5.a.-Medida de la propiedad fotodependiente generada

Para medir la fotocorriente generada por el material o dispositivo con superficie fotoactiva el programa informático 9c realiza los siguientes pasos:

a) Envía las órdenes al controlador de los motores 9b de las plataformas motorizadas 6b y 6c para que el haz de excitación 0i incida sobre la esquina del paralelogramo definida como posición inicial del barrido.

b) Conduce por medio del cable apantallado 6d la señal eléctrica generada por el dispositivo con superficie fotoactiva hasta el acondicionador de señales 8, el cual transforma dicha medida en un valor de diferencia de potencial proporcional a la señal generada por el dispositivo.

c) Conduce por medio del cable apantallado 3d la señal eléctrica generada por el dispositivo medidor de radiación 3c hasta el subsistema acondicionador de señal 8, el cual transforma dicha medida en un valor de diferencia de potencial proporcional a la señal eléctrica. De esta forma se genera la señal de control de potencia de irradiación.

d) Mediante el sistema 9a, determina los valores numéricos proporcionados por el subsistema acondicionador de señal 8 tanto para la señal generada por el dispositivo fotoactivo 0a como por el sistema medidor de radiación 3c. Este proceso se repite un número P de veces de forma que los P valores numéricos registrados por el conversor A/D 9a son enviados al sistema de control 9c que genera un valor promedio de todos ellos para ambas señales.

e) A continuación, normaliza la señal generada por el dispositivo fotoactivo en función de la señal de control de potencia medida por el sistema medidor de radiación 3c. Este dato es guardado y constituye el primer valor de la matriz que va a representar la fotoconversión del dispositivo fotactivo.

f) Una vez efectuados los pasos a-e anteriormente descritos, se envían las órdenes al controlador de motores 9b para que una de las plataformas motorizadas 6b o 6c posicione la superficie fotoactiva de forma que la incidencia del haz de excitación 0i se produzca en el siguiente punto de los N que definen la línea del barrido que se está desarrollando. A continuación se repiten los pasos b-e en esta nueva posición. Este procedimiento se repite hasta que se complete la línea de barrido en su totalidad.

g) Terminada esta primera línea, envía las órdenes a una de las plataformas motorizadas 6b o 6c para obtener la información correspondiente a la segunda línea del barrido según el procedimiento establecido en los puntos anteriores. Este procedimiento se repite hasta completar las M líneas de N puntos que definen la zona de estudio de la superficie del dispositivo fotoactivo.

5.b.-Medición de la reflectancia especular

La colocación de la lente acromática de focalización 5a a una distancia exacta a la de su valor focal, gracias al procedimiento diseñado para tal fin descrito en el punto 4, genera una reflexión especular coincidente con la trayectoria incidente, esto implica que el haz reflejado pasa de nuevo a través del dispositivo expansor de haz, incluyendo el pinhole o apertura centradora, constituyendo un sistema confocal por reflexión. En condiciones de óptima focalización, el haz reflejado llega de nuevo al divisor del haz 3 a que debido a su disposición óptica hace que este haz se transmita a través de él según el camino óptico 0j, en el cual se coloca el sistema de medición 7 compuesto por el difusor 7a y el dispositivo de medición de radiación 7b. La señal eléctrica generada al incidir el haz sobre el dispositivo de medición 7b se transporta mediante el cable apantallado 7c hasta el acondicionador de señales 8. Esta señal que se registra es la medida de la reflectancia especular del dispositivo fotoactivo.

La repetición del procedimiento descrito en el paso 5.a, pero utilizando la señal de reflectancia en lugar de la señal de fotocorriente generada por el dispositivo con superficie fotoactiva, genera una matriz de datos que representa la variabilidad de la señal de reflectancia especular en la zona de estudio del dispositivo fotoactivo.

