CN112737504B - 一种用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多结太阳能电池的微区光电测试仪，包括可调谐激光模块、激光处理模块、光学斩波器、偏置白光模块、滤波片组、双光路光学显微镜、扫描模块、显微电学夹具、电源及电学测试单元和标准电池。可调谐激光和激光处理模块为多结电池微区测试提供信号光，信号光通过光束斩波模块进行调制，偏置白光模块和滤波片组提供偏置光，通过双光路光学显微镜将信号激光和偏置光聚焦到太阳能电池上，通过相机同步实时成像监测测试过程，显微电学夹具与电源及电学测试单元相连提供偏置电压和电信号的测试。该仪器特色是无需其他屏蔽***、可实时同步监测、高精度、快速且无损实现亚微米空间分辨率、多光谱响应的多结太阳能电池微区光电转换特性测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪,属于太阳能 电池微区测试技术领域。
背景技术
随着全球各国对碳中和的全面推进，清洁、可再生能源备受世界各国的重视与支持，其中太阳能电池技术的发展近年来尤为迅猛，传统电池的效率不断优化，新兴材料电池不断提出，电池器件的研究尺度也越来越小。由于单结电池的效率极限仅为33％，大部分的入射光能无法有效利用，会转换为热能等其他形式的能量，因而多结电池的发展成为高效率太阳能电池研究的必由之路，目前已经有多结砷化镓电池、钙钛矿多结电池、有机多结电池、钙钛矿-硅多结电池等一系列多结电池被提出，且发展迅猛，截止2020年4月，多结太阳能电池的实验效率最高已经达到了47.1％(143倍聚光条件)，展现出了多结太阳能电池强大的发展潜力。目前多结太阳能电池的光电性能表征大多停留在宏观尺度，例如宏观的多结电池伏安特性测试，量子效率测试等等，这些宏观尺度的测试结果反应了一个较大区域(通常大于毫米尺度)的光电性能的平均情况，限制了多结太阳能电池的研究范围。
近二十年来，纳米光子学得到了迅猛发展。研究表明，微纳尺度上陷光结构可能会进一步提升多结电池效率；而通常薄膜电池中的存在的缺陷和晶粒通常也在微纳尺度，建立这些微纳尺度的缺陷和晶粒结构对器件电学特性的影响对未来进一步设计更好的材料、工艺体系至关重要。此外，微纳结构的光响应通常的波长依赖的，因此多光谱响应的测试手段才能真正解析多结电池的光电特性。
多结电池的显微表征技术主要是扫描电子显微技术及阴极射线荧光成像，这些测试手段提供了微观尺度上的形貌信息、材料缺陷信息、发光信息，然而，电子束会对器件表面造成损伤，而且由于电子束穿透深度受限，仅能分析器件的表面性能。
因此，多结太阳能电池(为两个或多个子电池串联而成，为“多结”，是由多个PN结串联而成的一种太阳能电池)的微区无损光电测试技术仍有待发展。激光束诱导光电流是一种用于单结太阳能电池的无损方法，在这一技术中，通常利用激光作为信号激励，并通过对激光进行扫描的方式，逐点记录器件的光电流响应，最终形成扫描区域光电流像。如果将激光引入显微***，可大幅度提升激光束诱导光电流成像或扫描光电流谱的空间分辨率，而目前的微区激光诱导光电流成像技术仅能用于单结电池，而现有多结电池具有其特殊性——其各结子电池为串联，器件总电流由电流最低的子电池决定，因此仅有单束激光无法满足电池的电流匹配条件，无法实现精确测试多结电池的微区测试。为了实现多结电池的微区光电信号精确提取，需解决如下几方面的技术问题：
(1)在显微***中，需提出微区的测试新方案，进而实现各结子电池的光电流信号的准确测试。在测试待测子电池的光电流时，其他子电池的局域区域需达到电流饱和条件，且整个器件需达到合适的偏置条件。
(2)在显微测试中，如何实现激光与样品的实时位置的同步监测？若采用白光照明，由于白光照明会带来额外的偏置电流，即便后续采用电流放大器加锁相的方案，偏置电流同样导致这些仪器量程必须选择大量程，会牺牲测试精度甚至无法测试。
