TWI533001B - 用於測試光電元件的方法及裝置 - Google Patents

Description

用於測試光電元件的方法及裝置

本發明大致與用於測試光電元件的方法與裝置有關。

在光電元件的生產上，習知上會使用一些元件用以重製模擬太陽光譜的輻射以對物品實施必要的測試與檢查以確認操作上的可靠度以及在實驗室條件下光電元件整體的轉換效率。

業界已發展出一套標準用以從以下三種性能區域定義太陽模擬器之性能：頻譜匹配太陽光譜之程度、在經照射物體的表面上的輻射照度(輻射照度)在空間上之同質性，以及所產生光的量在時間上的穩定度。傳統的太陽模擬器，廣泛使用氙電弧電燈。然而，氙種類的電燈具有一些缺點。例如，氙電弧電燈所產生的光在近紅外光區域具有相當強的強度峰值，而近紅外光區域的波長並不屬於標準太陽光譜的任何一部份。因此，氙電弧電燈的缺點在於輸出光分佈不均以及輻射照度效率不彰，以及由此電燈產生的光譜與太陽光譜之間較差的光譜準確度。

氙種類的電燈的其他缺點則是輸出光光譜一般而言係藉由控制施加於此種電燈上的電流及電壓而藉由改變光的強度加以調整。然而，調整這些參數通常會影響此種電燈產生的所有波長。因此不可能選擇且調整單一波長而使此種電燈所產生的光的光譜在不同的應用上盡可能相似於太陽光譜。

氙種類的電燈的另一個缺點則是此種電燈的輻射照度強度正常情況下會不穩定且受制於因電流(施加於不同電燈的電流)變化所致之波動的影響，電流的變化係因電力條件或環境改變所致。這種狀況會影響此種電燈所產生之輸出光譜的波動程度，且因此影響測試所得結果的可靠度與可重複性。

因此，在此技術領域上，在任何給定的情況下改良太陽模擬器所產生的輸出光譜的再現性與效率將有其需要。

在一個實施例中，一種裝置包含光源元件以及基板支座，該光源元件配置成重製具有與太陽輻射光譜相似的光，該光源元件包含輻射板，該輻射板分割成複數個單元或區域，其中該等複數個單元中之每一者包含複數個發光二極體，該等複數個發光二極體發射至少兩種不同波長(顏色)；該基板支座設置成與該光源元件相對。該等複數個發光二極體中之每一者配置成發射一波長，該波長選自由以下顏色組成之群組：藍、綠、黃、紅、在紅外光區之至少一第一與一第二顏色，該第一與該第二顏色相對於彼此具有不同波長。在一個態樣中，一或更多感測器設置在該基板支座附近以偵測該輻射板所發射出的輻射。一控制系統與該等一或更多個感測器相連接且該控制系統適於接收關於該光譜的資訊，該光譜由該輻射板隨時間確實發射出，且該控制系統調整發射參數以至少極小化波動且在空間上同質化該所發射的輻射。

在另一個實施例中提供一種用於測試一光電元件的方法。該方法包含以 下步驟：提供光源元件以朝向光電元件發射至少兩種不同波長，其中該至少兩種不同波長提供一輸出光譜，該輸出光譜模擬太陽輻射的光譜；偵測由該發光二極體元件所發射的該輸出光譜；將由該發光二極體元件所發射的該輸出光譜與待發射的一預定光譜進行比對；以及修正該光源元件的運作參數以消除介於該輸出光譜與該待發射預定光譜之間的變異，該輸出光譜係由該光源元件所發射。

在此所述之實施例與使用於封閉環境的光源元件相關，例如實驗室或測試腔室，該光源元件用於重製或模擬太陽輻射的光譜且具有測試/檢查光電元件或其他相似元件之目的。在本發明不同的實施例中，光源元件可包含至少一半導體基光源，例如發光二極體(LEDs)。可設想使用任何其他半導體基光源，例如雷射二極體(LDs)。在本發明內容中，用語「發光二極體電燈」可指單一密封結構(發光二極體晶片可位於此)或多密封單元，該多密封單元以任何所需圖案被包含於該單一密封結構上。

