多结太阳电池外量子效率测试系统及测试方法

1.本发明是关于光电器件测试技术领域，特别是关于一种多结太阳电池外量子效率测试系统及测试方法。


背景技术：

2.近年来，太阳能光伏发电产业增长迅速，研发高性能太阳能电池已成为重中之重。对于太阳电池，表征其器件性能及了解电池的光谱响应的重要和不可替代的手段是外量子效率测量。外量子效率测试中从单色仪出射的不同波长的单色光入射到太阳电池表面时，太阳电池对不同能量光子的反射、吸收和光生载流子的收集效率等因素会导致在相同辐照度条件下产生不同的短路电流密度，所测得的短路电流密度与辐照度之比，即收集的电子与入射的光子数之比可以反映出被测器件的光谱响应。
3.现有技术中，已存在一种量子效率测试系统，可对对非叠层结构的单结太阳电池进行外量子效率测试，但该测试系统无法完成对多结太阳电池的测试。因为多结太阳电池的电流密度受子电池最小电流密度的限制，当其他子电池电流密度大于测试子电池电流密度时，才能反映出被测子电池的光谱相应。将现有的量子效率测试系统应用于测试多结太阳电池会出现无法判断输出的电流信号属于哪一结子电池的情况。
4.公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种多结太阳电池外量子效率测试系统，其能够不受限制的实现对多结太阳电池外量子效率的测量。
6.为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种多结太阳电池外量子效率测试系统，包括光源，光路调节结构，第一聚焦透镜，样品承载结构，激光器，放大器以及处理器。
7.所述光源提供光照以使待测的多结太阳电池产生光谱响应；所述光路调节结构、第一聚焦透镜以及样品承载结构依次设置于所述光源的出射光路上，所述光路调节结构至少用以调节所述光源的出射光路路径、获取测试所需的特定波长的单色光以及控制所述单色光的光束半径；所述第一聚焦透镜至少用以将经所述光路调节结构获取的单色光转换为平行光；所述样品承载结构用于固定待测样品，所述待测样品包括待测的多结太阳电池；所述激光器设置于所述光源的出射光路侧面，所述激光器包括多种不同中心波长的激光，用以照射待测的多结太阳电池，对多结太阳电池除待测子电池外的其它子电池进行饱和；所述放大器电性连接所述待测样品，用以放大所述待测样品产生的脉冲电流信号；以及所述处理器电性连接所述放大器，用以对所述脉冲电流信号进行处理，获取待测样品的信息。
8.在本发明的一个或多个实施方式中，所述光路调节结构包括反射器、分光器和光阑，所述反射器、分光器、光阑依次设置于所述光源的出射光路上，其中所述分光器置于所述第一聚焦透镜的前焦平面。
9.在本发明的一个或多个实施方式中，所述放大器为锁相放大器，所述分光器为单色仪，所述光源为氙灯。
10.在本发明的一个或多个实施方式中，所述多结太阳电池外量子效率测试系统还包括斩波器，所述斩波器设置于所述光路调节结构以及所述第一聚焦透镜之间的出射光路上，用于将所述光源出射的连续光转换为脉冲光。
11.在本发明的一个或多个实施方式中，所述多结太阳电池外量子效率测试系统还包括第二聚焦透镜，所述第二聚焦透镜设置于所述光源的出射光路上且位于所述第一聚焦透镜的后方，用以将所述脉冲光聚焦至待测样品表面。
12.在本发明的一个或多个实施方式中，所述待测样品还包括标准探测器，在测试所述待测的多结太阳电池之前，先对所述标准探测器进行测试标定。
13.在本发明的一个或多个实施方式中，所述标准探测器包括si探测器、短波ingaas探测器、本征ingaas探测器。
14.在本发明的一个或多个实施方式中，所述样品承载结构包括样品夹具以及可升降样品支架，所述样品夹具设置于所述可升降样品支架上，所述样品夹具用于固定所述待测样品。
15.本发明的实施例还提供了一种多结太阳电池外量子效率测试方法，包括：
