一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法
专利汇可以提供一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种普适的 太阳能 电池 外 量子效率 交流测量方法，由氙灯 光源 、聚焦透镜和单色仪组成光学部分提供单色光；偏置光源提供 太阳能电池 的工作环境；光学斩波器、 锁 相 放大器 利用锁相技术检测取样 电阻 两端的 电压 降；单色光功率计探测入射单色光的功率；微计算机进行仪器控制和 数据处理 ；最后得到太阳能电池单 波长 外量子效率 曲线。本 发明 侧重于交流测量法，具有普适性，能用于多种类型的太阳能电池，本发明为一套光电集成系统，具有快速、精密的优点，减少了太阳能电池参数测量设备的成本，提高 信号 强度与 精度 ，提供更加全面的电池参数信息，用以指导制备工艺的改进，以及进行部分电池机理的研究。，下面是一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法专利的具体信息内容。
1.一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法，其特征包括以下步骤：
1)、准备测量装置，包括氙灯光源、聚焦透镜、单色仪、光学斩波器、锁相放大器、单色光功率计、微计算机和样品架，聚焦透镜采用石英平凸透镜，样品架用于固定太阳能电池，样品架内置电子温控装置和取样电阻，取样电阻短接在太阳能电池正负极两端；
2)、利用汞灯光谱的特征谱线校准单色仪，首先校准0级，其次校准1级：任选一条汞的特征谱线校准；
3)、调节氙灯光源，氙灯光源出射平行光，经石英平凸透镜二次聚焦在单色仪的入射狭缝处，入射光经单色仪分光，分光装置为3块互成60°夹角的闪耀光栅，得到的单色光汇聚后，由单色仪的出射狭缝射出，垂直入射到待测太阳能电池的光敏面上，同时固定太阳能电池受光面积的大小，使入射单色光覆盖光敏面，这里入射单色光是指单色仪的输出光；
4)、以太阳光模拟器作为偏置光源，用标准硅电池对偏置光进行标定，偏置光符合AM 1.5，偏置光覆盖太阳能电池整个表面，通过样品架内置电子控温装置保持测试温度在25±2℃；
5)、单色仪的入射狭缝前设置光学斩波器，光学斩波器通过斩波频率对经石英平凸透镜二次聚集的入射光进行强度调制，经单色仪后得到交变的入射单色光，光学斩波器的斩波频率由同轴电缆输入锁相放大器的参考输入端，样品架取样电阻两端的电压降信号由同轴电缆输入锁相放大器的信号输入端，锁相放大器检测频率与光学斩波器提供的参考频率一致的电压降信号；
6)、确定单色仪的扫描参数，包括：波长扫描范围、扫描间隔和扫描次数，设定之后，由微计算机控制单色仪进行扫描，锁相放大器检测到的电压降信号随之存入微计算机；
7)、将样品架上的太阳能电池调换为单色光功率计，单色光光斑覆盖功率计探头的光敏面，但不超出，单色仪重复步骤6)的扫描，由单色光功率计得到的单色光功率值存入微计算机；
8)、根据锁相放大器检测到的电压降信号，再结合所选的取样电阻的阻值，应用欧姆定律，算得单色光下太阳能电池的短路电流，结合步骤7)测得的单色光功率值，在整个波长扫描范围内，得到太阳能电池单波长外量子效率，也即入射单色光光电转换效率：
式中，EQE为太阳能电池单波长外量子效率，IPCE为入射单色光光电转换效率，Ne为电子数，Np为入射单色光光子数，ISC，单位μA，为太阳能电池短路光电流，Pin，单位μW，为入射单色光功率，λmono，单位nm，为入射单色光波长。