在本發明不同的實施例中，光源元件可包含一或更多個發光二極體電燈。在一個範例中，兩個或更多發光二極體電燈可設置成面對朝向待測試之光電元件的表面。在裝備至少兩個發光二極體電燈的情況中，發光二極體電燈關於待測試的物體表面的數目與位置會依特定環境以及應用加以安排以致能獲得最佳的光輻射空間同質性，光輻射係產生自被照射物體表面。使用發光二極體電燈而非尤其是如上述氙氣電燈的傳統電燈，以發光強度和光品質而言，可獲得接近日光光譜均值之光譜，而不會產生使用氙 氣電燈所生之種種問題。尤其，發光二極體電燈展現許多優於傳統電燈的優點，例如較低的功率消耗與較長的使用壽命。

在本發明不同的實施例中，根據本發明所使用於光源元件之發光二極體電燈可被配置成用以發射至少兩種不同波長。該等至少兩種不同波長可選自整個太陽輻射的發射頻譜。在一個實施例中，該等至少兩種不同波長選自以下顏色：藍、黃、綠、紅、以及在紅外光波長範圍中之至少兩種不同顏色。可理解的是，在此使用的用語「紅外光」未描述通常歸類為紅外光波長之任何特定波長。相反地，此用語「紅外光」所指的是整個波長範圍。在一個範例中，藍色發光二極體電燈的名義上波長係介於約450奈米與約500奈米之間，黃色發光二極體電燈的名義上波長係介於約570奈米與約590奈米之間，綠色發光二極體電燈的名義上波長係介於約500奈米與約570奈米之間，紅色發光二極體電燈的名義上波長係介於約610奈米與約760奈米之間，紅外光發光二極體電燈的名義上波長係介於約760奈米與約1000奈米之間。在一些實施例中，一個或更多個發光二極體電燈可使用其他電燈輸出一些顏色，例如紫外光(如小於400奈米)，紫色(如400奈米~450奈米之間)，橙色(如590奈米~610奈米之間)，紫色，粉紅色或其他有用的顏色。

第1圖示意性的顯示測試與檢查元件10，該測試與檢查元件10用以執行對位於支座16上之太陽/光電元件17的測試與檢查。雖然在接下來描述中將具體討論太陽/光電元件，可理解的是本發明亦可應用於其他需要光輻射照射之基板或元件，該光輻射模擬出太陽光譜。測試或檢查元件10通常包含光源元件，例如太陽模擬器11與支座16，太陽/光電元件17位於該支 座16上。太陽模擬器11包含輻射板13，該輻射板13被配置成朝著位於支座16上的太陽/光電元件17發射電磁輻射15。在一個實施例中，正如圖式於第1圖中，輻射板13設置成離太陽/光電元件17一距離「h」。距離「h」介於輻射板13與太陽/光電元件件17之間且可根據發光二極體電燈的數目與發光二極體電燈容量在50釐米到800釐米範圍之間或更多的距離之間變化，以確保發射在將被測試之太陽/光電元件17的整個表面上的輻射，在空間上具有同質性。

為了使輸出光盡可能同質以增強整體輻射照度效率，一個或更多光學透鏡14可選擇性地提供於介在輻射板13與支座16間的中間位置，使得通過穿越該一個或更多透鏡14的電磁輻射15呈同質狀且到達太陽/光電元件17的整個表面而具有極大化之光分佈效能。光學透鏡14可由塑膠材料製造，例如丙烯酸，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚氯乙烯(PVC)，聚碳酸酯(PC)，高密度聚乙烯(HOPE)。或者，光學透鏡14可由玻璃材料製造，例如石英。

測試與檢查元件10亦可包含一或更多個感測器19，該等感測器設置在將被測試的太陽/光電元件17附近。感測器19配置成將電磁輻射15轉換成電訊號以準確量測由太陽/光電元件17得到的光強度且/或光譜。所使用的感測器19的種類取決於照射元件17的光譜。感測器19可為任何光偵測器，例如光電二極體，其中光電二極體能將光轉換成電訊號以準確的量測光譜。光電二極體可為矽基、鍺基，或砷化鎵基光電二極體。例如矽基光電二極體對可見光與紅外光皆敏感。由不同半導體材料所製造的光電二極體對不同的入射光波長敏感。例如，砷化鎵基光電二極體對可見光與紫外光皆敏感。藉由比較發光二極體電燈產生之光譜與太陽光譜(亦於實時量測)， 將可能修正發光二極體電燈發射之光譜與目標光譜之間的變異。就任何感興趣的特定波長而言，此修正可依應用而與發光二極體電燈的所有或部分相關。