6.-Selección de la segunda radiación y repetición de los pasos descritos en el punto 5

Una vez almacenados los MxN datos generados por medio del láser 2a, que generan un mapa de fotoconversión del dispositivo fotoactivo para dicha radiación, se define el segundo láser de excitación a utilizar. Para ello, el programa informático 9c controla la posición del elemento reflectante 2q mediante el sistema de rotación 2r que a su vez es controlado por el controlador 9b, estableciendo el láser 2b como el sistema de excitación lumínica activo para desarrollar el barrido de la zona de estudio. A su vez, el sistema informático cierra el obturador 2s y abre el correspondiente al láser 2b (2t). Por medio del filtro neutro continuo 2n y utilizando el medidor de potencia 2p se establece la potencia necesaria d sistema el láser 2b, previamente calculada, para poder establecer una irradiancia semejante a la radiación solar por la unión de la de los tres láseres.

A continuación se repiten los pasos descritos en el punto 5 de este procedimiento para obtener otra matriz de datos de MxN puntos de fotoconversión del dispositivo fotoactivo excitado con el láser 2b, así como otra matriz de MxN puntos de la señal de reflectancia especular para dicho láser.

7.-Selección de la tercera radiación y repetición de los pasos descritos en el punto 5

Una vez almacenados los MxN datos generados por medio del láser 2b, que generan un mapa de fotoconversión del dispositivo fotoactivo para dicha radiación, se define el tercer láser de excitación a utilizar. Para ello, el programa informático 9c controla la posición del elemento reflectante 2q mediante el sistema de rotación 2r que a su vez es controlado por el controlador 9b, estableciendo el láser 2c como el sistema de excitación lumínica activo para desarrollar el barrido de la zona de estudio. A su vez, el sistema informático cierra el obturador 2t y abre el correspondiente al láser 2c (2u). Por medio del filtro neutro continuo 2o y utilizando el sistema medidor de potencia 2p se establece la potencia necesaria del láser 2c, previamente calculada, para poder establecer una irradiancia semejante a la radiación solar por la unión de la de los tres láseres.

A continuación se repiten los pasos descritos en el punto 5 de este procedimiento para obtener otra matriz de datos de MxN puntos de fotoconversión del dispositivo fotoactivo excitado con el láser 2c, así como otra matriz de MxN puntos de la señal de reflectancia especular para dicho láser.

8.-Composición de las imágenes de la variación de la fotoconversión y de la reflectancia especular a partir de las obtenidas con las tres radiaciones utilizadas

A partir de las tres matrices obtenidas para la señal de fotocorriente generada con los tres láseres de excitación utilizados, se compone una imagen de la zona de estudio en la que se representaría la señal fotogenerada por el dispositivo con superficie fotoactiva cuando este fuese irradiado con una fuente de luz semejante a la radiación solar. Es decir, obtenemos un mapa de la variación de la señal eléctrica generada por la superficie activa en la zona de estudio definida previamente. De la misma manera, es posible obtener un mapa de la variación de la señal de reflectancia especular del dispositivo fotoactivo.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

   1. Sistema para el mapeo de la eficiencia de superficies foto voltaicas bajo condiciones de irradiación solar, que comprende:

   a) un subsistema policromático de excitación que comprende tres fuentes de emisión láser, con emisiones en la zona del rojo, verde y azul y con potencias de emisión acordes con la emisión solar a sus respectivas longitudes de onda,

   b) un subsistema para medir la potencia de irradiación de cada una de los tres láseres usados como fuentes de excitación,

   c) un subsistema que, mediante un conjunto de obturadores y un espejo orientable, permite seleccionar cual de las tres emisiones láser va a ser la que incida sobre el material a estudiar,

   d) un subsistema compuesto por un conjunto de elementos ópticos, incluyendo un divisor de haz, un expansor de haz, un diafragma y una lente de focalización acromática que, interpuestos en la trayectoria de la emisión láser emergente del subsistema selector, permiten el control de su trayectoria, potencia y tamaño de haz en el punto de incidencia sobre la superficie activa,