2.根据权利要求1所述的一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法，其特征是单色仪入射狭缝处设有多块滤光片，组成一个滤光片轮，用来消除二级光谱的影响，滤光片由单色仪自身的操作软件来控制滤光片轮的转换，即从一个滤光片转到下一个滤光片。
3.根据权利要求1或2所述的一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法，其特征是取样电阻阻值0.1～0.5Ω，精度1％，材质为金属膜电阻或线绕电阻。
4.根据权利要求1或2所述的一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法，其特征是步骤5)中，对于单晶硅太阳能电池，斩波频率定为31Hz；对于染料敏化太阳能电池，斩波频率定为7Hz；步骤6)中设定单色仪的扫描参数，对于单晶硅太阳能电池，波长扫描范围设为300nm～1100nm，波长扫描间隔设为10nm；对于染料敏化太阳能电池，波长扫描范围设为300nm～800nm，波长扫描间隔设为10nm；步骤7)中单色光功率计的测量波段是：200nm-1100nm。
5.根据权利要求3所述的一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法，其特征是步骤5)中，对于单晶硅太阳能电池，斩波频率定为31Hz；对于染料敏化太阳能电池，斩波频率定为7Hz；步骤6)中设定单色仪的扫描参数，对于单晶硅太阳能电池，波长扫描范围设为300nm～1100nm，波长扫描间隔设为10nm；对于染料敏化太阳能电池，波长扫描范围设为300nm～800nm，波长扫描间隔设为10nm；步骤7)中单色光功率计的测量波段是：200nm-1100nm。
6.根据权利要求1或2所述的一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法，其特征是氙灯光源的光抖动在1％以内，输出功率1000W；单色仪具备高精度和可重复性，分辨率：0.05nm，波长435.8nm处，缝宽10μm，准确度：0.2nm，1200g/mm光栅，重复性：0.05nm。
7.根据权利要求3所述的一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法，其特征是氙灯光源的光抖动在1％以内，输出功率1000W；单色仪具备高精度和可重复性，分辨率：0.05nm，波长435.8nm处，缝宽10μm，准确度：0.2nm，1200g/mm光栅，重复性：0.05nm。
8.根据权利要求4所述的一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法，其特征是氙灯光源的光抖动在1％以内，输出功率1000W；单色仪具备高精度和可重复性，分辨率：0.05nm，波长435.8nm处，缝宽10μm，准确度：0.2nm，1200g/mm光栅，重复性：0.05nm。
9.根据权利要求5所述的一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法，其特征是氙灯光源的光抖动在1％以内，输出功率1000W；单色仪具备高精度和可重复性，分辨率：0.05nm，波长435.8nm处，缝宽10μm，准确度：0.2nm，1200g/mm光栅，重复性：0.05nm。
技术领域
本发明涉及半导体材料应用领域和测试领域，尤其是太阳能电池外量子效率或入射单色光光电转换效率的测试，为一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法。
背景技术
