TWI617129B - Solar cell measuring device - Google Patents

Abstract

一種太陽能電池的量測設備，包含一光源單元、一均光單元、一光強監測單元，及一運算控制單元。該光源單元包括數個能發出不同波長的光線的發光二極體。該均光單元界定出一用於將該光源單元的光線均勻化的均光空間。該運算控制單元可以運算得到該光強監測單元接收到的光線強度，並且能根據該光強監測單元接收到的光線的閃爍頻率，擷取並運算具有相應閃爍頻率的光線照射於該太陽能電池後所產生的訊號。本發明的設備體積小、成本低，並可檢測太陽能電池對於不同波段光線的響應，測量上相當準確、可靠度高。

Description

太陽能電池的量測設備

本發明是有關於一種太陽能電池的量測設備，特別是指一種用於量測太陽能電池的量子效率與光譜響應的量測設備。

傳統用於量測太陽能電池的外部量子效率(External Quantum Efficiency, 簡稱EQE)或光譜響應(Spectral Response, 簡稱SR)的量測設備，使用的是氙燈光源，需要單光儀作波長篩選、光斬波器進行光的遮斷與開啟，以及光學透鏡、光學均光系統才能完成適合用在太陽能電池量測設備的光源系統。然而，從氙燈光源到所增加的每一個光學部件，各自都有自己的不穩定性，導致光穩定度成為傳統氙燈光源用在量測系統上的一個難題，一般氙燈量測設備量測光電轉換效率的重複準確度約只能達到1%誤差左右的重複性，無法達到更小、更精確的重複性(例如小於0.1%)，且由於上述單光儀、光斬波器、透鏡、均光系統等相關光學部件間的對位、機構設計與組裝結構，造成整體量測設備的體積過大與成本過高。

另外，採用傳統光源量測時，於量測前會用標準太陽能電池片或標準反射白板來標定偵測光源的光強度與光譜，測完後就會以測到的固定數值儲存於電腦中。然而，因為光源用久後會老化，光源的強度、光譜都有可能產生變化，所以長時間使用後，若未隨時再偵測光源的強度進行修正，而是從頭到尾都採用儲存於電腦中且固定的量測數值，久了會有誤差，並非真實量測的條件。另一方面，雖然有些傳統光源量測設備設有即時監控光強與光譜的裝置，但受限於傳統量測設備的構造與光學特性，其即時監控裝置於設計上較為複雜，而且由於會設置分光鏡來將光源的部分光線分光來進行光強與光譜量測，如此會犧牲較多的光源強度、量測速度也會變慢。以上皆是傳統量測設備目前所遭遇的難題及需要解決的問題。

因此，本發明之目的，即在提供一種能克服先前技術的至少一個缺點的太陽能電池的量測設備。

於是，本發明太陽能電池的量測設備，用於檢測該太陽能電池，並包含一個光源單元、一個均光單元、一個光強監測單元，及一個運算控制單元。

該光源單元包括數個能發出不同波長的光線的發光二極體，且該等發光二極體可受控制而閃爍發光。該均光單元位於該光源單元前側，並界定出一個用於供該等發光二極體的光線通過以將光線均勻化的均光空間，該均光空間具有一個鄰近該光源單元的入口、一個鄰近該太陽能電池的出口，以及一個位於該入口與該出口間的第一分光口。該光強監測單元包括一個鄰近該第一分光口並用於接收通過該第一分光口而來的光線的光強偵測器。該運算控制單元包括一個用於接收該太陽能電池受到該光源單元照射後所產生的訊號的訊號接收模組，以及一個訊號連接該訊號接收模組與該光強監測單元的運算模組，該運算模組用於運算得到該光強偵測器接收到的光線強度，且該運算模組還能根據該光強偵測器接收到的光線的閃爍頻率，擷取並運算具有相應閃爍頻率的光線照射於該太陽能電池後所產生的訊號。

