CN110398345A - 光伏器件单发次超快响应过程测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光伏器件单发次超快响应过程测量***，包括分束镜、折叠镜、非线性动力学过程传输光路、可见光时间响应传输光路、X射线时间响应传输光路、光伏器件和记录模块。采用以上技术方案，通过泵浦‑激发的方式测量非线性动力学过程以及光伏器件的时间响应过程，既可用可见光波段激发，也可用X射线激发；利用单一发次激光或者X射线激发的方法测量，能够同时测量光伏器件的时间响应过程以及非线性动力学过程；可以在光伏器件工作状态下进行测量，无需开展分解实验；测量时间分辨率可以根据测量需求不同进行调节；适用范围广，不仅适用于光伏器件，也适用于其他类似的有源器件。因此，具有时间分辨率高、可调谐、适用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光伏器件超快响应过程测量技术领域，具体涉及一种光伏器件单发次超快响应过程测量***。
背景技术
PbS量子点的吸收在近红外波段，而AgInZnS量子点的吸收在可见光波段，两者结合可以保证太阳光中的不同波长成分都能被吸收和利用。另外，量子点中含有高原子序数的Pb，使得器件对X射线辐照有明显响应。因此，基于PbS和AgInZnS量子点的光伏器件在可见光波段和X射线波段有广泛的应用前景，可用于太阳能电池、可见光探测器、X射线探测器等。光伏器件的时间响应过程是器件的重要指标，测量一般是采用示波器；而光伏器件的非线性动力学过程测量则有多种方法。
目前材料中载流子产生、跃迁与弛豫等超快过程的研究，一般是利用飞秒泵浦-探测的方法。利用空间上的位置变化获得光束在时间上的延迟关系。改变光学延迟线，使得泵浦光和探测光之间有一定的时间延迟，测量探测光经过样品之后的强度变化。该强度变化就能反映样品中激发态载流子的弛豫过程。通过建立探测光强度与时间延迟的关系，也就能得到载流子跃迁与弛豫的时间分辨过程。探测光和泵浦光的波长可以不同，可分为单色、双色或者多色泵浦探测。然而该方法需要对样品进行多次激发，测量数据是在不断改变延迟时间，激光多次激发样品后获得的，无法保证测量条件的同一性，因此，目前还没有任何***或者方法能够实现在同一平台上，可以用可见光或X射线辐照，单发次激发，同时测量时间响应过程及非线性动力学过程。
发明内容
为解决目前无法在同一平台上，用可见光或X射线辐照，单发次激发，同时测量时间响应过程及非线性动力学过程的技术问题，本发明提供了一种光伏器件单发次超快响应过程测量***。
其技术方案如下：
一种光伏器件单发次超快响应过程测量***，其要点在于，包括分束镜、折叠镜、非线性动力学过程传输光路、可见光时间响应传输光路、X射线时间响应传输光路、光伏器件以及用于测量光伏器件时间响应和非线性动力学过程的记录模块，所述非线性动力学过程传输光路具有氟化钙和玻璃棒；
一束超短脉冲激光由分束镜透射和反射分为两束；折叠镜展开时，分束镜透射的一束超短脉冲激光作为泵浦光经可见光时间响应传输光路聚焦到光伏器件上；折叠镜收起时，分束镜透射的一束超短脉冲激光经折叠镜进入X射线时间响应传输光路产生X射线，该X射线能够辐照光伏器件；分束镜反射的一束超短脉冲激光进入非线性动力学过程传输光路，该束超短脉冲激光在非线性动力学过程传输光路中聚焦到氟化钙上产生超连续谱作为探测光，该探测光进入玻璃棒产生啁啾脉冲，其中啁啾脉冲能够与泵浦光或X射线同时作用于光伏器件上。
采用以上结构，通过泵浦-激发的方式测量非线性动力学过程以及光伏器件的时间响应过程，既可以用可见光波段激发，也可以用X射线激发；利用单一发次激光或者X射线激发的方法测量，能够同时测量光伏器件的时间响应过程以及非线性动力学过程；并且，可以在光伏器件工作状态下进行测量，无需开展分解实验；同时，测量时间分辨率可以根据测量需求不同进行调节；而且适用范围广，不仅适用于光伏器件，也适用于其他类似的有源器件。因此，具有时间分辨率高、可调谐、适用范围广等优点。