(3)微纳结构的光响应通常的波长依赖的，因此多结电池的多光谱响应微区测试手段同样有待发展。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，解决如何设计及实现分辨率可达亚微米量级、针对多结太阳能电池的光电性能测试仪器，解决可实时同步监测激光和样品的相对位置、高精度、快速和无损检测等测试要求难以兼顾的问题。
技术方案：本发明提出一种用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，利用信号光与偏置光的同时微区聚焦，通过设定滤波片组的滤波特性，选择性地激励特定的子电池，使得除了待测子电池之外，其他所有子电池达到限流条件，并通过偏置电压实现待测子电池零偏或略微反偏，如果控制信号光的强度较小，则偏置光强度即便稍大，也不会影响测试精度，而经滤波的偏置光即可作为照明，如此可以同时实现多结电池光电性能测试及激光和样品的相对位置的实时观测，进一步结合白光激光器及声光晶体，可以对电池的宽谱光谱响应及微米尺度的量子效率进行研究。该仪器的分辨率可达亚微米量级，无需其他电磁屏蔽***且为无损检测，为多结电池的微区研究提供了一种有效的研究方案。
本发明是一种用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，该光电测试仪包括可调谐激光模块、激光处理模块、光学斩波器、偏置白光模块、滤波片组、双光路光学显微镜、扫描模块、显微电学夹具、电源及电学测试单元和标准电池；其中，可调谐激光模块和激光处理模块为多结太阳能电池微区测试提供信号激光，该信号激光通过光学斩波器进行调制；偏置白光模块和滤波片组提供偏置光，通过双光路光学显微镜将信号激光和偏置光同时聚焦到待测电池或标准电池上，同时实现光信号的激励，并通过相机同步实时成像的方式监测太阳能电池的微区测试过程，通过扫描模块实现激光或电池的移动，多结太阳能电池或标准电池由显微电学夹具固定，并使得其正负极与显微电学夹具形成良好电学接触，显微电学夹具与电源及电学测试单元相连提供偏置电压和电信号的测试。
该光电测试仪测试流程为：
第一步：信号激光和偏置光调节：首先将多结电池或标准电池固定在显微电学夹具上形成良好电学接触，并通过双光路光学显微镜的反射镜组和显微物镜将信号激光和偏置光同时聚焦在多结太阳能电池表面，将需要测试的某一子电池称为待测子电池；为了准确测量待测子电池的光电流，调节偏置光的光强及波长范围使得其他子电池均有电流响应；调节信号激光的强度使得待测子电池达到限流条件；
第二步：偏置电压调节：通过电源及电学测试单元测试偏置光照射下多结太阳能电池的光电压；通过电源及电学测试单元提供偏置电压，使得待测子电池或标准电池达到零偏；
第三步：当进行待测子电池微区量子效率测试时，进一步通过可调谐激光模块进行信号激光的波长扫描，首先测试标准电池其不同扫描波长下的电流，再利用扫描模块将信号激光移动至多结太阳能电池的待测微米尺度区域，通过电源及电学测试单元提取波长扫描时的待测子电池的光电流，通过计算得到待测子电池的量子效率谱；
当进行子电池微区光电流成像测试时，进一步通过扫描模块实现信号激光在样品上进行空间扫描，通过电源及电学测试单元提取扫描时的光电流数据，并将不同空间位置的光电流数据作成光电流图像。
所述可调谐激光模块为白光激光器及声光晶体，可输出不同波长的单色激光。
所述激光处理模块为光束准直镜、偏振片、光阑、滤光片或其组合，使得经处理后的信号激光的发散角、单色性、单偏振等指标更好。
所述光学斩波器斩波频率范围为100赫兹至30000赫兹之间，用于信号激光的调制。
所述偏置白光模块为：卤钨灯、氙灯或宽谱白光LED，功率范围为5瓦至1000瓦。
所述滤波片组为高通、低通、带通、带阻滤色片或其组合，滤波片组的透射波段针对多结太阳能电池的各结子电池波段设计，当测试待测子电池时，使得待测子电池的吸收波段为滤色片组的吸收或反射波段，其他子电池的吸收波段为透射波段。
