TWM618109U - 顯微量子效率量測系統 - Google Patents

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Abstract

本創作係揭露一種顯微量子效率量測系統，用於同步檢測太陽能電池之外部量子效率/反射率光譜，並將照射於樣品上之光斑面積限縮在1 mm 2以內，包含有：一光電激發模組，包括一個能發出一檢測光並使該太陽能電池產生光電流之光源、一個可控制波長之單光儀、一個能收集該樣品產生光電流之檢測模組、及一收光模組以量測該樣品之反射光強度；與一光學系統，包括一個反射式物鏡置於樣品端前方、一分光鏡置於光源、反射式物鏡及收光模組之間、光纖搭配準直鏡於光源後與收光模組前。藉由該光電流檢測模組與反射率量測收光模組進行快速同步檢測，並將所量測的隨波長變化之外部量子效率/反射率即時計算得到內部量子效率，使本新型具有簡化量測流程、高效率、高產業應用性之特性。為因應未來太陽能電池的產業應用，故研發顯微量子效率快速量測系統，可達到縮短量測時間的優點。

Description

顯微量子效率量測系統
本新型係有關於一種顯微量子效率量測系統，可使光斑面積小於1 mm 2來激發樣品並收集其光電流與反射率之整合型光學量測系統。
太陽能電池是可再生能源中最具有發展性的一種主力產業，可以有效地利用太陽光來發電並輸出提供人類使用，根據核能研究所之推估台灣太陽光電潛在之裝置量為67.6 GW，年總發電量約為76.388 TWh/y。因此了解太陽能電池照光後產生電流的能力便格外重要，藉由針對太陽能電池的量子效率進行分析，將會有助於了解其相關的光電特性，並進一步地貢獻到製程上對太陽能電池之製作進行改善。
想要準確了解太陽能電池之內部量子效率(Internal quantum efficiency; IQE)，需要先行量測入射到太陽能電池表面的光子數與太陽能電池產生的電荷載子數的比率得到太陽能電池之外部量子效率(External quantum efficiency; EQE)，再進一步測量從太陽能電池表面反射回來的光強度計算反射率(Reflectance; R)，將兩者進行運算以計算出內部量子效率。在過去的量測方法中需要針對外部量子效率與反射率分開進行量測，過程中常會需要拆裝不同的光學元件或是移動樣品至不同儀器才能取得分別的數據，這樣的過程使得量測增添了不確定性並且相當耗時。
顯微光學系統可透過不同物鏡來控制樣品端之光斑大小，且易於加裝各類光學元件或是CCD感測器，以供後續操作及應用，且顯微量子效率量測可以針對樣品特定小範圍進行檢測，給予使用者有更準確的空間資訊。其中反射式物鏡相比折射式透鏡可以避免色散現象，使得在寬的光譜範圍下不會有色差現象所造成量測上的不準確。目前的量子效率量測儀器為直接將光源引入樣品端容易使得樣品上每個位置所受到的照光強度不一致，且大多無法針對面積小於1 mm 2之特殊樣品進行量測，造成使用上的不便。
因此，開發出搭載顯微光學系統之量子效率量測平台且具備有快速檢測以及同步檢測反射率以即時推算出內部量子效率之功能，對於未來太陽能電池開發以及綠能產業之發展有十足的重要性。
本新型創作提供一種可檢測面積小於1 mm 2範圍之顯微量子效率，並同步量測反射率之整合型光學系統，並用以減少太陽能電池效能評估之時間成本及整合相關儀器設備。
本新型顯微量子效率量測系統，用於同步檢測太陽能電池之外部量子效率、反射率與內部量子效率，包含有：一光電激發模組、一收光模組、一光學系統，及一電極模組。
光電激發模組包括一能使太陽能電池產生載子電流的光源與一分光用之單光儀，一使檢測光聚焦於該樣品並收集光訊號之光學系統，一收光模組量測該樣品之反射光強度，與一電極模組用來檢測該樣品產生之光電流。
本創作之顯微量子效率量測系統，係為整合型光學量測裝置，包括準直鏡、分光鏡與反射式物鏡係同軸設置於座體上，座體上具有滑軌並設有一調節節輪控制光學系統於座體上做上下移動以調整光斑聚焦。
本新型創作另提供一種不受限於單光儀轉動速度，可快速並同步量測量子效率及反射率光學系統，整體量測分析時間不超過5秒，包含有：一光電量測模組、一收光模組、一光學系統，及一電極模組。