作为优选：所述非线性动力学过程传输光路还包括第一衰减片、延迟组件、第一聚焦透镜、第一抛物面镜、第一短波通滤光片、第二抛物面镜、第一偏振片，所述第一衰减片、延迟组件和第一聚焦透镜在分束镜和氟化钙之间依次传输，所述第一抛物面镜和第一短波滤光片在氟化钙和玻璃棒之间依次传输，所述第二抛物面镜和第一偏振片在玻璃棒和光伏器件之间依次传输。采用以上结构，通过延迟组件能够方便地改变光程，使啁啾探测光的某一波长与泵浦光在时间上重合。
作为优选：所述延迟组件包括第一反射镜、第二反射镜、平移台和设置在平移台上的中空回射器，所述第一反射镜、中空回射器和第二反射镜在第一衰减片和第一聚焦透镜之间依次传输，所述中空回射器能够在平移台的驱动下移动，以改变光路长度。采用以上结构，不仅光程调节的精确度高，而且操作便捷。
作为优选：所述记录模块包括光谱仪、CCD和用于记录光伏器件时间响应过程的示波器，所述示波器与光伏器件电连接，在所述光伏器件和光谱仪之间依次设置有第二偏振片和第二聚焦透镜，所述第二偏振片与第一偏振片正交；
经过光伏器件的信号光依次经过第二偏振片和第二聚焦透镜被光谱仪色散，由CCD记录下透射光谱。
采用以上结构，在示波器上能记录下样品的时间响应过程；在CCD上能记录下光谱的测量结果，根据波长就能获得非线性动力学过程。
作为优选：所述可见光时间响应传输光路包括在折叠镜和光伏器件之间依次传输的第二衰减片、倍频晶体、第二短波通滤光片、第一反射镜组、第三偏振片、通光小孔、第三聚焦透镜。采用以上结构，设计合理，稳定可靠，产生波长可控的啁啾脉冲，并最终聚焦到光伏器件上。
作为优选：所述X射线时间响应传输光路包括第四聚焦透镜、金属球以及设置在折叠镜和第四聚焦透镜之间的第二反射镜组；
分束镜透射的一束超短脉冲激光依次经第二反射镜组和第四聚焦透镜聚焦到金属球上，产生能够辐照到光伏器件上的X射线。
采用以上结构，设计合理，稳定可靠。
作为优选：还包括靶室，至少所述第四聚焦透镜、金属球和光伏器件位于靶室中，所述靶室上具有可供激光注入以及信号输出的玻璃窗口。由于打靶产生X射线的激光较强，而且X射线也较强，采用以上结构，以起到很好的保护作用。
作为优选：所述光伏器件包括呈层状结构且依次贴合的玻璃层、透明电极层、电子传输层、吸光层、空穴传输层和金属电极。采用以上结构，形成完整的光伏器件。
作为优选：所述透明电极层为ITO导电玻璃，所述电子传输层为ZnO材质，所述吸光层为PbS和AgInZnS量子点，所述空穴传输层为MoO3材质，所述金属电极为Au材质。其中，通过旋涂法制备PbS和AgInZnS量子点作为吸光层，MoO3沉积到吸光层上的，Au材质的金属电极是在真空蒸镀仪内被蒸镀上去。
作为优选：所述光伏器件位于能够透过X射线的屏蔽罩中，在所述屏蔽罩上开设有可供激光通过的小孔。采用以上结构，既能够屏蔽杂散光，又使X射线能够透过。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的光伏器件单发次超快响应过程测量***，结构新颖，设计巧妙，通过泵浦-激发的方式测量非线性动力学过程以及光伏器件的时间响应过程，既可以用可见光波段激发，也可以用X射线激发；利用单一发次激光或者X射线激发的方法测量，能够同时测量光伏器件的时间响应过程以及非线性动力学过程；并且，可以在光伏器件工作状态下进行测量，无需开展分解实验；同时，测量时间分辨率可以根据测量需求不同进行调节；而且适用范围广，不仅适用于光伏器件，也适用于其他类似的有源器件。因此，具有时间分辨率高、可调谐、适用范围广等优点。
附图说明