所述双光路光学显微镜为带空间光引入功能或激光光纤引入功能的无限远光学显微***，且可同时实现显微白光照明和激光激励，其反射镜组的为部分透部分反的反射镜构成，显微物镜放大倍数范围为10倍至100倍之间，相机为CCD或CMOS成像器件。
所述扫描模块为电动位移台、振镜或数字微镜器件，实现激光在多结太阳能电池上扫描的功能。
所述显微电学夹具(8)为四线法的电学夹具或四线法的电学探针，所述四线分别为电流、电压正负极，其电极结构与多结太阳能电池可形成良好电学接触。
所述的电学测试模块为电流前置放大器、锁相放大器和数字源表，实现微弱电流放大，调制光信号激励下被调制的电信号提取、提供偏压和数据读出的功能。
有益效果：
1、提出一种在亚微米尺度上多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，采用信号激光和偏置光的双光路微区共焦激励和照明方案，可实时同步监测激光和样品的相对位置，并实现高精度、快速、无损的微区多结太阳能电池量子效率和光电流成像测试。
2、提出微纳尺度上多结太阳能电池的偏置光及偏置电压的高效引入方法，在此基础上引入了信号调制，无需其他屏蔽***，可准确解析亚微米区域内多结电池每一结子电池的光电响应。
3、提出一种多结子电池微区多波长响应测试的方案，在空间维度的基础上还增加了测试的光谱维度，为电池性能的全面解析提供有效的方法。
附图说明
图1是所提出的多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪示意图。
图2是多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试流程图。
图3是激光在样品上的扫描路径示意图。
图4是三结太阳能电池测试原理示意图。
图中有：可调谐激光模块1、白光激光器11、声光晶体12、激光处理模块2、光束准直镜21、偏振片22、光阑23、滤光片24、光学斩波器3、偏置白光模块4、滤波片组5、双光路光学显微镜6、反射镜组61、显微物镜62、扫描模块7、显微电学夹具8、电源及电学测试单元9、电流前置放大器91、锁相放大器92、数字源表93、标准电池10、第一节标准电池101、第二节标准电池102、第三节标准电池103。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示，本发明的用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪包括可调谐激光模块1、激光处理模块2、光学斩波器3、偏置白光模块4、滤波片组5、双光路光学显微镜6、扫描模块7、显微电学夹具8、电源及电学测试单元9和标准电池10；其中，可调谐激光模块1和激光处理模块2为多结太阳能电池微区测试提供信号激光，该信号激光通过光学斩波器3进行调制；偏置白光模块4和滤波片组5提供偏置光，通过双光路光学显微镜6将信号激光和偏置光同时聚焦到待测电池或标准电池10上，同时实现光信号的激励，并通过相机63同步实时成像的方式监测太阳能电池的微区测试过程，通过扫描模块7实现激光或电池的移动，多结太阳能电池或标准电池10由显微电学夹具8固定，并使得其正负极与显微电学夹具8形成良好电学接触，显微电学夹具8与电源及电学测试单元9相连提供偏置电压和电信号的测试。