16.s1、光源发出的光束依次经过反射器、分光器、光阑、斩波器、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜后照射于标准探测器上，激发标准探测器使其产生响应脉冲电流，放大器放大脉冲电流信号，处理器接收放大器放大的脉冲电流信号，并获取标准探测器的标准响应信号曲线；
17.s2、将标准探测器换成待测的多结太阳电池，打开激光器并对激光器中的不同中心波长的激光进行组合，使得激光可以饱和除多结太阳电池中待测子电池外的其它子电池，以使其它子电池产生高饱和电流；
18.s3、光源发出的光束依次经过反射器、分光器、光阑、斩波器、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜后照射于待测的多结太阳电池上，激发多结太阳电池使其产生响应脉冲电流，该响应脉冲电流为所述多结太阳电池中待测子电池的响应脉冲电流，放大器放大脉冲电流信号，处理器接收放大器放大的脉冲电流信号，并将其与标准探测器的电流信号进行比较，获取多结太阳电池中待测子电池的光谱响应曲线；
19.s4、按照步骤s3依次对多结太阳电池中的所有子电池进行测量，并将所有子电池的光谱响应曲线整合至一张坐标轴中，以获取多结太阳电池整体的外量子效率响应曲线。
20.在本发明的一个或多个实施方式中，所述激光器的多种不同中心波长的激光在使用时可自由组合，以根据需求只饱和除多结太阳电池中待测子电池外的其它非测试状态的子电池，从而使光源照射下多结太阳电池输出的电流信号属于待测子电池。
21.与现有技术相比，本发明实施方式的多结太阳电池外量子效率测试系统，根据多结太阳电池测试时的需求，通过在光路之外安置激光器，对外置的激光器内不同中心波长的激光进行自由更换组合，实现对所有非待测的不同带隙子电池的饱和，从而完成对多结太阳电池外量子效率的测试，得到多结太阳电池完整的光谱响应。
附图说明
22.图1是本发明一实施方式的多结太阳电池外量子效率测试系统的结构示意图；
23.图2是本发明一具体实施例的三结gainp/gaas/ingaas太阳电池外量子效率图示。
具体实施方式
24.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
25.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
26.本发明一实施方式提供了一种多结太阳电池外量子效率测试系统，可以通过激光器饱和的方式对叠层结构的多结太阳电池进行外量子效率(eqe)的测试。
27.如图1所述，多结太阳电池外量子效率测试系统包括包括光源1、光路调节结构2、第一聚焦透镜4、激光器6、样品承载结构7、放大器9以及处理器10。光源1用以提供光照。光路调节结构2、第一聚焦透镜4以及样品承载结构7依次设置于光源1的出射光路上。光路调节结构2至少用以调节光源1的出射光路路径、获取测试所需的特定波长的单色光以及控制单色光的光束半径。第一聚焦透镜4至少用以将经光路调节结构2获取的单色光转换为平行光。样品承载结构7用于固定待测样品8，待测样品8包括待测的多结太阳电池以及标准探测器。激光器6设置于光源1的出射光路侧面，激光器8包括多种不同中心波长的激光，用以照射待测的多结太阳电池，对多结太阳电池除待测子电池外的其它子电池进行饱和。放大器9电性连接待测样品8，用以放大待测样品8产生的脉冲电流信号。处理器10电性连接放大器9，用以对脉冲电流信号进行处理，获取待测样品8的信息。
28.光路调节结构2包括反射器21、分光器22和光阑23，反射器21、分光器22、光阑23依次设置于光源1的出射光路上，其中，分光器22置于第一聚焦透镜4的前焦平面，即光源1出射的光线依次经过反射器21、分光器22、光阑23、第一聚焦透镜4以及样品承载结构7。反射器21将光源1出射的光反射至分光器22的入口狭缝处，分光器22用于获得具有特定波长的单色光，光阑23对单色光的光束半径大小进行控制，确保光束完全进入第一聚焦透镜4。较佳地，光源1可以为氙灯。在一具体实施例中，分光器22可以为单色仪，较佳地，分光器22为光栅单色仪，第一聚焦透镜4用于将光栅单色仪出口狭缝处出射的单色光转换为平行光。