本發明之功效在於：藉由該光源單元設有該等發光二極體，能發出不同波長的光線，以利於模擬太陽光光譜，也方便於產生各種不同波段的色光，使本發明整體量測設備體積小、成本低。該光強監測單元用於監測光強度以及偵測光線閃爍頻率，使該運算控制單元能擷取相應的檢測訊號，可測得太陽能電池對於不同波段光線的響應，測量上相當準確、可靠度高。

參閱圖1、2、3，本發明太陽能電池1的量測設備之一實施例，用於檢測該太陽能電池1的轉換效率等特性，並包含一光源單元2、一均光單元3、一光強監測單元4、一光譜監測單元5，以及一運算控制單元6。

該光源單元2包括一大致呈方形的電路板21，以及數個陣列式地上下左右排列於該電路板21上的發光二極體22。該等發光二極體22能發出不同波長的光線，並能受控制而以特定頻率閃爍發光。

該均光單元3沿一光軸L而位於該光源單元2前側，並界定出一個用於供該等發光二極體22的光線通過以將光線均勻化的均光空間30，該均光空間30具有一個鄰近該光源單元2的入口301、一個鄰近該太陽能電池1的出口302，以及位於該入口301與該出口302間，且彼此間隔相對的一個第一分光口303與一個第二分光口304。具體而言，本實施例的均光單元3包括一個朝向該光源單元2的第一均光件31、一個位於該第一均光件31與該太陽能電池1間的第二均光件32、一個設置於該第一均光件31與該第二均光件32間的銜接座33、一個擴散板34、一個第一擋板35，以及一個第二擋板36。

該第一均光件31將該均光空間30界定出一個供該等發光二極體22的光線進入的第一腔室310，該第一腔室310具有該入口301。該第二均光件32將該均光空間30界定出一個供通過該第一腔室310而來的光線進入的第二腔室320，該第二腔室320具有該出口302，且通過該第二腔室320的光線會射向該太陽能電池1。其中，該第一均光件31與第二均光件32都是中空的四方體，並且都是一個積分柱，光線在積分柱內部往前行進的過程中，可受到積分柱內部表面多次的反射，從而達到光線均勻效果。該第一腔室310的尺寸小於該第二腔室320的尺寸，該第一腔室310的尺寸設計與該光源單元2的大小有關，該第二腔室320的尺寸設計與該太陽能電池1的大小有關。該第一腔室310沿著該光軸L延伸的長度d1為8cm~20cm，該第二腔室320沿著該光軸L延伸的長度d2為30cm~100cm，透過適當的d1、d2，使腔室310、320延伸長度夠長，進而使光線行進距離以及反射次數足夠以得到良好的均勻化效果。該第一腔室310的長度a1與寬度b1為3cm~8cm，該第二腔室320的長度a2與寬度b2為15.6cm~20cm。所述腔室的長度a1、a2與寬度b1、b2，是指腔室在一個延伸面垂直於該光軸L的鉛直平面上的投影為四方形，該四方形的長與寬即為腔室的長度與寬度，若為正方形時，則長度與寬度相同。

該銜接座33包括一個圍繞該光軸L的座圍壁331，該座圍壁331自該第一均光件31朝該第二均光件32逐漸擴大，並將該均光空間30界定出一連通該第一腔室310與該第二腔室320的銜接腔室330。該座圍壁331具有二個間隔相對且分別形成有該第一分光口303與該第二分光口304的圍壁部332。本實施例的銜接座33、第一均光件31與第二均光件32為三個獨立的元件，並連接在一起而共同界定出該均光空間30，在結構設計與考量光學效果上，該第一均光件31與第二均光件32為分開獨立的元件時，較方便製作。但於實施時，第一均光件31、第二均光件32與銜接座33也可以為一體成型。

該擴散板34設置於該第一均光件31與該銜接座33間，其材料為可透光的塑膠材料，並具有將光線擴散、均勻化的功能。該第一擋板35設置於該銜接腔室330且鄰近該第一分光口303，該第一擋板35用於隔絕照射到該太陽能電池1後再反射回來的光線射入該第一分光口303。該第二擋板36設置於該銜接腔室330且鄰近該第二分光口304，該第二擋板36用於隔絕照射到該太陽能電池1後再反射回來的光線射入該第二分光口304。