在一個實施例中，該一或更多個感測器19設置在支座上表面周圍，或設置在任何接近太陽/光電元件17表面且被電磁輻射15照射的合適位置上。本發明的一個實施例提供用於太陽/光電元件17每一側的至少兩個感測器19。其他實施例提供位於每個感測器周圍的一控制發光二極體，以控制感測器19的操作。在一個實施例中，該控制發光二極體經選擇而具有介於兩個發光二極體電燈之間的波長。在其他的實施例中，控制發光二極體具有與發光二極體電燈波長之一者相同的波長，該發光二極體電燈建立在測試與檢查元件10中。在一個實施例中，控制發光二極體可置於接近一或更多個感測器19之處，以致能將感測器19的響應確認為時間的函數。在操作時，在此電燈運作一段特定時間後，發光二極體允許閃爍，若光譜在一段時間之內為恆定，會取得且確認感測器19的頻譜。倘若感測器19的響應超出所需範圍，則意味著感測器失效且必須更換。

一或更多個感測器19與控制系統21連接，以致能傳送與光譜相關的資訊，其中光譜係由輻射板13確實發射一段時間。控制系統21與太陽模擬器11連接且配置成調整且/或於實時將發光二極體電燈103照射強度的波動降至最小，因此形成封閉迴路控制，該封閉迴路控制允許吾人形成可重複高效率元件，該可重複高效率元件使測試元件能有高產量。事實上，封閉迴路控制可提供用於修正實時發射的資訊，且因此此修正可被執行而無任何時效或遺失的時間。控制系統21可包含中央處理器(未圖示)、記憶體(未 圖示)、以及支座電路(或輸入輸出)(未圖示)。可由控制系統讀取之程式(或電腦指令/編碼)可提供於控制系統21中以儲存目標光譜，該目標光譜係根據特定控制參數以及測試期間涉入的環境而重製。命令與控制單元21亦可以資料庫(未圖示)裝備，複數個發射配置中之每一者儲存於該資料庫中且由操作器根據環境與特定測試應用加以個別地使用。

在操作時，控制系統21可在預定時間或實時將輻射板13的發光二極體電燈103實際發射的光譜與儲存於控制系統21的目標光譜作比對，且決定出合適之即作成之修正。更精確而言，目標光譜可經由設計以致能極大化涵蓋待測之太陽/光電元件17全部表面的光譜的同質性，且極大化涵蓋整個所發射的輻射期間之穩定度。若控制系統21偵測到上述比對後的差異，控制系統21可介入輻射板13的運作參數，例如修改一或更多電饋送量且/或發射在空間上或時間上之分佈，以為了消除任何偵測到的差異。實際上，控制系統21配置成確保朝向單元17發射的輻射15以均勻且同質方式分佈且涵蓋單元17的整個表面。若感測器19偵測到在單元17的一或更多區域內輻射相對於同一單元之其他區域而言並非均勻或同質，控制系統21會對個別發光二極體電燈103、單一發光二極體，或一組發光二極體採取行動，以為了修改所發射的輻射且回復單元17整體輻射的同質性。本發明藉單元17或輻射板13的區域設計之故(將於以下討論)，且藉發光二極體在每個單元17內或區域內的分佈之故，吾人可修改且調整元件參數以能較佳地控制處理過程或控制測試與檢查元件10的測試結果，例如可獨立調整傳送至每一個發光二極體的電流。因此，本發明的實施例允許吾人將發射之輻射同樣實時地維持在所需參數條件下，尤其是關於空間上之同質性與隨時間 之穩定性，以避免產生區域性峰值以及改變涵蓋待測基板不同區域的輻射量。