光伏发电的基本单元是太阳能电池，所以要提高太阳能的利用效率，就需要太阳能电池具有较高的光电转化效率。国际上，相继发展了单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、碲化镉、铜铟镓锡等无机物太阳能电池，其中砷化镓多结电池的实验室效率已达40.7％。另外，为了更好的利用太阳能，要求太阳能电池具有低廉的制作成本，相继出现了染料敏化太阳能电池、有机小分子太阳能电池和有机聚合物太阳能电池。
一块太阳能电池质量的高低，最关键的指标是光电转换效率。科研实验室和工业界采用各种手段来优化其各项性能参数，例如晶体硅电池，对其上表面进行织构化、蒸镀减反射膜以增加对太阳光的吸收，目的是提高光电转换效率。对太阳能电池光电转换性能的表征，目前主要有两种测量手段。一是，在标准太阳光模拟器照射下，对太阳能电池进行I-V曲线测量，得到开路电压、短路电流、填充因子、光电转换效率等各项参数；二是，入射光源经单色仪分光之后得到一定强度的单色光，然后测量太阳能电池在不同波长单色光下的外量子效率和内量子效率。前一种测量手段是宏观的，后一种测量手段是微观的，后一种手段能提供更为丰富的信息，对于太阳能电池的研究显得尤为重要。例如，可以从外量子效率曲线上得到某种太阳能电池对太阳光的波长响应范围；对比某种太阳能电池优化前后的两条外量子效率曲线，可以明显看到在哪些波段发生了变化，进一步可以确定变化的量值；甚至可以藉此做一部分太阳能电池机理的研究工作。
太阳能电池单波长量子效率的测量分为两种，一种为直流测量法，另一种为交流测量法。但是目前的交流测量法大多参数测量设备成本较高，测量信号强度不足，精度不高，可靠性也不稳定。现有的交流测量法存在一个较大的问题是，测量过程中光学斩波器的斩波频率会和太阳能电池的内部电容产生耦合，尤其是对一些电容特性比较显著的太阳能电池，比如染料敏化太阳能电池，影响测量结果；另外一个问题是现有的交流测量法采用一块已经标定过的电池进行对比测量，这种方法容易产生二次误差。
发明内容
本发明的技术方案为：一种普适的太阳能电池外量子效率交流测量方法，包括以下步骤：
1)、准备测量装置，包括氙灯光源、聚焦透镜、单色仪、光学斩波器、锁相放大器、单色光功率计、微计算机和样品架，聚焦透镜采用石英平凸透镜，样品架用于固定太阳能电池，样品架内置电子温控装置和取样电阻，取样电阻短接在太阳能电池正负极两端；
2)、利用汞灯光谱的特征谱线校准单色仪，首先校准0级，其次校准1级：任选一条汞的特征谱线校准；
3)、调节氙灯光源，氙灯光源出射平行光，经石英平凸透镜二次聚焦在单色仪的入射狭缝处，入射光经单色仪分光，分光装置为3块互成60°夹角的闪耀光栅，得到的单色光汇聚后，由单色仪的出射狭缝射出，垂直入射到待测太阳能电池的光敏面上，同时固定太阳能电池受光面积的大小，使入射单色光覆盖光敏面，这里入射单色光是指单色仪的输出光；
4)、以太阳光模拟器作为偏置光源，用标准硅电池对偏置光进行标定，偏置光符合AM 1.5，偏置光覆盖太阳能电池整个表面，通过样品架内置电子控温装置保持测试温度在25±2℃；
5)、单色仪的入射狭缝前设置光学斩波器，光学斩波器通过斩波频率对经石英平凸透镜二次聚集的入射光进行强度调制，经单色仪后得到交变的入射单色光，光学斩波器的斩波频率由同轴电缆输入锁相放大器的参考输入端，样品架取样电阻两端的电压降信号由同轴电缆输入锁相放大器的信号输入端，锁相放大器检测频率与光学斩波器提供的参考频率一致的电压降信号；
6)、确定单色仪的扫描参数，包括：波长扫描范围、扫描间隔和扫描次数，设定之后，由微计算机控制单色仪进行扫描，锁相放大器检测到的电压降信号随之存入微计算机；