該光強監測單元4用於偵測該光源單元2的光強度，並包括一個鄰近該第一分光口303並用於接收通過該第一分光口303而來的光線的光強偵測器41，以及一個訊號連接該光強偵測器41與該運算控制單元6的訊號處理模組42。

該光譜監測單元5鄰近該第二分光口304，並用於偵測該等發光二極體22的光線光譜，以確認光源光線的波峰(peak wavelength)與波形。該光譜監測單元5包括一個訊號連接該運算控制單元6的光譜儀51。此外，該光譜監測單元5還可設置一個用於傳導該第二分光口304傳導而出的光線的光纖導光件(圖未示)，以及一個位於該光纖導光件與該光譜監測單元5間並用於將光線聚焦的透鏡(圖未示)，使得由該第二分光口304射出的光線能確實被傳導到該光譜儀51，並提升進入該光譜儀51中的光線強度與檢測效果。

該運算控制單元6包括一個訊號連接該太陽能電池1的訊號接收模組61、一個訊號連接該訊號接收模組61、該光強監測單元4的訊號處理模組42與該光譜監測單元5的運算模組62，以及一個訊號連接該運算模組62的顯示模組63。該訊號接收模組61用於檢測該太陽能電池1受到光照後所產生的電訊號(也就是對於入射光的響應訊號)，該訊號接收模組61接收光電流並轉換成電壓，再將電壓方波經由直流濾波電路轉換成類正弦波(sine波)，在此過程可濾除雜訊、背景訊號，後續搭配該運算模組62來換算得到太陽能電池1對於光線的響應。該運算模組62用於運算得到該光強偵測器41接收到的光線強度，且該運算模組62還能根據該光強監測單元4接收到的光線的閃爍頻率，來擷取並運算該訊號接收模組61接收到的訊號中，具有相應閃爍頻率的光線照射於該太陽能電池1後所產生的訊號，此部分後續還會有說明。而該顯示模組63用於顯示太陽能電池1的檢測結果，以及偵測到的光源單元2強度、光源光譜與波峰。該運算控制單元6的運算模組62與顯示模組63例如一台電腦，具有運算、控制、顯示等功能。

本發明使用時，可以利用不同的訊號驅動該光源單元2的發光二極體22發光，該等發光二極體22可以全部同時發光，也可以部分同時發光，或者全部輪流發光，且發光方式可以為閃爍發光。當全部的發光二極體22都點亮且閃爍發光時，每個發光二極體22的閃爍頻率不同，進行一次檢測的時間約為1秒~10秒。當發光二極體22輪流發光時，進行一次檢測的時間約為10秒~30秒。也就是說，該等發光二極體22的發光時間長短、頻率、是否同時發光等特性都可以受到控制，以產生所需要的光，而且各發光二極體22的光線通過該均光單元3後，可照射該太陽能電池1上的不同位置。隨著控制各個發光二極體22的發光特性，該光源單元2可以產生模擬太陽光光譜的光線，如此可用於檢測太陽能電池1對於太陽光所產生的響應，也可以產生較窄波段的光，以檢測該太陽能電池1對不同波段光線的響應。

具體而言，該光源單元2發出的光自該均光空間30的該入口301進入，首先在該第一均光件31內部多次反射而達到均光效果，接著光受到該擴散板34的擴散均勻化作用，再通過該銜接座33後進入該第二均光件32內部，並經過多次反射後，最後由該出口302射出並照射該太陽能電池1，該太陽能電池1接收入射而來的光線並產生光電流，光電流再由該運算控制單元6的訊號接收模組61接收，該運算模組62運算分析後，就可以得到該太陽能電池1對於光的響應，例如外部量子效率(EQE)或光譜響應(SR)等特性。