   e) un subsistema de posicionamiento que permite la perfecta focalización de la radiación del láser activo sobre la superficie del material o dispositivo a estudiar,

   f) un subsistema de elementos electro-mecánicos que permiten posicionar y controlar, con resolución submicrométrica, el desplazamiento del material a estudiar respecto al láser activo,

   g) un subsistema de elementos de detección de radiación para medir la reflectancia especular y la estabilidad de la potencia del láser activo,

   h) un subsistema de elementos electrónicos para medir la respuesta fotoeléctrica generada por el material o dispositivo a estudiar al ser irradiada por el láser activo.

2. 2.

   Un sistema, según reivindicación 1(d) y 1(e), basado en una plataforma de desplazamiento motorizado y una lente acromática sujeta a dicha plataforma que, dispuesto en el tramo final del camino óptico del haz láser activo, focaliza dicho haz sobre la superficie activa a estudiar, mediante el desplazamiento controlado de la lente a lo largo del camino óptico con el concurso de un ordenador u otro dispositivo electrónico de control.

3. 3.

   Un sistema según reivindicación 1, constituido por dos plataformas de desplazamiento lineal motorizado, con direcciones de desplazamiento perpendiculares entre sí y ambas perpendiculares al eje óptico de incidencia del láser activo, cada una de las cuales puede desplazarse en los dos sentidos de su dirección de movimiento, siendo controlado su movimiento mediante el concurso de un ordenador u otro dispositivo electrónico de control.

4. 4.

   Un sistema que, según reivindicaciones 1 a 3, por el que las plataformas de deslizamiento motorizado pueden desplazarse distancias inferiores a 0.5 micrómetros, permitiendo hacer incidir el haz láser activo sobre posiciones concretas y específicas de la superficie a estudiar.

5. 5.

   Un sistema según reivindicaciones 1 a 4, en el que tanto las plataformas de deslizamiento motorizado que sujetan a la muestra a estudiar como la plataforma de deslizamiento que sujeta la lente de focalización tienen una capacidad para reposicionarse en un punto concreto con un error inferior a 0.1 μm.

6. 6.

   Un sistema, según reivindicación 1 punto d, posicionado entre el espejo selector de radiación y el subsistema expansor de haz que constituido por (a) un elemento óptico basado en dos prismas semicúbicos pegados por la cara diagonal y conformando un cubo, (b) un elemento difusor de radiación y (c) un detector de radiación de forma que divide el haz láser procedente del espejo selector en un haz principal y un haz secundario, perpendicular al anterior, de forma que el haz emergente principal es dirigido hacia la superficie fotoactiva y el haz emergente secundario es dirigido hacia el detector de radiación previo paso a través del elemento difusor.

7. 7.

   Un sistema según reivindicación 1(d) y 6, constituido por dos lentes convergentes de distancia focal inferior a 30 mm y una apertura con un tamaño de luz no mayor de 15 micrómetros situados de forma que (a) el foco de salida de la primera lente sea coincidente con el foco de entrada de la segunda lente, (b) que la distancia focal de la primera lente sea como mínimo 6 veces menor que la distancia focal de la segunda lente y (c) que en el punto de confocalización se posicione la apertura. De esta forma el haz láser de salida tendrá un diámetro al menos 6 veces mayor que el haz incidente.

8. 8.

   Un sistema según reivindicación 1, en el que la disposición de los elementos ópticos y del material o dispositivo a estudiar es tal que la radiación reflejada especularmente por dicho dispositivo, cuando el haz incidente está perfectamente enfocado sobre la misma, retorna por el camino óptico principal transmitiéndose a través del divisor de haz de

   forma que el haz reflejado emergente secundario incide, previo paso por un difusor, en un detector de radiación. Este detector genera una señal eléctrica que da información sobre la magnitud de la radiación reflejada por el material o dispositivo a estudiar (reflectancia especular).