29.样品承载结构7包括可升降样品支架71和样品夹具72，样品夹具72固定于可升降样品支架71上，样品夹具72用于固定待测样品8。
30.在一具体实施例中，待测样品8为半导体光电材料，包括标准探测器与待测的多结太阳电池。在测试多结太阳电池之前，需要对标准探测器进行测试标定。标准探测器包括si探测器、短波ingaas探测器、本征ingaas探测器。待测多结太阳电池由多个子电池串联而成，例如，待测多结太阳电池为五结太阳电池，即待测多结太阳电池有五个子电池，每结子电池对光谱的响应波段不同，所有子电池响应叠加构成多结太阳电池完整的光谱响应。
31.在一具体实施例中，激光器6包括多种不同中心波长的激光。激光器6置于光路侧面，测试多结太阳电池的某一子电池光谱响应时，出射的激光直接打在多结太阳电池表面，多结太阳电池的电流密度受子电池最小电流密度的限制，当其他子电池电流密度大于测试
子电池电流密度时，才能反映出被测子电池的光谱相应，通过对激光器6中不同中心波长的激光进行组合，可以实现对非待测子电池的激光饱和，使得输出响应信号属于待测子电池。在对标准探测器进行标定时，激光器6的电源处于关闭状态，即测试标准探测器时不需要激光进行饱和。
32.本实施例中的多结太阳电池外量子效率测试系统还包括斩波器3以及第二聚焦透镜5。斩波器3设置于光路调节结构2以及第一聚焦透镜4之间的出射光路上，第二聚焦透镜5设置于光源1的出射光路上且位于第一聚焦透镜4的后方。即光源1出射的光依次经过反射器21、分光器22、光阑23、斩波器3、第一聚焦透镜4、第二聚焦透镜5、样品承载结构7。斩波器3可以将光源1出射的连续光转换为脉冲光。第二聚焦透镜5将脉冲光聚焦至待测样品8表面，激发待测样品8使其产生响应脉冲电流。
33.为了提升信号的质量，本实施例中放大器9为锁相放大器。待测样品8的正负极与放大器9相连，放大器9将待测样品8产生的脉冲电流信号放大，并发送给处理器10，处理器10对电流信号进行处理，从而获得待测样品8的相关信息，其中，相关信息包括光谱特性。较佳地，处理器10可以为计算机。
34.下面对本实施例中的多结太阳电池外量子效率测试系统的测试过程进行详细描述。
35.以待测多结太阳电池为五结太阳电池为例，测试五结太阳电池的某一子电池时，首先对与待测子电池响应波段相同的标准探测器进行测量。将标准探测器固定在样品夹具72上，通过导线将标准探测器的p极和n极与放大器9连接，在放大器9上选择合适的量程，调整好光路，反射器21将光源1出射的光反射至分光器22的入口狭缝处，光阑23对单色光的光束半径大小进行控制，确保光束完全进入第一聚焦透镜4，斩波器3将光源1出射的连续光转换为脉冲光，第一聚焦透镜4用于将分光器22出口狭缝处出射的单色光转换为平行光，第二聚焦透镜5将平行脉冲光聚焦至标准探测器表面，激发标准探测器使其产生响应脉冲电流。放大器9将标准探测器产生的脉冲电流信号放大，并发送给处理器10，处理器10对标准探测器的电流信号进行处理记录，获得标准探测器的标准响应信号曲线。