其中，由於光源單元2使用一段時間後，其光強度會變化、衰減，因此本發明透過該光強監測單元4來偵測光強度，可以設定於每隔一段時間進行光強量測，可在光強度有變化時進行測量結果修正，使檢測可靠度高。舉例來說，該光源單元2發出的部分光線會由該第一分光口303射出，該光強監測單元4的該光強偵測器41接收到光後會轉成電訊號，並經由放大電路放大後，由該運算控制單元6的運算模組62計算分析而得到光強度。假設第二次檢測時量測到的光強度為第一次檢測時的98%，則太陽能電池1照光檢測後所得到的訊號，也要相應地考量光強度已變化為原先的98%的因素，因此將檢測結果依據光強度變化作修正後，以排除光強度變化所造成的檢測誤差，因此本發明透過此設計可以量測得到更正確的訊號值，以光電轉換效率而言，量測重複性可精準到小於0.1%。且該光強監測單元4設置該第一擋板35，用於避免入射到該太陽能電池1處的反射光線再由該第一分光口303射出，可提升光強監測的精準度。

需要說明的是，該光源單元2的各個發光二極體22會以某種頻率閃爍的方式照在該太陽能電池1上，太陽能電池1因此會產生跟光線閃爍頻率相同頻率的訊號，而該運算控制單元6要得知太陽能電池1對於某一波段光線的響應訊號時，就必須先知道要擷取什麼樣閃爍頻率的對應訊號。而本發明該光強監測單元4接收到的光線是由該光源單元2直接發出的，因此該光強監測單元4接收到的光線閃爍頻率訊號與該光源單元2的光線閃爍頻率是同步的，使該光強監測單元4除了能偵測光強度，還可以偵測光線的開、關以及閃爍頻率。由於該等發光二極體22的閃爍頻率不同，假設要針對某個閃爍頻率的光線進行電池檢測時，該光強監測單元4可偵測到該發光二極體22的光線閃爍頻率，並傳送給該運算模組62，使該運算模組62擷取該訊號接收模組61偵測到的訊號中，是由該閃爍頻率的光線照射該太陽能電池1後所產生的訊號，也就是說，只擷取頻率相同的訊號，並忽略所有其他頻率的訊號，如此該運算模組62就可以分析得到特定閃爍頻率光線照射太陽能電池1後，太陽能電池1對該光線的響應，使本發明可以確實檢測各種不同波段光線對電池產生的作用。

此外，設置該光譜監測單元5檢測該光源單元2的光線光譜，該光源單元2自該入口301射入的部分光線，會通過該第二分光口304而進入該光譜儀51，從而能測得光譜波形與波峰波長，可以設定於每隔一段時間進行光譜量測，並於光譜波形與波峰波長有偏差時，進行儀器檢查與即時的修正，以提升本發明量測設備的測量精準度。同樣地，設置該第二擋板36避免入射到該太陽能電池1處的反射光線再由該第二分光口304射出，可提升光譜監測的精準度。

較佳地，本實施例的每一圍壁部332的延伸方向與該光軸L的延伸方向的一銳角夾角θ大於45°，使該圍壁部332的斜度適當，較有利於分光的光線進入第一分光口303與第二分光口304，此種利用圍壁部332結構來分光以達到即時監控光強與光譜的方式，不需要利用分光鏡，可減少光源光線強度的犧牲。而且如此也讓入射光線進入該第二均光件32後能確實地受到第二均光件32的內部表面多次反射。因為若該銳角夾角小於45°，會影響光線的行進路線，可能會因為圍壁部332的遮擋而使光線無法適當地在該第二均光件32內部多次反射。而本發明前述設計可以維持均光效果佳。