7)、将样品架上的太阳能电池调换为单色光功率计，单色光光斑覆盖功率计探头的光敏面，但不超出，单色仪重复步骤6)的扫描，由单色光功率计得到的单色光功率值存入微计算机；
8)、根据锁相放大器检测到的电压降信号，再结合所选的取样电阻的阻值，应用欧姆定律，算得单色光下太阳能电池的短路电流，结合步骤7)测得的单色光功率值，在整个波长扫描范围内，得到太阳能电池单波长外量子效率，也即入射单色光光电转换效率：
式中，EQE为太阳能电池单波长外量子效率，IPCE为入射单色光光电转换效率，Ne为电子数，Np为入射单色光光子数，ISC，单位μA，为太阳能电池短路光电流，Pin，单位μW，为入射单色光功率，λmono，单位nm，为入射单色光波长。
进一步的，单色仪入射狭缝处设有多块滤光片，组成一个滤光片轮，用来消除二级光谱的影响，滤光片由单色仪自身的操作软件来控制滤光片轮的转换，即从一个滤光片转到下一个滤光片。
作为优选，取样电阻阻值0.1～0.5Ω，精度1％，材质为金属膜电阻或线绕电阻。
步骤5)中，对于单晶硅太阳能电池，斩波频率定为31Hz；对于染料敏化太阳能电池，斩波频率定为7Hz；步骤6)中设定单色仪的扫描参数，对于单晶硅太阳能电池，波长扫描范围设为300nm～1100nm，波长扫描间隔设为10nm；对于染料敏化太阳能电池，波长扫描范围设为300nm～800nm，波长扫描间隔设为10nm；步骤7)中单色光功率计的测量波段是：200nm-1100nm。
作为优选方式，氙灯光源的光抖动在1％以内，输出功率1000W；单色仪具备高精度和可重复性，分辨率：0.05nm，波长435.8nm处，缝宽10μm，准确度：0.2nm，1200g/mm光栅，重复性：0.05nm。
现有的交流测量法的仪器存在很多问题：如光源功率不够，测量精度不够，也得不到好的测量结果等，或者是过于集成，不便于后续的再开发；最大的问题是采用标定过的电池作为衡量待测电池量子效率的基础，易引入二次误差。
本发明相比具有以下特点：1)绝对测量，本发明测量电池本身的参数得到测量结果，不同于现有的对比法，避免了二次误差；2)、普适，适用于多种类型的太阳能电池外量子效率的测量；3)、高精度，氙灯光源的高稳定性、单色仪的高重复性、作为取样电阻的精密电阻以及作为微弱信号检测的锁相技术保证了本发明的高精度；4)、高集成度同时兼顾扩展性，本发明作为一个光电探测系统，仪器的运行控制、信号的采集、数据的存储与处理都由微计算机来执行；5)、高效，由于本发明具有高集成度，所以能高效地测量太阳能电池单波长外量子效率曲线。
本发明侧重于交流测量法，且具有普适性，能用于多种类型的太阳能电池。针对光学斩波器的斩波频率会和太阳能电池的内部电容产生耦合的问题，本发明优化了光学斩波器的斩波频率，对于电容特性弱的太阳能电池，比如单晶硅太阳能电池，推荐斩波频率为31Hz，对于电容特性显著的太阳能电池，比如染料敏化太阳能电池，推荐斩波频率为7Hz。本发明采用高精度的单色光功率计直接测量单色光功率，避免引入二次误差。本发明各部件均采用高精度设备，进而保证了整套设备的测量精度，光源1000W的功率，也保证了测量信号有足够的强度。
本发明为一套光电集成系统，集分光、微弱光电检测、信号分析、微机接口控制于一体，具有快速、精密的优点。利用本发明，对各种类型的太阳能电池测量其单波长外量子效率曲线，对于研究人员进行电池的工艺改进，有着很大的指导意义。本发明克服了传统量子效率测量方法中的技术不足，提高信号强度与精度，测量的稳定性好，提供更加全面的电池参数信息，用以指导制备工艺的改进，以及进行部分电池机理的研究。
附图说明
图1为本发明方法具体实现的测量装置方框图。
图2(a)为由本发明方法得到的单晶硅太阳能电池光电流曲线。
图2(b)为对应图2(a)的入射单色光功率曲线。
