一种可调控瞬态光电测量系统

1.本实用新型涉及光电测量技术领域，特别是一种可用于太阳能电池等光电器件的电荷动力学测量表征的可调控瞬态光电测量系统。


背景技术：

2.太阳能电池是一种重要的清洁能源技术，可将太阳能直接转换为电能。太阳能电池的光电转换过程涉及不同时间尺度的多个光电物理过程，而这些过程具备不同的动力学性质。准确测量这些动力学性质对于深入认识太阳能电池的工作机理以及性能损失具有重要意义，因此研发相关的测量技术和仪器系统对于科学研究和工业生产均具有重要价值。
3.瞬态光电测量技术，包括瞬态光电流测量和瞬态光电压测量，是研究太阳能电池等半导体器件的电荷输运和复合的重要手段，其测量可覆盖从纳秒到秒的宽时间尺度。传统的瞬态光电测量方法主要测量器件短路状态下的瞬态光电流以及开路状态下的瞬态光电压，并基于这两种状态下器件的电荷动力学性质对不同器件进行定性比较。很显然，这种简单的测量无法充分研究器件在不同工作状态下的电荷动力学性质，也难以进行定量的分析。针对此问题，发明人在此前的研究中开发了可调控的瞬态光电测量方法，并开发了相关的物理模型和数据处理方法对太阳能电池在不同工作状态下的电荷损失进行定量分析。然而，目前进行可调控的瞬态光电测量和数据分析需要耗费极大的人力和时间。因此，亟需开发一种可用于可调控的瞬态光电测量的一体化自动控制的相关成套仪器系统。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，提出了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的可调控瞬态光电测量系统。
5.本实用新型的一个目的在于提供一种一体化的可调控瞬态光电测量系统，其可以实现太阳能电池等半导体光电器件的瞬态光电动力学的自动化测量和数据分析。
6.本实用新型的一个进一步的目的在于实现可调控瞬态光电测量系统在非电学调控模式、电学调控瞬态光电流模式和电学调控瞬态光电压模式三种不同功能模式之间的快速切换。
7.本实用新型的又一个进一步的目的在于实现可调控瞬态光电测量系统中不同电学模块间的电磁兼容并抑制噪声。
8.特别地，本实用新型实施例提供了一种可调控瞬态光电测量系统，包括：
9.样品模块，用于放置被测的光电器件样品；
10.偏置光照模块，配置为向所述样品施加稳态偏置光以使所述样品具备稳态电荷分布；
11.脉冲激光模块，配置为向所述样品施加脉冲激光以激发所述样品的瞬态电学过程；
12.电压偏置模块，配置为向所述样品施加预定的稳态偏置电压以使所述样品处在半
导体电学状态；
13.滤波器模块，连接在所述样品模块和所述电压偏置模块之间，配置用于整个测量电路与所述样品之间的阻抗匹配，以使所述电压偏置模块输出的电压完整施加到所述样品上；
14.采样电阻模块，并联于所述电压偏置模块与所述滤波器模块串联所形成的电路的两端；
15.电学信号测量模块，分别与所述样品模块、所述偏置光照模块、所述脉冲激光模块和所述采样电阻模块连接，配置为采集所述样品在所述脉冲激光激发下通过所述采样电阻模块输出的电信号；以及
16.自动控制和数据处理模块，分别与所述电学信号测量模块和所述电压偏置模块连接，配置为控制所述电压偏置模块所输出的电压，读取所述电学信号测量模块采集的数据并进行处理和存储，以及协调所述电压偏置模块进行电压输出和所述电学信号测量模块进行信号采集的时间顺序。
17.可选地，所述可调控瞬态光电测量系统还包括：
18.功能切换模块，连接在所述样品模块与所述滤波器模块之间，配置为使所述可调控瞬态光电测量系统的电路在不同测量功能模式之间切换。
19.可选地，所述滤波器模块包括具有适配于瞬态光电压测量的阻抗特性的第一低通滤波器和具有适配于瞬态光电流测量的阻抗特性的第二低通滤波器；并且