綜上所述，藉由該光源單元2設有該等發光二極體22，能發出不同波長的光線，以利於模擬太陽光光譜，也方便產生各種不同波段的色光，如此就不需設置傳統氙燈光源所需要用到的單光儀、光暫波器等元件，因此本發明整體量測設備體積小、成本低。而該均光單元3設有一小一大的該第一腔室310與該第二腔室320，藉由此兩腔室310、320的搭配能達到良好的均光效果。此外，該光強監測單元4監測光強度，可以掌握光源強度是否穩定，並且可以依據光強度對測量結果即時修正，達到測量準確、重複性高的優點，而光強監測單元4還能偵測光線閃爍頻率，使該運算控制單元6能擷取相應的檢測訊號，可得到太陽能電池1對於各種光線的響應訊號，測量上相當準確。更進一步地，該光譜監測單元5用於監控光源的光譜，同樣能優化量測的準確性與重複性。因此，本發明可以即時監控光強與光譜，於長時間使用後或因為不同環境、溫度、濕度，電力條件下，即使光源有變化，其光強與光譜都可以被監控與記錄，避免量測誤差。

補充說明的是，參閱圖2、4，本發明量測設備還可包含一外殼7，本發明前述元件可以整合於該外殼7內而成為模組化設計。該外殼7內部形成一容置空間，該外殼7包括一第一殼體71、一第二殼體72，以及一連接於該第一殼體71與該第二殼體72間且斜向延伸的銜接殼體73。而該光源單元2、該第一均光件31對應地設置於該第一殼體71內，以圖4的方向而言，該光源單元2位於該第一均光件31上方，光線傳播方向是向下行進，受測的太陽能電池必須放置於該外殼7下方。此外，該第一殼體71內還可設有電路板、散熱元件等等，但由於這些元件非本發明改良重點，所以不再說明。該第二均光件32位於該第二殼體72內，該銜接座33位於該銜接殼體73內。

此外，該量測設備還包含一自該第一殼體71頂壁伸入該第一殼體71內並電連接該光源單元2的電線81、一通過該銜接殼體73以連接該第二分光口304與該光譜儀51的光纖管82，以及二分別設置於該外殼7的左右兩側的把手83。藉由所述把手83可方便操作搬動本發明的量測設備，由於本發明可以如圖4設計成體積小、重量輕的模組化設計，為一種可攜式多波長光源設備，當要進行量測時，可將該模組化量測設備安裝於一圖未示的滑軌機構上，以利於量測設備沿著該滑軌機構而移動於太陽能電池上方，此時可以一人就完成搬運設備以及移動量測等工作，此種一人就可以操作搬動的設備，非常實用方便。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧太陽能電池
2‧‧‧光源單元
21‧‧‧電路板
22‧‧‧發光二極體
3‧‧‧均光單元
30‧‧‧均光空間
301‧‧‧入口
302‧‧‧出口
303‧‧‧第一分光口
304‧‧‧第二分光口
31‧‧‧第一均光件
310‧‧‧第一腔室
32‧‧‧第二均光件
320‧‧‧第二腔室
33‧‧‧銜接座
330‧‧‧銜接腔室
331‧‧‧座圍壁
332‧‧‧圍壁部
34‧‧‧擴散板
35‧‧‧第一擋板
36‧‧‧第二擋板
4‧‧‧光強監測單元
41‧‧‧光強偵測器
42‧‧‧訊號處理模組
5‧‧‧光譜監測單元
51‧‧‧光譜儀
6‧‧‧運算控制單元
61‧‧‧訊號接收模組
62‧‧‧運算模組
63‧‧‧顯示模組
7‧‧‧外殼
71‧‧‧第一殼體
72‧‧‧第二殼體
73‧‧‧銜接殼體
81‧‧‧電線
82‧‧‧光纖管
83‧‧‧把手
L‧‧‧光軸
a1、a2‧‧‧長度
b1、b2‧‧‧寬度
d1、d2‧‧‧長度
θ‧‧‧夾角

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一立體示意圖，說明本發明太陽能電池的量測設備的一實施例的部分元件； 圖2是該實施例的部分元件的一剖視示意圖； 圖3是該實施例的部分元件的一功能方塊圖；及 圖4是一立體圖，說明該實施例的部分元件安裝於一個外殼內而成為一個模組化設計。

Claims (10)