第2圖圖示根據本發明一個實施例之範例性輻射板13的一側。輻射板13可分割成複數個單元101，該等單元101之每一者定義出一空間，該空間為納入一或更多發光二極體電燈103而調整尺寸且塑形。若有需要，每一個單元101可提供其於發光二極體電燈103之配置，該等配置具有與單元101相同或不同的光學特徵，其中單元101位於發光二極體103附近。發光二極體電燈103可依據應用選擇性地相對於其他發光二極體電燈而啟動或停止，因此所需之波長分佈以及電磁輻射15的數量可被指引朝向太陽/光電元件17的特定區域。在一個範例中，輸入電流參數可依發射區域而選擇性地調整以完整地將一或更多在輻射板13中的特定單元101切換成導通或關閉，藉此相對於元件17之特定區域，最佳化輻射板13的發射的空間分佈。

第3a與3b圖圖示單元101在根據本發明之第2圖輻射板13中的可能配置。在第3a圖所示之一個實施例中，輻射板13具有發光二極體電燈103的密集陣列，該密集陣列設置成橫跨單元101的整個表面。在一個配置中，每一個單元101包含複數個發光二極體電燈103，該發光二極體電燈103以垂直或水平的準直方式配置。然而在顯示於第3b圖的另一個實施例中，在單元101之一些中，輻射板13具有較不密集的發光二極體電燈103陣列。在此配置中，發光二極體電燈103可有意地停止，或不配置於單元101的一些區域內，例如，排空空間102，如第3b圖所示。排空空間的配置可根據應用而集中於中心區域或分佈於單元101附近，以使出現在元件17相應 區域的照射強度峰值減少，該照射強度峰值可能不利於待測的太陽/光電元件17的完整性。如此，中心或周圍區域的照射強度可相稱於橫向或相鄰區域的照射強度，且可依需要調整以獲得所需的發射同質性，該發射涵蓋元件17的整個表面。應注意的是，用於每一個輻射板13的單元101的數目以及用於每一個單元101的發光二極體電燈103的數目可根據處理要件或特定操作環境加以改變。此外，發光二極體電燈103在單元101內的安排方式可改變且不應該受限於如第3a與3b圖所顯示的配置方式。例如，發光二極體電燈103可根據所需元件17的照射強度分佈圖案而相對於周圍的發光二極體電燈而呈準直或交錯排列。

第4a與4b圖顯示根據本發明一個實施例在單元101中之發光二極體電燈103可能的配置方式。第4a圖圖示出發光二極體電燈103包含複數個相同間隔的發光二極體104，該等發光二極體104被安排成圓形配置，而第4b圖圖示出發光二極體電燈103包含複數個發光二極體104，該等發光二極體104被安排成矩形配置。特定的顏色安排方式並不影響個別發光二極體的光譜，卻影響整體光發射的同質性以致於能滿足太陽模擬器的要件。可設想的是發光二極體104可根據所需照射強度分佈圖案而呈任何配置型態。

在顯示於第4a與4b圖的一個範例中，發光二極體電燈103裝備有六個發光二極體104，包含具有與藍光波長相同波長的第一發光二極體105，具有與黃光波長相同波長的第二發光二極體107，具有與綠光波長相同波長的第三發光二極體109，具有與紅光波長相同波長的第四發光二極體111，具有紅外光區的波長的第五發光二極體113，以及具有紅外光區的另一種波長 的第六發光二極體115。用於第五與第六發光二極體113、115之紅外光波長範圍可從約0.7 m至約1,000 m。存在於發光二極體103內的發光二極體104的種類與數量決定電磁輻射15的光譜特性且基於不同處理要件以及待測太陽/光電元件17的特性而加以選擇。

第5圖顯示本發明另一個實施例，在此實施例中輻射板13分割成三個不同區域(電燈)，分別為213a、213b、213c。區域213a、213b、213c中之每一者包含具有不同波長的發光二極體，該等不同波長選自以下各者：綠色，藍色，紅色和相對於彼此在紅外光區具有不同波長的第一、第二或第三顏色。區域213a、213b、213c中之每一者與不同種發光二極體之每一者係由輻射板13的控制系統21(第1圖)獨立驅動，以為了賦予發射輻射盡可能高的均勻性與同質性。若六種顏色或六種不同波長被使用於每一個區域，必須使用18個不同電流以分別驅動每一個不同區域的每一個不同顏色。如此，使用不同區域與不同電流將允許對藉由每一個區域所發射的輻射之非常精確與特定的控制，因此可獲得對待測之太陽/光電元件17的整個表面之高度均勻與同質性的發射。

