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。本发明专利技术侧重于交流测量法，具有普适性，能用于多种类型的太阳能电池，本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
能源是人类社会存在和赖以发展的物质基础。随着人类社会的不断发展，尤其是 二战之后，世界经济进入了全新的发展时期，对能源的需求也与日倶增，煤炭、石油、天然气 等矿物能源被大量的消耗，人类面临日益严峻的能源危机和环境危机。由于能源消费构成 的不同，发展中国家面临的问题尤为严重。以中国为例，2006年的统计数据显示煤炭占一 次能源消费构成的69. 7% ，石油占20. 3% ，天然气占3% 。目前，加快开发与利用风能、太阳 能等可再生能源已成为国际社会的共识。其中，太阳能取之不尽，用之不竭，且不受地域限 制而备受瞩目。近些年，太阳能光伏发电产业增长迅速，造就了无锡尚德、天威英禾U、南京中 电等著名企业。 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。 —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。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是现有太阳能电池的量子效率测量方法测量设备精度不能 满足需求，需要提供一种简单易行，高精度，高效率的太阳能电池量子效率测量方法。 本专利技术的技术方案为，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°C ; 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<formula>formula see original document page 5</formula> 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，1^，单位PA，为太阳能电池短路光电流，Pin，单位P W， 为入射单色光功率，A m。n。，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cn iomom a 到下一个滤光片。 作为优选，取样电阻阻值O. 1 0.5Q，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IOOOW;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10 y m，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。 本专利技术相比具有以下特点1)绝对测量，本专利技术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)、高精本文档来自技高网...
【技术保护点】
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ＡＭ１．５，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：ＥＱＥ（ＩＰＣＥ）＝Ｎ↓［ｅ］／Ｎ↓［ｐ］＝１２４０.Ｉ↓［ＳＣ］／Ｐ↓［ｉｎ］.λ↓［ｍｏｎｏ］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，Ｎ↓［ｅ］为电子数，Ｎ↓［ｐ］为入射单色光光子数，Ｉ↓［ＳＣ］，单位μＡ，为太阳能电池短路光电流，Ｐ↓［ｉｎ］，单位μＷ，为入...
【技术特征摘要】
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 <mrow><mi>EQE</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>IPCE</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>N</mi><mi>e</mi> </msub> <msub><mi>N</mi><mi>p</mi> </msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>1240</mn><mo>·</mo><msub> <mi>I</mi> <mi>SC</mi></msub> </mrow> <mrow><msub> <mi>P</mi> <mi>in</mi></msub><mo>&Center...
【专利技术属性】
技术研发人员：于涛，薛国刚，田志鹏，田汉民，邹志刚，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]
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