20.所述功能切换模块为设置有三个开关接触位点的选择开关，并配置为当连通第一开关接触位点时使所述样品模块与所述电学信号测量模块形成非调控瞬态光电压测量电路，当连通第二开关接触位点时使所述样品模块、所述采样电阻模块、所述第二低通滤波器、所述电压偏置模块和所述电学信号测量模块形成调控瞬态光电流测量电路，以及当连通第三开关接触位点时使所述样品模块、所述第一低通滤波器、所述电压偏置模块和所述电学信号测量模块形成调控瞬态光电压测量电路。
21.可选地，所述电学信号测量模块包括数字示波器；并且
22.所述非调控瞬态光电压测量电路和所述调控瞬态光电压测量电路均以所述数字示波器内置的高输入阻抗作为测量的采样电阻。
23.可选地，所述可调控瞬态光电测量系统还包括：
24.噪声抑制模块，其包括以下至少之一：所述电学信号测量模块和所述偏置光照模块的共地连接结构、为所述偏置光照模块配置的第一交直流适配电源、为所述脉冲激光模块配置的第二交直流适配电源、为所述电压偏置模块配置的第三交直流适配电源、为所述自动控制和数据处理模块配置的直流电源。
25.可选地，所述电学信号测量模块包括直流信号通道和交流信号通道用于电信号采集。
26.可选地，所述电压偏置模块包括信号发生器和其电源。
27.可选地，所述偏置光照模块包括偏置光源、第一反射镜和凸透镜，其中，所述偏置光源输出的光依次通过所述第一反射镜和所述凸透镜后照射在所述样品上；
28.所述脉冲激光模块包括脉冲激光器、第二反射镜和强度衰减片，其中，所述脉冲激光器发射的脉冲激光依次经过所述第二反射镜和所述强度衰减片后照射在所述样品上。
29.可选地，所述样品模块包括：
30.接触电极，配置为与放置在所述样品模块上的所述样品接触；以及
31.位置调节元件，用于调节所述样品的位置。
32.可选地，所述自动控制和数据处理模块包括内置自动化控制程序的计算机。
33.本实用新型提供的可调控瞬态光电测量系统可用于快速自动化测量太阳能电池等光电器件在不同偏置电压和光照状态下的电荷动力学过程，以测量和分析器件内的电荷输运和复合性质。本系统具备一体化的仪器结构、模块化的功能区划分、完善的面板和界面接口、以及自动化控制程序，集成度高，可极大地节省瞬态光电测量和数据分析所耗费的人力和时间。
34.进一步地，本实用新型的可调控瞬态光电测量系统可以实现非电学调控模式、电学调控瞬态光电流模式和电学调控瞬态光电压模式三种不同功能模式之间的快速切换。本系统通过功能切换模块如自动化电磁开关或手动多通道开关实现功能切换，同时在电路设计中保证不同模式下电学调控功能的准确实现以及电路与被测器件间的阻抗匹配。
35.进一步地，本实用新型的可调控瞬态光电测量系统通过为不同的电学组件提供独立供电模块和交直流转换、互连的接地装置、以及为自动控制和数据处理模块(如计算机)提供直流供电等手段，实现不同电学模块间的电磁兼容，并抑制噪声，从而提高系统测量的精确度。
36.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本实用新型的具体实施方式。
37.根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
38.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
39.图1为根据本实用新型一实施例的可调控瞬态光电测量系统的功能结构的示意性框图，其中直线表示电路或信号连接；
40.图2为根据本实用新型一实施例的可调控瞬态光电测量系统的功能切换模块的接触位点切换示意图；
41.图3为根据本实用新型一实施例的可调控瞬态光电测量系统的不同测量模式的电路结构示意图；
42.图4为根据本实用新型一实施例的可调控瞬态光电测量系统的数字示波器的直流和交流双通道的电信号采集的示意图；
43.图5为根据本实用新型一实施例的可调控瞬态光电测量系统的偏置电压自动扫描式测量的示意图。
具体实施方式
44.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