9. 9.

   Un procedimiento, para el estudio de superficies con propiedades dependientes de la irradiación fotónica, que utilizando los sistemas descritos en las reivindicaciones 1 a 8, permite el estudio de la respuesta de superficies fotoactivas planas tras la interacción de las mismas con tres fuentes láser de excitación, cada uno de ellos con una potencia de irradiación tal que generan una envolvente de irradiación similar a la radiación solar.

10. 10.

    Un procedimiento según reivindicación 9, caracterizado porque selecciona en orden sucesivo cada una de las tres fuentes de excitación, utilizándola como fuente activa tras ajustar su potencia de tal forma que esta sea asimilable a la generada por la radiación solar a la misma longitud de onda que la del láser seleccionado como activo.

11. 11.

    Un procedimiento según reivindicación 9, caracterizado porque permite focalizar el haz de radiación procedente de la fuente de excitación activa sobre la superficie a estudiar de forma automatizada, mediante la óptima determinación de la distancia entre la lente focal y la superficie fotoactiva a partir de maximizar la varianza de la perturbación generada por el haz incidente cuando este se desplaza por la superficie fotoactiva estudiada.

12. 12.

    Un procedimiento según reivindicaciones 9 y 11, caracterizado porque para conseguir la focalización óptima en cada punto se utiliza un protocolo que implica la obtención de la fotorrespuesta del sistema al efectuar: (a) un barrido lineal en el que se incluya alguna heterogeneidad, (b) una repetición de dicho barrido a varias distancias de la lente focal acromática en torno a la distancia focal teórica, (c) un análisis matemático de dicha información que permita obtener la varianza de la señal y (d) un ajuste de los valores de varianza obtenidos a cada distancia a una función que permita asociar un punto singular de dicha función a la distancia óptima de focalización.

13. 13.

    Un protocolo de control que desarrolla el procedimiento recogido en las reivindicaciones 9 a 12, de acuerdo con una estructuración lógica de procesos y que contempla los siguientes procesos: (a) selección del haz láser activo, (b) ajuste de su potencia de irradiación, (c) focalización del haz en el punto de incidencia sobre la superficie estudiada, (d) definición de la amplitud espacial de dicha superficie entorno al punto de focalización que va a ser objeto de estudio,

    (e) desplazar la superficie objeto de estudio punto a punto siguiendo un patrón bidimensional y con capacidad de incrementos lineales de desplazamiento de hasta 0.5 micrómetros, (f) medida en cada punto de la información suministrada por el sensor de medida de la estabilidad del láser, el sensor de la potencia radiante reflejada por la superficie fotoactiva y perturbación generada en la superficie fotoactiva, (g) almacenamiento de la información matricial obtenida en algún tipo de soporte electrónico y (h) repetición de los procesos 13(a) a 13(g) para los otros dos láseres del sistema.
14. 14. Un procedimiento para asociar las señales eléctricas medidas por los diversos subsistemas de detección con la posición de incidencia de cada láser sobre la superficie estudiada, generando una matriz de datos informativa sobre la fotorrespuesta de la superficie estudiada asociado a cada láser utilizado como activo o al conjunto de los tres láseres.

    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

    N.º solicitud: 200901913

    ESPAÑA

    Fecha de presentación de la solicitud: 28.09.2009

    Fecha de prioridad:

    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

    51 Int. Cl. : G01N21/95 (2006.01)

    DOCUMENTOS RELEVANTES

    Categoría

    Documentos citados Reivindicaciones afectadas

    A

    ES2201925 B1 (UNIVERDIDAD DE CADIZ) 16.03.2004, columna 9, línea 33 – columna 11, línea 36 1-14

    A

    US5757474 A1 (MIDWEST RESEARCH INST) 26.05.1998, columna 6, línea 18 – columna 7, línea 52; resumen; figuras 1,2,3a,3b. 1-14