36.取下标准探测器，将五结太阳电池固定在样品夹具72上，通过导线将五结太阳电池的p极和n极与放大器9连接，在放大器9上选择合适的量程。调整好光路，对激光器6中的不同中心波长的激光进行组合，使得打开的激光可以可以饱和除待测子电池外其它子电池，将激光聚焦在五结太阳电池表面，使得五结太阳电池中所有非待测子电池实现饱和，产生高饱和电流。反射器21将光源1出射的光反射至分光器22的入口狭缝处，光阑23对单色光的光束半径大小进行控制，确保光束完全进入第一聚焦透镜4，斩波器3将光源1出射的连续光转换为脉冲光，第一聚焦透镜4用于将分光器22出口狭缝处出射的单色光转换为平行光，第二聚焦透镜5将平行脉冲光聚焦至五结太阳电池表面，激发五结太阳电池使其产生响应脉冲电流。五结太阳电池最终将输出响应最低的子电池电流信号，即未被饱和的待测子电池的电流信号，放大器9将待测子电池产生的脉冲电流信号放大，并发送给处理器10，处理器10对所测子电池的电流信号与标准探测器的电流信号进行比较，就可以得到所测子电池的的光谱响应曲线。在依次测完所有子电池后，将所有子电池的光谱响应曲线集合在一张坐标轴中，得到一片多结太阳电池完整的外量子效率响应曲线。
37.本发明还提供了一种多结太阳电池外量子效率测试方法，包括：s1、光源1发出的
光束依次经过反射器21、分光器22、光阑23、斩波器3、第一聚焦透镜4、第二聚焦透镜5后照射于标准探测器上，激发标准探测器使其产生响应脉冲电流，放大器9放大脉冲电流信号，处理器10接收放大器9放大的脉冲电流信号，并获取标准探测器的标准响应信号曲线；s2、将标准探测器换成待测的多结太阳电池，打开激光器6并对激光器6中的不同中心波长的激光进行组合，使得激光可以饱和除多结太阳电池中待测子电池外的其它子电池，以使其它子电池产生高饱和电流；s3、光源1发出的光束依次经过反射器21、分光器22、光阑23、斩波器3、第一聚焦透镜4、第二聚焦透镜5后照射于待测的多结太阳电池上，激发多结太阳电池使其产生响应脉冲电流，该响应脉冲电流为所述多结太阳电池中待测子电池的响应脉冲电流，放大器9放大脉冲电流信号，处理器10接收放大器9放大的脉冲电流信号，并将其与标准探测器的电流信号进行比较，获取多结太阳电池中待测子电池的光谱响应曲线；s4、按照步骤s3依次对多结太阳电池中的所有子电池进行测量，并将所有子电池的光谱响应曲线整合至一张坐标轴中，以获取多结太阳电池整体的外量子效率响应曲线。
38.其中，所述激光器6的多种不同中心波长的激光在使用时可自由组合，以根据需求只饱和除多结太阳电池中待测子电池外的其它非测试状态的子电池，从而使光源照射下多结太阳电池输出的电流信号属于待测子电池。
39.如图2所示，以三结gainp/gaas/ingaas太阳电池为例：gainp顶电池主要吸收300-700nm左右的单色光，gaas中部电池主要吸收600-900nm左右的单色光，ingaas底电池主要吸收800-1400nm左右的单色光。在光照下，每结子电池都会产生光谱响应，输出电流，但最终太阳电池整体输出的，可以被采集到的电流信号是所有子电池中最小的电流，即只能得到响应最弱的子电池的电流信号，将其与标准探测器进行对比，可以得出该结子电池的外量子效率曲线，根据外量子效率曲线计算出该结子电池的电流密度。为了对叠层结构中的每结子电池的响应都进行测量，就必须使其在测试时成为所有子电池中响应最低的一结，即用激光饱和其他子电池，使其子电池输出电流变强。例如测试300-700nm波段的gainp顶电池时，必须用激光照射以饱和gaas和ingaas子电池，让其输出较大的电流，否则因为gaas和ingaas子电池在该波段响应较低，输出的电流信号必然是二者中的一个，而无法得到真正的gainp顶电池的光谱响应。在依次测完所有子电池后，将所有子电池的外量子效率响应画在一张坐标轴中，才可以得到一片多结太阳电池完整的外量子效率响应曲线，如图2所示。
40.与现有技术相比，本发明实施方式的多结太阳电池外量子效率测试系统，根据多结太阳电池测试时的需求，通过在光路之外安置激光器，对外置的激光器内不同中心波长的激光进行自由更换组合，实现对所有非待测的不同带隙子电池的饱和，从而完成对多结太阳电池外量子效率的测试，得到多结太阳电池完整的光谱响应。
41.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。