可调谐激光模块1由白光激光器11及声光晶体12共同组成，可输出不同波长的单色激光。激光处理模块2可为光束准直镜21、偏振片22、光阑23、滤光片24或为这几种元素的组合，使得经处理后的信号激光的发散角、单色性、单偏振等指标更好。光学斩波器3的斩波频率范围为100赫兹至30000赫兹之间，用于信号激光的调制。偏置白光模块4可为卤钨灯、氙灯或宽谱白光LED，功率范围为5瓦至1000瓦。滤波片组5为高通、低通、带通、带阻滤色片或其组合，透过波段针对多结子电池的波段设计，当测试特定结的子电池时，使得该结子电池的吸收波段没有滤色片的阻带，其他结子电池的吸收波段为通带。双光路光学显微镜6为带空间光引入功能或激光光纤引入功能的无限远光学显微***，且可同时引入白光照明和激光照明，其显微物镜放大倍数范围为10倍至100倍之间，相机63为CCD或CMOS成像器件。扫描模块7可为电动位移台、振镜或数字微镜器件，实现激光在电池样品上扫描的功能。显微电学夹具8供选为四线法(分别为电流、电压正负极)的电学夹具或四线法的电学探针，其电极结构与待测电池可形成良好电学接触。电学测试模块9由电流前置放大器91、锁相放大器92和数字源表93共同组成，实现微弱电流放大，调制光信号激励下被调制的电信号提取、提供偏压和数据读出的功能。标准电池10为经校准、老化的标准电池器件，其光谱响应与待测多结电池尽可能一致。
下面结合图3说明仪器的工作流程：
该***可实现多结太阳能电池每一结子电池的微区量子效率测试及光电流成像。
测试时，为使得待测子电池达到限流条件，
第一步：进行信号激光和偏置光调节：调节偏置光的波长范围使得其他结子电池电流达到饱和；随后进行偏置电压调节：
第二步：通过电源及电学测试单元提供偏置电压，使得待测子电池达到零偏。
第三步：当进行待测子电池微区量子效率测试时，进一步通过可调谐激光模块进行信号激光的波长扫描，首先测试标准电池其不同扫描波长下的电流，再利用扫描***将信号激光移动至多结太阳能电池感兴趣的微纳结构区域，并测试提取波长扫描时的待测子电池的光电流，通过计算得到待测子电池的量子效率谱。
当进行子电池微区光电流成像测试时，进一步通过扫描***实现信号激光在样品上进行空间扫描，其扫描路径可为蛇形扫描，如图3所示，通过电源及电学测试单元提取扫描时的光电流数据，并将不同空间位置的光电流数据绘制成光电流图像。
实施例1：
如图4所示，可调谐激光模块1由白光激光器和二氧化碲晶体共同组成，该模块产生的单波长激光经过光束准直镜2准直后通过光学斩波器3进行调制，该斩波器的斩波频率为500赫兹。卤钨灯构成的偏置白光模块4的功率为50瓦，它产生的白光，经过滤波片组5后，和激光共同进入双光路光学显微镜6中。所用样品为三结砷化镓太阳能电池，由显微电学夹具8固定在样品台上，显微电学夹具8采用四线法的电学夹具，电池的正负极与电学夹具形成良好的电学接触。测试特定结的子电池时，通过调节滤波片组5使得该结电池的吸收波段为滤色片的阻带，其他两结电池的吸收波段为通带，再控制电动位移台构成的扫描模块7将激光光斑调整到待测子电池上。电源给显微电学夹具8提供偏置电压，当激光扫描样品时，样品产生的微弱光生电流信号通过由电流前置放大器91、锁相放大器92和数字源表93构成的电源及电学测试单元9提取：电流前置放大器91转变为电压信号，输入锁相放大器92中再由数字源表93读出数据。
Claims (7)
1.一种用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，其特征在于，该光电测试仪包括可调谐激光模块（1）、激光处理模块（2）、光学斩波器（3）、偏置白光模块（4）、滤波片组（5）、双光路光学显微镜（6）、扫描模块（7）、显微电学夹具（8）、电源及电学测试单元（9）和标准电池（10）；其中，可调谐激光模块（1）和激光处理模块（2）为多结太阳能电池微区测试提供信号激光，该信号激光通过光学斩波器（3）进行调制；偏置白光模块（4）和滤波片组（5）提供偏置光，通过双光路光学显微镜（6）将信号激光和偏置光同时聚焦到待测电池或标准电池（10）上，同时实现光信号的激励，并通过相机（63）同步实时成像的方式监测太阳能电池的微区测试过程，通过扫描模块（7）实现激光或电池的移动，多结太阳能电池或标准电池（10）由显微电学夹具（8）固定，并使得其正负极与显微电学夹具（8）形成良好电学接触，显微电学夹具（8）与电源及电学测试单元（9）相连提供偏置电压和电信号的测试；