图1为本发明用可见光辐照同时测量时间响应过程及非线性动力学过程的示意图；
图2为本发明用X射线辐照同时测量时间响应过程及非线性动力学过程的示意图；
图3为光伏器件的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1和图2所示，一种光伏器件单发次超快响应过程测量***，包括分束镜1、折叠镜2、非线性动力学过程传输光路、可见光时间响应传输光路、X射线时间响应传输光路、光伏器件17以及用于测量光伏器件17时间响应和非线性动力学过程的记录模块，所述非线性动力学过程传输光路具有氟化钙11和玻璃棒14；
一束超短脉冲激光(100fs，能量可调，一般为800nm波长)由分束镜1透射和反射分为两束，具体地说，95％的激光透射，5％的激光反射；折叠镜2展开时，分束镜1透射的一束超短脉冲激光作为泵浦光经可见光时间响应传输光路聚焦到光伏器件17上；折叠镜2收起时，分束镜1透射的一束超短脉冲激光经折叠镜2进入X射线时间响应传输光路产生X射线，该X射线能够辐照光伏器件17；分束镜1反射的一束超短脉冲激光进入非线性动力学过程传输光路，该束超短脉冲激光在非线性动力学过程传输光路中聚焦到氟化钙11上产生超连续谱作为探测光，该探测光进入玻璃棒14产生啁啾脉冲，其中啁啾脉冲能够与泵浦光或X射线同时作用于光伏器件17上。
请参见图3，所述光伏器件17包括呈层状结构且依次贴合的玻璃层171、透明电极层172、电子传输层173、吸光层174、空穴传输层175和金属电极176。所述透明电极层172为ITO导电玻璃，所述电子传输层173为ZnO材质，所述吸光层174为PbS和AgInZnS量子点，所述空穴传输层175为MoO3材质，所述金属电极176为Au材质。具体地说，在ITO导电玻璃上沉积一层ZnO作为电子传输层，厚度50nm；再通过旋涂法制备PbS和AgInZnS量子点作为吸光层，厚度200nm(可调)；然后厚度为10nm的MoO3沉积到量子点层上面；最后在最上面利用真空蒸镀仪蒸镀10nm的金电极，形成完整的光伏器件。
请参见图1和图2，所述非线性动力学过程传输光路还包括第一衰减片29、延迟组件、第一聚焦透镜10、第一抛物面镜12、第一短波通滤光片13、第二抛物面镜15、第一偏振片16，所述第一衰减片29、延迟组件和第一聚焦透镜10在分束镜1和氟化钙11之间依次传输，所述第一抛物面镜12和第一短波滤光片13在氟化钙11和玻璃棒14之间依次传输，所述第二抛物面镜15和第一偏振片16在玻璃棒14和光伏器件17之间依次传输，其中，所述第一衰减片29可调。
其中，所述延迟组件包括第一反射镜8、第二反射镜9、平移台31和设置在平移台31上的中空回射器35，所述第一反射镜8、中空回射器35和第二反射镜9在第一衰减片29和第一聚焦透镜10之间依次传输，所述中空回射器35能够在平移台31的驱动下移动，以改变光路长度，其中，平移台31的调整精度优于1微米。
具体地说，分束镜1反射的一束超短脉冲激光经过第一衰减片29衰减后由延迟组件改变光程，即依次经第一反射镜8、中空回射器35和第二反射镜9后由第一聚焦透镜10聚焦到氟化钙11上产生超连续谱作为探测光，探测光依次经第一抛物面镜12和第一短波通滤光片13后进入玻璃棒14产生啁啾脉冲，最后啁啾脉冲依次经第二抛物面镜15和第一偏振片16聚焦到光伏器件17上。
请参见图1，所述可见光时间响应传输光路包括在折叠镜2和光伏器件17之间依次传输的第二衰减片28、倍频晶体32、第二短波通滤光片33、第一反射镜组、第三偏振片25、通光小孔26、第三聚焦透镜27。其中，所述第一反射镜组包括第三反射镜23和第四反射镜24。
具体地说，折叠镜2展开时，分束镜1透射的一束超短脉冲激光作为泵浦光，先经第二衰减片28衰减后到达倍频晶体32，再依次经过第二短波通滤光片33、第三反射镜23和第四反射镜24后射向第三偏振片25，由第三偏振片25改变泵浦光的偏振后，然后经过通光小孔26，最终由第三聚焦透镜27聚焦到光伏器件17上。