在一些實施例中，在輻射板13內之每一個不同顏色的發光二極體電燈的位置被定位且/或配置成形成所需波長以及強度發射圖案，以達到待測的橫跨太陽/光電元件17的所需發射均勻性且/或同質性。如同第5圖所顯示圖示輻射板13的特寫(例如左下角)的一個範例中，每一個不同顏色的發光二極體電燈被定位成所需圖案以達到所需均勻性或同質性，其中每一個不同發光二極體電燈的種類會於圖示特寫區域被分別標示為不同字母(例如R(紅)、G(綠)、B(藍)，以及Y(黃)，以及標示成兩種紅外光波長的X與Z)。 所屬技術領域具有通常知識者會理解，用於在輻射板13的不同位置與區域以達到所需發射均勻性與同質性的發光二極體電燈的配置將隨著在不同位置或區域的發光二極體電燈的發射強度以及密度的改變而改變，且因此顯示於第5圖的配置並非有意限制關於在此所設的本發明的範圍。

本發明另一個實施例所提供的是，在接近電燈的位置的溫度偵測器。在一個實施例中的溫度偵測器可包含熱電耦，該熱電耦與電燈的至少一部份接觸。溫度偵測器與控制系統相連接，萬一電燈的溫度增加超過一預定位準，溫度偵測器將命令電燈關閉。本發明另一個實施例提供熱補償系統，做為控制系統21的一部份，以避免整個或部份的發光二極體電燈103有任何過熱的情況。熱補償系統可為主動型，例如使用貝爾蒂效應(Peltier effect)的系統。

即使前述各者係關於本發明的一些實施例，本發明其他以及更進一步的實施例亦可在無超出本發明基本範圍之情況下而提供，且本發明的範圍將由下述申請專利範圍所界定。

10‧‧‧測試與檢查元件

11‧‧‧太陽模擬器

13‧‧‧輻射板

14‧‧‧光學透鏡

15‧‧‧電磁輻射

16‧‧‧支座

17‧‧‧太陽/光電元件

19‧‧‧感測器

21‧‧‧控制系統

h‧‧‧距離

101‧‧‧單元

103‧‧‧發光二極體電燈

104‧‧‧發光二極體

102‧‧‧排空空間

105‧‧‧第一發光二極體

107‧‧‧第二發光二極體

109‧‧‧第三發光二極體

111‧‧‧第四發光二極體

113‧‧‧第五發光二極體

115‧‧‧第六發光二極體

213a‧‧‧區域

213b‧‧‧區域

213c‧‧‧區域

為了詳細地理解本案內容的上述特徵，藉由參考本案內容的實施例(其中一些圖示在附圖中)，可以得到上文所簡要概括的內容的更為具體的描述。然而，應注意的是附圖僅圖示本發明之典型實施例且因此不應被視為對本發明範圍的限制，因為本發明可承認其他具等價有效性的實施例。

第1圖根據本發明之一個實施例，示意性地顯示測試與檢查元件，該測試與檢查元件使用用於重製太陽輻射的太陽模擬器。

第2圖根據本發明之一個實施例，顯示一範例性太陽模擬器。

第3a與3b圖根據本發明之一個實施例，顯示存在於第2圖所示之太陽模擬器內的單元之可能的配置方式。

第4a與4b圖根據本發明之一個實施例，顯示發光二極體電燈可能的配置方式。

第5圖根據本發明之另一個實施例，顯示出輻射板被分割成三個不同區域。

為使更容易瞭解本發明，在可能的情況下，相同的元件符號會指定在不同圖式中之相同元件。需瞭解的是，一些實施例的元件與特徵可有益地合併於其他實施例中而無須進一步記載。

10‧‧‧測試與檢查元件

11‧‧‧太陽模擬器

13‧‧‧輻射板

14‧‧‧光學透鏡

15‧‧‧電磁輻射

16‧‧‧支座

17‧‧‧太陽/光電元件

19‧‧‧感測器

21‧‧‧控制系統

h‧‧‧距離

Claims (15)

