CN101694511A - 一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法 - Google Patents

Abstract

一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，由氙灯光源、聚焦透镜、单色仪组成的光学部分提供单色光；光路封闭仓和暗室屏蔽杂散光，提供太阳能电池的工作环境；数字源表检测样品电池的短路光电流；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。本发明侧重于直流法测量，且是绝对测量，适于多种类型的太阳能电池。本发明具有高集成度、精密的优点，减少了太阳能电池参数测量设备的成本，克服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，能够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。

Description

一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法

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，为一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法。

背景技术

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俱增，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、天威英利、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。1991年瑞士洛桑高等理工学院的M.Gratzel教授报道了全新的染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池的研究成果，其廉价的生产成本、与工业化生产兼容的工艺技术，得到了国际上广泛的关注和重视。随着技术的发展、工艺的成熟以及对低成本的追求，薄膜型太阳能电池将会受到越来越多的关注。

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，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。据了解直流法测量太阳能电池单波长外量子效率，目前国内的自主研发很少，国际上相关的成套设备也不多见，太阳能电池单波长量子效率的测量目前大都采用的交流测量法，而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，会影响测量结果，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

本发明要解决的问题是：现有太阳能电池的量子效率测量方法主要为交流测量法，其测量设备成本高，精度不能满足需求，需要提供一种简单易行，低成本，高精度，高效率的太阳能电池量子效率测量方法。

本发明的技术方案为：一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，包括如下步骤：

1)、准备测量装置，包括氙灯光源、聚焦透镜、单色仪、单色光功率计、数字源表、微计算机和样品架，聚焦透镜采用石英平凸透镜，太阳能电池样品正负极短接数字源表，样品架设置在样品室内，所述样品室为用吸光材料做成暗室，屏蔽杂散光，太阳能电池样品固定于样品架，样品架内置电子温控装置；

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，在氙灯光源到单色仪入射狭缝之间使用吸光材料构建光路封闭仓，对聚焦透镜到单色仪入射狭缝之间的光路进行封闭；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，垂直入射到太阳能电池样品的光敏面上，同时固定太阳能电池样品受光面积的大小，使入射单色光覆盖光敏面，单色仪的出射狭缝直接连接样品室，这里入射单色光是指单色仪的输出光；

4)、样品架内置的电子控温装置保持测试温度满足25±2℃；

5)、设定数字源表工作于“电流测量”模式下，测量太阳能电池样品的短路光电流；

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，数字源表检测到的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)、根据步骤6)数字源表检测到的短路光电流信号，及步骤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：

$\mathrm{EQE}\left(\mathrm{IPCE}\right)=\frac{N_e}{N_p}=\frac{1240\·I_{\mathrm{SC}}}{P_{\mathrm{in}}\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mono}}}$

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，为入射单色光功率，λ_mono，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。

本发明数字源表测量范围为-1A～+1A；在1μA量程下，测量分辨率10pA。

步骤6)中，对于单晶硅太阳能电池样品，波长扫描范围设为300nm～1100nm，波长扫描间隔设为10nm；对于染料敏化太阳能电池样品，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。

现有的太阳能电池外量子效率测量仪器存在很多问题：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，高精度的数字源表和单色光功率计，对太阳能电池样品的短路光电流和入射单色光功率进行直接的绝对测量，不同于现有的对比法的间接对比测量，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、数字源表的精密性保证了本发明的高精度；4、高集成度，本发明作为一个光电探测***，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，能高效地测量太阳能电池单波长外量子效率曲线；5)、简洁，本测量方法相比交流测量，在仪器配制上要简化，节约了成本。

本发明侧重于直流法测量，且是绝对测量，能针对多种类型的太阳能电池。本发明为一套光电集成***，集分光、微弱光电检测、信号分析、微机接口控制于一体，具有高集成度、精密的优点，相比现有的交流测量法其成本要低，本发明的成本为一般交流测量法的设备的三分之二左右；相比现有的交流测量法采用的对比测量，本发明所采用的绝对测量，测量结果更为准确。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。本发明减少了太阳能电池参数测量设备的成本，克服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，能够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

如图1，本发明方法包括以下步骤：

1)、准备测量装置，包括氙灯光源1、聚焦透镜2、单色仪5、单色光功率计、数字源表9、微计算机10和样品架8，聚焦透镜2采用石英平凸透镜，太阳能电池样品7正负极短接数字源表9，样品架8设置在样品室6内，所述样品室为用吸光材料做成暗室，屏蔽杂散光，太阳能电池样品7固定于样品架8，样品架8内置电子温控装置；

2)、利用汞灯光谱的特征谱线校准单色仪5，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5的入射狭缝处，在氙灯光源1到单色仪5入射狭缝之间使用吸光材料构建光路封闭仓4，对聚焦透镜到单色仪入射狭缝之间的光路进行封闭，避免外界杂散光对光路的影响；单色仪入射狭缝处设有多块滤光片3，组成一个滤光片轮，用来消除二级光谱的影响，滤光片3由单色仪5自身的操作软件来控制其转换；单色仪入射狭缝处的入射光经单色仪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，垂直入射到太阳能电池样品7的光敏面上，同时固定太阳能电池样品受光面积的大小，使入射单色光覆盖光敏面，单色仪的出射狭缝直接连接样品室6，这里入射单色光是指单色仪的输出光；