所述激光处理模块（2）为光束准直镜、偏振片、光阑、滤光片或其组合，使得经处理后的信号激光的发散角、单色性、单偏振等指标更好；
所述光学斩波器（3）斩波频率范围为100 赫兹至30000 赫兹之间，用于信号激光的调制；
所述偏置白光模块（4）为：卤钨灯、氙灯或宽谱白光LED，功率范围为 5瓦至1000瓦。
2.根据权利要求1所述的用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，其特征在于，该光电测试仪测试流程为：
第一步：信号激光和偏置光调节：首先将多结电池或标准电池（10）固定在显微电学夹具（8）上形成良好电学接触，并通过双光路光学显微镜（6）的反射镜组（61）和显微物镜（62）将信号激光和偏置光同时聚焦在多结太阳能电池表面，该多结太阳能电池为两个或多个子电池串联而成，为“多结”，是由多个PN结串联而成的一种太阳能电池，将需要测试的某一子电池称为待测子电池；为了准确测量待测子电池的光电流，调节偏置光的光强及波长范围使得其他子电池均有电流响应；调节信号激光的强度使得待测子电池达到限流条件；
第二步：偏置电压调节：通过电源及电学测试单元（9）测试偏置光照射下多结太阳能电池的光电压；通过电源及电学测试单元（9）提供偏置电压，使得待测子电池或标准电池（10）达到零偏；
第三步：当进行待测子电池微区量子效率测试时，进一步通过可调谐激光模块（1）进行信号激光的波长扫描，首先测试标准电池（10）其不同扫描波长下的电流，再利用扫描模块（7）将信号激光移动至多结太阳能电池的待测微米尺度区域，通过电源及电学测试单元（9）提取波长扫描时的待测子电池的光电流，通过计算得到待测子电池的量子效率谱；
当进行子电池微区光电流成像测试时，进一步通过扫描模块（7）实现信号激光在样品上进行空间扫描，通过电源及电学测试单元（9）提取扫描时的光电流数据，并将不同空间位置的光电流数据作成光电流图像。
3.根据权利要求1所述的用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，其特征在于，所述滤波片组（5）为高通、低通、带通、带阻滤色片或其组合，滤波片组的透射波段针对多结太阳能电池的各结子电池波段设计，当测试待测子电池时，使得待测子电池的吸收波段为滤色片组的吸收或反射波段，其他子电池的吸收波段为透射波段。
4.根据权利要求1所述的用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，其特征在于，所述双光路光学显微镜（6）为带空间光引入功能或激光光纤引入功能的无限远光学显微***，且可同时实现显微白光照明和激光激励，其反射镜组（61）的为部分透部分反的反射镜构成，显微物镜（62）放大倍数范围为10倍至100倍之间，相机（63）为CCD或CMOS成像器件。
5.根据权利要求1所述的用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，其特征在于，所述扫描模块（7）为电动位移台、振镜或数字微镜器件，实现激光在多结太阳能电池上扫描的功能。
6.根据权利要求1所述的用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，其特征在于，所述显微电学夹具（8）为四线法的电学夹具或四线法的电学探针，所述四线分别为电流、电压正负极，其电极结构与多结太阳能电池可形成良好电学接触。
7.根据权利要求1所述的用于多结太阳能电池的微区多光谱响应光电测试仪，其特征在于，所述的电学测试模块（9）为电流前置放大器、锁相放大器和数字源表，实现微弱电流放大，调制光信号激励下被调制的电信号提取、提供偏压和数据读出的功能。
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