图3为由本发明方法得到的单晶硅太阳能电池外量子效率曲线。
图4(a)为由本发明方法得到的染料敏化太阳能电池光电流曲线。
图4(b)为对应图4(a)的入射单色光功率曲线。
图5为由本发明方法得到的染料敏化太阳能电池外量子效率曲线。
具体实施方式
1)、准备测量装置，包括氙灯光源1、聚焦透镜2、单色仪5、光学斩波器3、锁相放大器9、单色光功率计、微计算机10和样品架8，聚焦透镜2采用石英平凸透镜，样品架8用于固定太阳能电池7，样品架8内置电子温控装置和取样电阻，取样电阻短接在太阳能电池正负极两端；
2)、利用汞灯光谱的特征谱线校准单色仪5，单色仪5入射狭缝处设有多块滤光片4，组成一个滤光片轮，用来消除二级光谱的影响，滤光片4由单色仪5自身的操作软件来控制其转换；
3)、调节氙灯光源1，氙灯光源1出射平行光，经石英平凸透镜二次聚焦在单色仪的入射狭缝处，入射光经单色仪5分光，分光装置为3块互成60°夹角的闪耀光栅，得到的单色光汇聚后，由单色仪5的出射狭缝射出，垂直入射到待测太阳能电池7的光敏面上，同时固定太阳能电池7受光面积的大小，使入射单色光覆盖光敏面，入射单色光是指单色仪的输出光，；
4)、以太阳光模拟器作为偏置光源6，用标准硅电池对偏置光进行标定，偏置光符合AM 1.5，偏置光覆盖太阳能电池整个表面，通过样品架8内置电子控温装置保持测试温度在25±2℃；
5)、单色仪5的入射狭缝前设置光学斩波器3，光学斩波器3通过斩波频率对经石英平凸透镜二次聚集的入射光进行强度调制，经单色仪后得到交变的入射单色光，光学斩波器3的斩波频率由同轴电缆输入锁相放大器9的参考输入端，样品架8取样电阻两端的电压降信号由同轴电缆输入锁相放大器9的信号输入端，锁相放大器检测频率与光学斩波器提供的参考频率一致的电压降信号；
6)、确定单色仪5的扫描参数，包括：波长扫描范围、扫描间隔和扫描次数，设定之后，由微计算机10控制单色仪进行扫描，锁相放大器9检测到的信号随之存入微计算机10；
7)、将样品架8上的太阳能电池7调换为单色光功率计，单色光光斑覆盖功率计探头的光敏面，但不超出，单色仪5重复步骤6)的扫描，由单色光功率计得到的单色光功率值存入微计算机，单色仪的重复性要求达到0.05nm，氙灯光源的光抖动要求在1％以内；
8)、根据锁相放大器9检测到的电压降信号，再结合所选的取样电阻的阻值，应用欧姆定律，算得单色光下太阳能电池的短路电流，结合步骤7)测得的单色光功率值，在整个波长扫描范围内，得到太阳能电池单波长外量子效率，也即入射单色光光电转换效率：
式中，EQE为太阳能电池单波长外量子效率，IPCE为入射单色光光电转换效率，Ne为电子数，Np为入射单色光光子数，ISC，单位μA，为太阳能电池短路光电流，Pin，单位μW，为入射单色光功率，λmono，单位nm，为入射单色光波长。
本发明方法的原理：氙灯光源、聚焦透镜、单色仪组成的光学部分提供一定强度的单色光；偏置光源提供太阳能电池的工作环境；光学斩波器、锁相放大器利用锁相技术检测取样电阻两端的电压降；单色光功率计探测入射单色光的功率；微计算机集仪器控制、信号采集、数据存储功能于一身；最后，依据外量子效率公式对数据进行处理，得到太阳能电池单波长外量子效率曲线。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
采用Newport 1000W氙灯光源作为入射光源、Newport太阳光模拟器作为偏置光源，利用卓立汉光单色仪、Stanford光学斩波器、Stanford锁相放大器、一小阻值精密电阻作为取样电阻、Newport单色光功率计，在25±2℃的测试温度下，测量单晶硅太阳能电池和染料敏化太阳能电池样品在紫外至可见光波段范围内的单波长外量子效率。