1. 一種用於測試一光電元件的裝置，該裝置包含：一光源元件，該光源元件配置成重製太陽輻射光譜，該光源元件包含一輻射板，該輻射板分割成複數個單元，且該等複數個單元中之每一者包含複數個發光二極體，該複數個發光二極體發射至少兩種不同波長；一基板支座，該基板支座設置成與該光源元件相對；一或更多感測器，該等感測器設置在該基板支座附近以偵測該輻射板所發射出的輻射；以及一控制系統，該控制系統與該等一或更多個感測器相連接且該控制系統適於接收關於該光譜的資訊，該光譜由該輻射板隨時間確實發射出，且該控制系統修正該光源元件的運作參數以至少極小化波動且在空間上同質化該所發射的輻射，其中修正該運作參數的步驟至少包含以下步驟中的至少一者：修改一或更多電饋送量；修改該發射的一空間上的分佈或時間上的分佈；停止位於該輻射板的一中心區域的該發光二極體；及停止位於該輻射板的一周圍區域的該發光二極體。
2. 如請求項1所述之裝置，其中該輻射板之該等複數個單元中之每一者由該等複數個單元的該等發光二極體的至少該等發射參數獨立地控制。
3. 如請求項1所述之裝置，其中該至少兩種不同波長選自涵蓋太陽輻射 的整個發射光譜。
4. 如請求項1所述之裝置，其中該等複數個發光二極體發射一波長，該波長選自由以下顏色組成之群組：藍、綠、黃、紅、在紅外光區之至少一第一顏色與一第二顏色，該第一顏色與該第二顏色相對於彼此具有不同波長。
5. 如請求項4所述之裝置，其中在紅外光區的該第一顏色與該第二顏色具有在從約0.7m至約1,000m波長範圍內的一波長。
6. 如請求項1所述之裝置，更包含：一或更多個光學透鏡，該等光學透鏡設置於該光源元件與該基板支座之間。
7. 如請求項1所述之裝置，其中該等一或更多個感測器設置於該基材支座的每一側上。
8. 如請求項1所述之裝置，其中該等一或更多個感測器包含半導體基光電二極體(semiconductor based photodiode)。
9. 一種用於測試一光電元件的方法，該方法包含以下步驟：提供一光源元件以朝向一光電元件發射至少兩種不同波長，其中該至少兩種不同波長提供一輸出光譜，該輸出光譜模擬太陽輻射的光譜；偵測由該光源元件所發射的該輸出光譜；將由該光源元件所發射的該輸出光譜與待發射的一預定光譜進行 比對；及修正該光源元件的運作參數以消除介於該輸出光譜與該待發射預定光譜之間的變異，該輸出光譜係由該光源元件所發射，其中修正該運作參數的步驟包含以下步驟中的至少一者：修改一或更多電饋送量；修改該發射的一空間上的分佈或一時間上的分佈；停止位於該輻射板的一中心區域的發光二極體；及停止位於該輻射板的一周圍區域的發光二極體；其中該等運作參數經調整以至少極小化波動且在空間上同質化所發射的輻射。
10. 如請求項9所述之方法，其中該至少兩種不同波長選自涵蓋太陽輻射整個發射光譜的範圍。
11. 如請求項9所述之方法，其中該光源元件包含一輻射板，該輻射板分割成複數個單元，且其中每一個單元包含複數個發光二極體。
12. 如請求項11所述之方法，其中該等複數個發光二極體發射一波長，該波長選自由下列顏色所組的群組：藍、綠、黃、紅、在紅外光區之至少一第一顏色與一第二顏色，該第一顏色與該第二顏色相對於彼此具有不同波長。
13. 如請求項9所述之方法，其中該修正該光源元件的該等運作參數之步驟包含以下步驟： 停止位於該輻射板的一中心區域的發光二極體。
14. 如請求項9所述之方法，其中該修正該光源元件的該等運作參數之步驟包含以下步驟：停止位於該輻射板的一周圍區域的發光二極體。
15. 如請求項9所述之方法，其中該偵測由該光源元件所發射的該輸出光譜的步驟係藉由一或更多個感測器加以執行，該等感測器設置在該光電元件附近。