请参见图2，所述X射线时间响应传输光路包括第四聚焦透镜6、金属球7以及设置在折叠镜2和第四聚焦透镜6之间的第二反射镜组，其中，所述第二反射镜组包括第五反射镜3、第六反射镜5和第七反射镜4。
具体地说，折叠镜2收折时，分束镜1透射的一束超短脉冲激光先依次第五反射镜3、第六反射镜5和第七反射镜4到达第四聚焦透镜6，由第四聚焦透镜6聚焦到金属球7上，产生X射线，辐照到光伏器件17上。
请参见图1和图2，所述记录模块包括光谱仪22、CCD34和用于记录光伏器件17时间响应过程的示波器19。
光伏器件17经光辐照可以产生光电流，玻璃层171一侧朝着入射激光，所述示波器19与光伏器件17电连接，即光伏器件17在透明电极层172和金属电极176上引出导线，连接到示波器19上进行测量，在示波器上能记录下样品的时间响应过程。
在所述光伏器件17和光谱仪22之间依次设置有第二偏振片20和第二聚焦透镜21，所述第二偏振片20与第一偏振片16正交。经过光伏器件17的信号光依次经过第二偏振片20和第二聚焦透镜21被光谱仪22色散，由CCD34记录下透射光谱，在CCD34上能记录下光谱的测量结果，根据波长就能获得非线性动力学过程。
请参见图1和图2，为屏蔽杂散光，所述光伏器件17位于能够透过X射线的屏蔽罩18中，在所述屏蔽罩18上开设有可供激光通过的小孔。
由于打靶产生X射线的激光较强，而且X射线也较强，故将第一偏振片16、光伏器件17、屏蔽罩18、第二偏振片20、第二聚焦透镜21、第三聚焦透镜27、第四聚焦透镜6和金属球7置于直径为1m的靶室30里面，靶室30厚度50mm，靶室30上的玻璃窗口可供激光注入以及信号输出。
基本原理：
1、对啁啾脉冲进行定标，也就是确定时间与波长的关系。将折叠镜2展开，泵浦激光和探测啁啾脉冲在样品中重合。将光伏器件17换成1mm厚的ZnSe，调整延迟组件，也就是改变泵浦光与探测光的光程，用光谱仪22和CCD34记录下不同延迟下的透射光谱，进而确定延迟时间与啁啾脉冲波长的关系。
2、可见光泵浦条件下样品的时间响应以及非线性动力学过程测量。将折叠镜2展开，调整延迟组件，使啁啾探测光的某一波长与泵浦光在时间上重合。改变泵浦光和探测光的强度，利用一个脉冲(单发次)激发光伏器件17。在示波器19上能记录下光伏器件17的时间响应过程。同时，在CCD34上能记录下光谱的测量结果，根据波长就能获得非线性动力学过程。泵浦光在数百微焦耳量级，探测光弱。
3、X射线作用下样品的时间响应以及非线性动力学过程测量。将折叠镜2收起，泵浦光强度为焦耳量级，辐照金属球7产生X射线，X射线穿过屏蔽罩18辐照光伏器件17。与可见光条件下类似，可以同时记录下器件在X射线下的响应以及非线性超快动力过程。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光伏器件单发次超快响应过程测量***，其特征在于：包括分束镜(1)、折叠镜(2)、非线性动力学过程传输光路、可见光时间响应传输光路、X射线时间响应传输光路、光伏器件(17)以及用于测量光伏器件(17)时间响应和非线性动力学过程的记录模块，所述非线性动力学过程传输光路具有氟化钙(11)和玻璃棒(14)；
一束超短脉冲激光由分束镜(1)透射和反射分为两束；折叠镜(2)展开时，分束镜(1)透射的一束超短脉冲激光作为泵浦光经可见光时间响应传输光路聚焦到光伏器件(17)上；折叠镜(2)收起时，分束镜(1)透射的一束超短脉冲激光经折叠镜(2)进入X射线时间响应传输光路产生X射线，该X射线能够辐照光伏器件(17)；分束镜(1)反射的一束超短脉冲激光进入非线性动力学过程传输光路，该束超短脉冲激光在非线性动力学过程传输光路中聚焦到氟化钙(11)上产生超连续谱作为探测光，该探测光进入玻璃棒(14)产生啁啾脉冲，其中啁啾脉冲能够与泵浦光或X射线同时作用于光伏器件(17)上。