Newport 1000W氙灯光源的光抖动小于1％，保证了这套设备的精度和稳定性，同时，1000W的输出功率也保证了入射单色光具有较高的强度，利于信号的检测。卓立汉光单色仪具备高精度和可重复性，分辨率：0.05nm，波长435.8nm处，缝宽10μm，准确度：0.2nm，1200g/mm光栅，重复性：0.05nm。Stanford光学斩波器和Stanford锁相放大器构成的锁相检测技术，作为微弱信号检测的一种方式，锁相放大器只检测频率与光学斩波器提供的参考频率一致的电压降信号。整个测量过程，包括仪器的控制、信号的采集、数据的存储和处理皆由微计算机执行。
1)利用汞灯光谱的特征谱线校准单色仪，首先校准0级，其次任选一条汞的特征谱线，253.65nm、313.20nm、365.48nm、404.72nm、435.84nm等进行校准；
2)打开氙灯光源，调试光路得到单色光，把太阳能电池固定于样品架，单色光垂直入射至太阳能电池光敏面上，且尽量覆盖，打开太阳光模拟器，用标准硅电池标定至AM 1.5，偏置光覆盖整个样品表面。利用电子控温装置，使测试温度在25±2℃的范围内；
3)光学斩波器工作，得到交变的入射单色光。对于单晶硅样品，斩波频率定为31Hz；对于染料敏化样品，斩波频率定为7Hz。精度为1％的取样电阻的阻值定为0.22Ω，启用锁相放大器检测取样电阻两端的电压降信号。设定单色仪的扫描参数，扫描完毕后数据存入微计算机，对于单晶硅样品，波长扫描范围设为300nm～1100nm，波长扫描间隔设为10nm；对于染料敏化样品，波长扫描范围设为300nm～800nm，波长扫描间隔设为10nm。
4)把样品架上的电池样品替换为单色光功率计，单色光垂直入射至功率计探头光敏面上，且尽量覆盖，设定单色仪的扫描参数，设定值同步骤3)，扫描完毕后数据存入微计算机；
5)根据锁相放大器检测到的电压降信号，再结合所选的取样电阻的阻值，应用欧姆定律，算得单色光下太阳能电池的短路电流，再考虑到步骤4)测得的单色光功率值，依据公式：
得到整个波长扫描范围内太阳能电池单波长外量子效率曲线。式中，Ne为电子数，Np为入射单色光光子数，ISC，单位μA，为太阳能电池短路光电流，Pin，单位μW，为入射单色光功率，λmono，单位nm，为入射单色光波长。数据处理结果见图2、3、4、5。图2(a)为由本发明方法得到的单晶硅太阳能电池光电流曲线。图2(b)为对应图2(a)的入射单色光功率曲线。图3为由本发明方法得到的单晶硅太阳能电池外量子效率曲线。图4(a)为由本发明方法得到的染料敏化太阳能电池光电流曲线。图4(b)为对应图4(a)的入射单色光功率曲线。图5为由本发明方法得到的染料敏化太阳能电池外量子效率曲线。
现有的交流测量法存在一个较大的问题是，测量过程中光学斩波器的斩波频率会和太阳能电池的内部电容产生耦合，尤其是对一些电容特性比较显著的太阳能电池，比如染料敏化太阳能电池，影响测量结果，本发明对此进行了专门的优化，斩波频率越低，耦合越弱，测量结果也就越准确，所以对电容特性低的硅电池，选择31Hz的斩波频率，对电容特性较显著的染料敏化电池，选择7Hz的斩波频率；另外一个问题是现有的交流测量法采用一块已经标定过的电池进行对比测量，这种方法容易产生二次误差，特别是标定的电池是否准确还有待确认；本发明用单色光功率计直接获得入射单色光光子数，从根本上避免了测量中的不确定因素，用锁相技术结合小阻值精密电阻获得电子数，因此测量准确，使用的各种高精度仪器以及设置优化参数保证了测量的精度。
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