4)、样品架8内置的电子控温装置保持测试温度满足25±2℃，为了测量的准确，样品室6用吸光材料做成暗室，屏蔽杂散光；

5)、设定数字源表9工作于“电流测量”模式下，测量太阳能电池样品7的短路光电流；数字源表9必须满足高精度的要求，测量范围为-1A～+1A；在1μA量程下，测量分辨率可达10pA，以达到检测微弱信号的目的；

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5进行扫描，数字源表9检测到的电压降信号随之存入微计算机；

7)、将样品架8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10；由于该步骤和步骤6)是先后进行，所以对单色仪5的重复性和氙灯光源1的功率稳定性有很高的要求，单色仪的重复性要求可达0.05nm，氙灯光源的光抖动要求在1％以内；

8)、根据数字源表9检测到的短路光电流信号，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，即入射单色光光电转换效率：

$\mathrm{EQE}\left(\mathrm{IPCE}\right)=\frac{N_e}{N_p}=\frac{1240\·I_{\mathrm{SC}}}{P_{\mathrm{in}}\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mono}}}$

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，为入射单色光功率，λ_mono，单位nm，为入射单色光波长。

本发明的原理：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；光路封闭仓和暗室屏蔽杂散光，提供太阳能电池的工作环境；数字源表检测样品电池的短路光电流；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，利用卓立汉光单色仪、Keithley数字源表、Newport单色光功率计，在25±2℃的测试温度下、在暗背景下，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。精密数字源表工作在“电流测量”模式下，测量范围为-1A～+1A；在1μA量程下，测量分辨率可达10pA，如此高的精度保证了此数字源表对微弱信号的准确检测。整个过程，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，在暗室中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。利用电子控温装置，使测试温度在25±2℃的范围内；

3)启用数字源表检测太阳能电池样品正负极间的短路光电流信号，数字源表工作在“电流测量”模式下。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)根据步骤3)数字源表检测到的短路光电流信号，再考虑到步骤4)测得的单色光功率值。依据公式：

$\mathrm{EQE}\left(\mathrm{IPCE}\right)=\frac{N_e}{N_p}=\frac{1240\·I_{\mathrm{SC}}}{P_{\mathrm{in}}\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mono}}}$

得到整个波长扫描范围内太阳能电池单波长外量子效率及其曲线。式中，N_e为电子数；N_p为入射单色光光子数；I_SC(μA)为太阳能电池短路光电流；P_in(μW)为入射单色光功率，λ_mono(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。

现有太阳能电池单波长量子效率的测量中很少有直流测量法方面的技术方案，而主要采用的交流测量法。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，而本发明采用的直流测量法取消了光学斩波器，从根本上消除了这一影响；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，用数字源表直接获得电子数，从根本上避免了测量中的不确定因素，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。

Claims (9)

1.一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，其特征包括如下步骤：

1)、准备测量装置，包括氙灯光源、聚焦透镜、单色仪、单色光功率计、数字源表、微计算机和样品架，聚焦透镜采用石英平凸透镜，太阳能电池样品正负极短接数字源表，样品架设置在样品室内，所述样品室为用吸光材料做成暗室，屏蔽杂散光，太阳能电池样品固定于样品架，样品架内置电子温控装置；

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，在氙灯光源到单色仪入射狭缝之间使用吸光材料构建光路封闭仓，对聚焦透镜到单色仪入射狭缝之间的光路进行封闭；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，垂直入射到太阳能电池样品的光敏面上，同时固定太阳能电池样品受光面积的大小，使入射单色光覆盖光敏面，单色仪的出射狭缝直接连接样品室，这里入射单色光是指单色仪的输出光；

4)、样品架内置的电子控温装置保持测试温度满足25±2℃；

5)、设定数字源表工作于“电流测量”模式下，测量太阳能电池样品的短路光电流；

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，数字源表检测到的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)、根据步骤6)数字源表检测到的短路光电流信号，及步骤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：

$\mathrm{EQE}\left(\mathrm{IPCE}\right)=\frac{N_e}{N_p}=\frac{1240\·I_{\mathrm{SC}}}{P_{\mathrm{in}}\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{mono}}}$

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，为入射单色光功率，λ_mono，单位nm，为入射单色光波长。

2.根据权利要求1所述的一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，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所述的一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，其特征是数字源表测量范围为-1A～+1A；在1μA量程下，测量分辨率10pA。

4.根据权利要求1或2所述的一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，其特征是步骤6)中，对于单晶硅太阳能电池样品，波长扫描范围设为300nm～1100nm，波长扫描间隔设为10nm；对于染料敏化太阳能电池样品，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所述的一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，其特征是步骤6)中，对于单晶硅太阳能电池样品，波长扫描范围设为300nm～1100nm，波长扫描间隔设为10nm；对于染料敏化太阳能电池样品，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所述的一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，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所述的一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，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所述的一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，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所述的一种直流法绝对测量太阳能电池外量子效率的方法，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。

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