45.目前虽然已经提出了可调控的瞬态光电测量方法，但由于尚未能研制出一体化自动控制的相关成套仪器系统，进行可调控的瞬态光电测量和数据分析需要耗费极大的人力和时间，这对于可调控的瞬态光电测量方法的传播推广是不利的。而且，一体化成套仪器系统在不同模块的协同和时序工作、不同电子元器件的集成和布局、电磁兼容设计、以及工业结构设计和稳定性方面均具有较大的研制难度。
46.针对上述问题，本实用新型实施例提出了一种一体化的可调控瞬态光电测量系统，其可以实现太阳能电池等半导体光电器件的瞬态光电动力学的自动化测量和数据分析。
47.图1示出了根据本实用新型一实施例的可调控瞬态光电测量系统100的功能结构的示意性框图，其中直线表示电路或信号连接。参见图1所示，可调控瞬态光电测量系统100至少可以包括样品模块110、偏置光照模块120、脉冲激光模块130、电压偏置模块140、滤波器模块150、采样电阻模块160、电学信号测量模块170以及自动控制和数据处理模块180。下面将对这些模块进行具体的说明。
48.样品模块110用于放置被测的光电器件样品111。光电器件样品111例如可以是太阳能电池等。在一些实施例中，样品模块110可以包括接触电极，配置为与放置在样品模块110上的样品111接触；以及位置调节元件，用于调节样品111的位置。位置调节元件具体地可以采用一维或多维平移台，其可以手动操作，也可以电机驱动。
49.偏置光照模块120配置为向样品111施加稳态偏置光以使样品111具备一定的稳态电荷分布。在一些实施例中，偏置光照模块120可以包括偏置光源121、第一反射镜和凸透镜，其中，偏置光源121输出的光依次通过第一反射镜和凸透镜后照射在样品111上。可选地，偏置光源121可以采用通过直流电流大小调节的强度可调的led(light emitting diode，发光二极管)等。
50.脉冲激光模块130配置为向样品111施加脉冲激光以激发样品111的瞬态电学过程。在一些实施例中，脉冲激光模块130可以包括脉冲激光器131、第二反射镜和强度衰减片，其中，脉冲激光器131发射的脉冲激光依次经过第二反射镜和强度衰减片后照射在样品111上，并与偏置光照模块120所照射的稳态偏置光重合。
51.在一些具体的实施例中，脉冲激光模块130输出纳秒级脉冲激光，激光脉冲宽度在纳秒量级可调。
52.可选地，脉冲激光器131可以是主动脉冲控制激光器或被动触发控制的脉冲激光器。为便于系统集成，优选采用小型化半导体或固体脉冲激光器，脉冲频率一般可由外部触发信号进行控制。
53.电压偏置模块140配置为向样品111施加预定的稳态偏置电压以使样品111处在特定的半导体电学状态。在一些实施例中，电压偏置模块140可以包括信号发生器141和其电源(如直流电源)。在一些具体的实施例中，电压偏置模块140输出的电压的分辨率可控制在
mv量级。
54.滤波器模块150连接在样品模块110和电压偏置模块140之间，配置用于整个测量电路与样品111之间的阻抗匹配，以使电压偏置模块140输出的电压完整施加到样品111上。在一些实施例中，滤波器模块150可以包括多个具有不同带宽和直流电阻性质的滤波器组件，从而能够在不同的测量模式下适配测量对象(即被测样品111)的阻抗特性和采样电阻大小，实现测量过程中的阻抗和带宽匹配，这将在后面具体说明。
55.采样电阻模块160并联于电压偏置模块140与滤波器模块150串联所形成的电路的两端，用于采样输出样品111在脉冲激光激发下的瞬态电信号。
56.电学信号测量模块170分别与样品模块110、偏置光照模块120、脉冲激光模块130和采样电阻模块160连接，配置为采集样品111在脉冲激光激发下通过采样电阻模块160输出的电信号。在一些实施例中，电学信号测量模块170可以包括数字示波器171，具体地，例如台式示波器或usb型示波器。电学信号测量模块170的信号采集通道一般可为两个或两个以上。