1. 一種太陽能電池的量測設備，用於檢測該太陽能電池，並包含： 一個光源單元，包括數個能發出不同波長的光線的發光二極體，且該等發光二極體可受控制而閃爍發光； 一個均光單元，位於該光源單元前側，並界定出一個用於供該等發光二極體的光線通過以將光線均勻化的均光空間，該均光空間具有一個鄰近該光源單元的入口、一個鄰近該太陽能電池的出口，以及一個位於該入口與該出口間的第一分光口； 一個光強監測單元，包括一個鄰近該第一分光口並用於接收通過該第一分光口而來的光線的光強偵測器；及 一個運算控制單元，包括一個用於接收該太陽能電池受到該光源單元照射後所產生的訊號的訊號接收模組，以及一個訊號連接該訊號接收模組與該光強監測單元的運算模組，該運算模組用於運算得到該光強偵測器接收到的光線強度，且該運算模組還能根據該光強偵測器接收到的光線的閃爍頻率，擷取並運算具有相應閃爍頻率的光線照射於該太陽能電池後所產生的訊號。
2. 如請求項1所述的太陽能電池的量測設備，其中，該均光單元與該光源單元沿一個光軸排列，該均光單元包括一個朝向該光源單元的第一均光件、一個位於該第一均光件與該太陽能電池間的第二均光件，以及一個連接於該第一均光件與該第二均光件間的銜接座，該第一均光件將該均光空間界定出一個供該等發光二極體的光線進入的第一腔室，該第二均光件將該均光空間界定出一個供通過該第一腔室而來的光線進入的第二腔室，且通過該第二腔室的光線會射向該太陽能電池，該第一腔室的尺寸小於該第二腔室的尺寸，該銜接座自該第一均光件朝該第二均光件逐漸擴大，並將該均光空間界定出一個連通該第一腔室與該第二腔室的銜接腔室。
3. 如請求項2所述的太陽能電池的量測設備，其中，該銜接座包括一個圍繞該光軸並界定出該銜接腔室的座圍壁，該座圍壁具有一個形成有該第一分光口的圍壁部，該圍壁部的延伸方向與該光軸的延伸方向之間的一個銳角夾角大於45°。
4. 如請求項2所述的太陽能電池的量測設備，其中，該均光單元還包括一個設置於該第一均光件與該銜接座間，並用於將光線均勻化的擴散板。
5. 如請求項2所述的太陽能電池的量測設備，其中，該均光單元還包括一個設置於該銜接腔室且鄰近該第一分光口的第一擋板，該第一擋板用於隔絕照射到該太陽能電池後再反射回來的光線射入該第一分光口。
6. 如請求項2所述的太陽能電池的量測設備，其中，該銜接座包括一個圍繞該光軸並界定出該銜接腔室的座圍壁，該座圍壁形成有該第一分光口，以及一個位於該入口與該出口間並與該第一分光口間隔的第二分光口，該太陽能電池的量測設備還包含一個鄰近該第二分光口，並用於檢測該等發光二極體的光線光譜的光譜監測單元。
7. 如請求項6所述的太陽能電池的量測設備，其中，該均光單元還包括設置於該銜接腔室，且分別鄰近該第一分光口與該第二分光口的一個第一擋板與一個第二擋板，該第一擋板用於隔絕照射到該太陽能電池後再反射回來的光線射入該第一分光口，該第二擋板用於隔絕照射到該太陽能電池後再反射回來的光線射入該第二分光口。
8. 如請求項2所述的太陽能電池的量測設備，其中，該第一均光件與該第二均光件都是一個積分柱，該第一腔室沿著該光軸延伸的長度為8cm~20cm，該第二腔室沿著該光軸延伸的長度為30cm~100cm。
9. 如請求項8所述的太陽能電池的量測設備，其中，該第一均光件與該第二均光件都是中空的四方體，該第一腔室的長度與寬度為3cm~8cm，該第二腔室的長度與寬度為15.6cm~20cm。
10. 如請求項1所述的太陽能電池的量測設備，其中，該均光空間還具有一個位於該入口與該出口間並與該第一分光口間隔的第二分光口，該太陽能電池的量測設備還包含一個鄰近該第二分光口，並用於偵測該等發光二極體的光線光譜的光譜監測單元。