2.根据权利要求1所述的光伏器件单发次超快响应过程测量***，其特征在于：所述非线性动力学过程传输光路还包括第一衰减片(29)、延迟组件、第一聚焦透镜(10)、第一抛物面镜(12)、第一短波通滤光片(13)、第二抛物面镜(15)、第一偏振片(16)，所述第一衰减片(29)、延迟组件和第一聚焦透镜(10)在分束镜(1)和氟化钙(11)之间依次传输，所述第一抛物面镜(12)和第一短波滤光片(13)在氟化钙(11)和玻璃棒(14)之间依次传输，所述第二抛物面镜(15)和第一偏振片(16)在玻璃棒(14)和光伏器件(17)之间依次传输。
3.根据权利要求2所述的光伏器件单发次超快响应过程测量***，其特征在于：所述延迟组件包括第一反射镜(8)、第二反射镜(9)、平移台(31)和设置在平移台(31)上的中空回射器(35)，所述第一反射镜(8)、中空回射器(35)和第二反射镜(9)在第一衰减片(29)和第一聚焦透镜(10)之间依次传输，所述中空回射器(35)能够在平移台(31)的驱动下移动，以改变光路长度。
4.根据权利要求2所述的光伏器件单发次超快响应过程测量***，其特征在于：所述记录模块包括光谱仪(22)、CCD(34)和用于记录光伏器件(17)时间响应过程的示波器(19)，所述示波器(19)与光伏器件(17)电连接，在所述光伏器件(17)和光谱仪(22)之间依次设置有第二偏振片(20)和第二聚焦透镜(21)，所述第二偏振片(20)与第一偏振片(16)正交；
经过光伏器件(17)的信号光依次经过第二偏振片(20)和第二聚焦透镜(21)被光谱仪(22)色散，由CCD(34)记录下透射光谱。
5.根据权利要求1所述的光伏器件单发次超快响应过程测量***，其特征在于：所述可见光时间响应传输光路包括在折叠镜(2)和光伏器件(17)之间依次传输的第二衰减片(28)、倍频晶体(32)、第二短波通滤光片(33)、第一反射镜组、第三偏振片(25)、通光小孔(26)、第三聚焦透镜(27)。
6.根据权利要求1所述的光伏器件单发次超快响应过程测量***，其特征在于：所述X射线时间响应传输光路包括第四聚焦透镜(6)、金属球(7)以及设置在折叠镜(2)和第四聚焦透镜(6)之间的第二反射镜组；
分束镜(1)透射的一束超短脉冲激光依次经第二反射镜组和第四聚焦透镜(6)聚焦到金属球(7)上，产生能够辐照到光伏器件(17)上的X射线。
7.根据权利要求6所述的光伏器件单发次超快响应过程测量***，其特征在于：还包括靶室(30)，至少所述第四聚焦透镜(6)、金属球(7)和光伏器件(17)位于靶室(30)中，所述靶室(30)上具有可供激光注入以及信号输出的玻璃窗口。
8.根据权利要求1所述的光伏器件单发次超快响应过程测量***，其特征在于：所述光伏器件(17)包括呈层状结构且依次贴合的玻璃层(171)、透明电极层(172)、电子传输层(173)、吸光层(174)、空穴传输层(175)和金属电极(176)。
9.根据权利要求8所述的光伏器件单发次超快响应过程测量***，其特征在于：所述透明电极层(172)为ITO导电玻璃，所述电子传输层(173)为ZnO材质，所述吸光层(174)为PbS和AgInZnS量子点，所述空穴传输层(175)为MoO3材质，所述金属电极(176)为Au材质。
10.根据权利要求1或8或9所述的光伏器件单发次超快响应过程测量***，其特征在于：所述光伏器件(17)位于能够透过X射线的屏蔽罩(18)中，在所述屏蔽罩(18)上开设有可供激光通过的小孔。
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