光電量測模組包括一能使太陽能電池產生載子電流的光源與一產生不同參考頻率之訊號產生器，一使檢測光聚焦於該樣品並收集光訊號之光學系統，一收光模組量測該樣品之反射光強度，與一電極模組用來檢測該樣品產生之光電流並透過軟體進行傅立葉轉換分析。
請參閱第1圖，係提供一種顯微量子效率量測系統的實施例，用於檢測樣品1的顯微量子效率與反射率，該樣品1為半導體材料，例如矽半導體晶圓、染敏太陽能電池，但不限於此。該量測系統包含：一光電激發模組2、一光學系統3、一收光模組4，以及一電極機構5。
該光電激發模組2包括有一個光源21，該光源能發一檢測光211並搭配一個能控制檢測光波長之單光儀22，該檢測光照射該樣品1後被吸收(入射光子能量大於該樣品1之能隙能量)並轉換成載子產生光電流，並藉由電極機構5進行量測並計算該樣品1之外部量子效率，經樣品1反射之反射光則進入收光模組4進行量測並計算該樣品1之反射率與內部量子效率。例如可以使用以下公式來計算內部量子效率： IQE(λ)=EQE(λ)/(1-R(λ))
其中，該光源21可以為LED、任意白光光源(包括但不限於氙燈、氘燈、汞燈、鹵素燈)或其組合，單光儀22可以但不限於稜鏡或反射光柵。
請參閱第2圖，該收光模組4包含但不限於光強度檢測器41、各式光譜儀42。
該電極機構5位於樣品1下方用於承載樣品1，該電極機構5包含一樣本座51、一底部電極與兩上方電極，其中該樣本座51包含一精密三軸電控平台可進行自動移動與對焦。
本實施例中，該光學系統3包括一光纖31將檢測光211導出並進入一準直鏡32用以使檢測光211形成平行光，並且與一分光鏡33同軸。檢測光211經過分光鏡反射進入一反射式物鏡34，該反射式物鏡34使檢測光211匯聚於樣品1上並形成光斑，其光斑面積小於1 mm 2。檢測光211因樣品1而產生之反射光經由反射式物鏡34後穿透一分光鏡33，進入一收光模組4。
請參閱第3圖，該光學系統3位於一座體6上，該座體6連接一調節節輪61與一滑軌62，並與精密三軸電控平台相連進行自動對焦。
請參閱第4圖，係提供另一種快速量子效率光學量測系統的實施例，用於快速檢測樣品1的量子效率與反射率，該量測系統包含：一光電量測模組2、一光學系統3、一收光模組4，以及一電極機構5。
該光電量測模組2包括有一個光源21，該光源能發出一多波長檢測光211並搭配一個能產生多種參考頻率之訊號產生器24，使各波長檢測光211帶有不同的參考頻率，該檢測光照射該樣品1後被吸收(入射光子能量大於該樣品1之能隙能量)並轉換成載子產生光電流，並藉由電極機構5進行量測並計算該樣品1之外部量子效率，經樣品1反射之反射光則進入收光模組4進行量測並計算該樣品1之反射率與內部量子效率。
其中，該光源21可以為任意單波長雷射、LED、任意白光光源(包括但不限於氙燈、氘燈、汞燈、鹵素燈)。
該電極機構5位於樣品1下方用於承載樣品1，該電極機構5包含一樣本座51、一底部電極與兩上方電極，其中該樣本座51包含一精密三軸電控平台可進行自動移動與對焦。
本實施例中，該訊號產生器24會在不同波長之檢測光211中加入不同參考頻率，該檢測光211經過光學系統3後將分別進入收光模組4檢測反射光強度以及一電極機構5量測光電流，並同時對於收集之訊號進行傅立葉轉換分析後計算得到樣品1之內部量子效率。
1:樣品 2:光電激發模組 21:光源 211:檢測光 22:單光儀 23:光電流檢測 24:訊號產生器 3:光學系統 31:光纖 32:準直鏡 33:分光鏡 34:反射式物鏡 4:收光模組 41:光強度檢測器 42:光譜儀 5:電極機構 51:樣本座 52:電極 6:座體 61:調節節輪 62:滑軌
圖1係本揭示內容的顯微量子效率量測系統之一較佳實施例的系統架構圖;及
圖2係本揭示內容的顯微量子效率量測系統之另一實施例的系統架構圖;及
圖3係本創作局部之立體圖。
圖4係本揭示內容的另一快速量子效率量測系統之一較佳實施例的系統架構圖。
1:樣品
2:光電激發模組
21:光源
211:檢測光
22:單光儀
23:光電流檢測
3:光學系統
31:光纖
32:準直鏡
33:分光鏡
34:反射式物鏡
4:收光模組
41:光強度檢測器
5:電極機構
51:樣本座
52:電極