    A

    CEMINE V J; SARMIENTO R; BLANCA C M, High-resolutionmapping of the energy conversion efficiency of solar cells and silicon photodiodes in photovoltaicmode. OPTICS COMMUNICATIONS. Vol 281, Nr 22, páginas 5580-5587. Pub 20081115. doi:10.1016/j.optcom.2008.07.086. ISSN 0030-4018. 1-14

    A

    US 6167148 A1 (ULTRAPOINTE CORP) 26.12.2000, resumen; figuras. 1-14

    A

    EP877225 A2 (BROWN & SHARPE LIMITED) 11.11.1998, columna 6, línea 14 – columna 8, línea 58; resumen. 1

    A

    EP1860428 A2 (NEGEVTECH LTD) 28.11.2007 1

    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:

    Fecha de realización del informe 02.09.2011

    Examinador L. J. García Aparicio Página 1/4

    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

    Nº de solicitud: 200901913

    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) G01N Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de

    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC

    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 200901913

    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 02.09.2011

    Declaración

    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

    Reivindicaciones 1-14 Reivindicaciones SI NO

    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

    Reivindicaciones 1-14 Reivindicaciones SI NO

    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

    Base de la Opinión.-

    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

    OPINIÓN ESCRITA

    Nº de solicitud: 200901913

    1. Documentos considerados.-

    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

    Documento

    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

    D01

    ES2201925 B1 (UNIVERDIDAD DE CADIZ) 16.03.2004

    D02

    US5757474 A1 (MIDWEST RESEARCH INST) 26.05.1998

    D03

    CEMINE V J; SARMIENTO R; BLANCA C M, Highresolutionmapping of the energy conversion efficiency of solar cells and silicon photodiodes in photovoltaicmode. OPTICS COMMUNICATIONS. Vol 281, Nr 22, páginas 5580-5587. Pub 20081115. doi:10.1016/j.optcom.2008.07.086. ISSN 0030-4018. 15.11.2008

    D04

    US 6167148 A1 (ULTRAPOINTE CORP) 26.12.2000

    D05

    EP877225 A2 (BROWN & SHARPE LIMITED) 11.11.1998

    D06

    EP1860428 A2 (NEGEVTECH LTD) 28.11.2007

15. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

    El documento D01, que se considera representa el estado de la técnica más cercano, divulga, (todas las referencias citadas corresponden al documento D01), un sistema para el mapeo de la eficiencia de las superficies fotovoltaicas El sistema cuenta con un subsistema para la perfecta focalización de la radiación láser, mediante una lente de focalización (51), sobre la superficie del material o dispositivo a estudiar. También, cuenta con un sistema de elementos electrónicos para controlar los movimientos de la lente focalización (52), los desplazamientos del material a estudiar (61) (62). También cuenta con medios (70) para controlar la potencia de la irradiación de la fuente láser. Lo que el sistema de D01, no divulga es un sistema de excitación formado por al menos tres fuentes de emisión láser, medios para la elección de la radiación láser activa, medios para llevar el haz del láser seleccionado según el camino óptico establecido para el sistema. En ninguno de los documentos encontrados se divulga un sistema capaz de obtener mapas de eficiencia foto-conversora de una superficie con propiedades foto-dependientes, en condiciones equivalente a la irradiación solar, con alta resolución espacial y sin distorsiones geométricas, a partir de tres matrices que se obtendrían para cada uno de los tres láseres excitados utilizados, se compone la imagen de la zona en estudio en la que se representaría la señal foto-generada por el dispositivo con superficie fotoactiva cundo este fuese irradiado con una fuente de luz semejante a la irradiación solar. Por lo tanto, a la vista de lo divulgado en el documento D01, la reivindicación primera cuenta con novedad según lo establecido en el Art.6.1 de la LP 11/86, y con actividad inventiva según lo establecido en el Art. 8.1 de la LP 11/86.

    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4