Claims (17)

  1. 一種顯微量子效率量測系統，用於同時檢測太陽能電池之外部量子效率/反射率，包含有：一光電激發模組，包括一個能發出一檢測光並使該太陽能電池產生光電流之光源、一個能收集太陽能電池所產生光電流之檢測模組、一收光模組以量測太陽能電池之反射光強度；與一光學系統，包括一個反射式物鏡置於樣品端前方、一分光鏡置於光源、反射式物鏡及光譜儀之間、光纖搭配準直鏡於單光儀後與收光模組前。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之顯微量子效率量測系統，包含控制檢測光照射於樣品表面之光斑面積大小小於1mm2。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之顯微量子效率量測系統，其中該光源所產生之光波長範圍可為150nm至10μm。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之顯微量子效率量測系統，其中該收光模組可為光強度檢測器或光譜儀。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之顯微量子效率量測系統，其中該光電流之檢測模組包含一可電控三軸精密移動平台且能夠自動移動。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之顯微量子效率量測系統，其中該可電控三軸精密移動平台包含有一組滑軌與調節節輪。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之顯微量子效率量測系統，其中該光電流之檢測模組包含一組電極機構。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之顯微量子效率量測系統，其中將同步進行太陽能電池之外部量子效率以及反射率量測與內部量子效率的計算。
  9. 一種顯微量子效率量測系統，用於快速檢測太陽能電池之外部量子效率/反射率，包含有：一光電量測模組，包括一個能發出一檢測光並使該太陽能電池產生光電流之光源與一訊號產生器、一個能收集該樣品產生光電流之檢測模組、及一收光模組以量測該樣品之反射率；與一光學系統，包括一個反射式物鏡置於樣品端前方、一分光鏡置於光源、反射式物鏡及光譜儀之間、光纖搭配準直鏡於光源後與收光模組前。
  10. 依據申請專利範圍第9項所述之顯微量子效率量測系統，其中該光源所產生之光波長範圍可為150nm至10μm，可為多種雷射光、LED光或其組合。
  11. 依據申請專利範圍第9項所述之顯微量子效率量測系統，其中該訊號產生器所產生之參考頻率範圍至少高於0.1Hz。
  12. 依據申請專利範圍第9項所述之顯微量子效率量測系統，其中該收光模組可為光強度檢測器或光譜儀。
  13. 依據申請專利範圍第9項所述之顯微量子效率量測系統，其中光電流之檢測模組包含一可電控三軸精密移動平台且能夠自動移動。
  14. 依據申請專利範圍第9項所述之顯微量子效率量測系統，其中該光電流之檢測模組包含一組電極機構。
  15. 依據申請專利範圍第9項所述之顯微量子效率量測系統，其中該將同步進行太陽能電池之外部量子效率檢測、反射率量測與內部量子效率的計算。
  16. 依據申請專利範圍第15項所述之顯微量子效率量測系統，並包含自動解析光強度對應時間進行傅立葉轉換運算。
  17. 依據申請專利範圍第15項所述之顯微量子效率量測系統，並包含量測與訊號解析時間不超過5秒。
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