57.自动控制和数据处理模块180分别与电学信号测量模块170和电压偏置模块140连接，配置为控制电压偏置模块140所输出的电压，读取电学信号测量模块170采集的数据并进行处理和存储，以及协调电压偏置模块140进行电压输出和电学信号测量模块170进行信号采集的时间顺序。
58.在一些实施例中，自动控制和数据处理模块180可以是内置自动化控制程序的计算机，通过运行自动化控制程序控制不同电学模块间进行协同工作，主要包括控制电压偏置模块140为被测样品111施加特定的电学信号或进行电压扫描，读取并记录电学信号测量模块170传输的数据并进行处理，同时协调这两个过程间的时间顺序。计算机通过usb等类型接口与电压偏置模块140和电学信号测量模块170连接并进行通讯和控制信号及数据传输。计算机同时与电学信号测量模块170通过信号传输线路进行连接，实现对电学信号测量模块170的时间窗口、采样率、电压窗口等参数的调节，以及实现测量信号的快速读取、存储和数据处理。
59.本实用新型实施例提供的可调控瞬态光电测量系统100可用于快速自动化测量太阳能电池等光电器件在不同偏置电压和光照状态下的电荷动力学过程，以测量和分析器件内的电荷输运和复合性质。本系统具备一体化的仪器结构、模块化的功能区划分、完善的面板和界面接口、以及自动化控制程序，集成度高，可极大地节省瞬态光电测量和数据分析所耗费的人力和时间。
60.在一些进一步的实施例中，如图1所示，可调控瞬态光电测量系统100还可以包括功能切换模块190，连接在样品模块110与滤波器模块150之间，配置为使可调控瞬态光电测量系统100的电路在不同测量功能模式之间切换。
61.进一步地，滤波器模块150可以包括具有适配于瞬态光电压测量的阻抗特性的第一低通滤波器151和具有适配于瞬态光电流测量的阻抗特性的第二低通滤波器152。在应用中，可以根据测量对象的阻抗特性和采样电阻大小，通过功能切换模块190切换不同的测量模式中用到的滤波器，以实现测量过程中的阻抗和带宽匹配。
62.在一个具体的实施例中，可调控瞬态光电测量系统100的不同测量功能模式可以包括非电学调控模式、电学调控瞬态光电流模式和电学调控瞬态光电压模式这三种功能模
式。功能切换模块190可以通过选择开关实现，例如手动单刀三掷开关或电磁继电开关等，其可以设置有三个开关接触位点，通过切换连接不同的位点实现在不同功能模式间的切换。
63.图2中示例性地可调控瞬态光电测量系统100的功能切换模块190的接触位点切换示意图，其中位点0为非调控瞬态光电压测量模式(即非电学调控模式)，位点1为调控瞬态光电流测量模式(即电学调控瞬态光电流模式)，位点2为调控瞬态光电压测量模式(即电学调控瞬态光电压模式)。
64.功能切换模块190与特定设计的功能电路进行连接，保证不同开关接触位点对应不同的测量电路和元器件单元。图3示出了根据本实用新型一实施例的可调控瞬态光电测量系统100的不同测量模式的电路结构示意图。需要说明的是，由于自动控制和数据处理模块180对于测量电路的阻抗和带宽并不产生影响，因此在图3中省略了自动控制和数据处理模块180。参见图3所示，当功能切换模块190连通第一开关接触位点(位点0)时，可使样品模块110(具体为样品111)与电学信号测量模块170(如数字示波器171)形成非调控瞬态光电压测量电路，当连通第二开关接触位点(位点1)时，使样品模块110(具体为样品111)、采样电阻模块160(具体为采样电阻161)、第二低通滤波器152、电压偏置模块140(具体为信号发生器141)和电学信号测量模块170(如数字示波器171)形成调控瞬态光电流测量电路，当连通第三开关接触位点(位点2)时，使样品模块110(具体为样品111)、第一低通滤波器151、电压偏置模块140(具体为信号发生器141)和电学信号测量模块170(如数字示波器171)形成调控瞬态光电压测量电路，从而实现三种测量功能模式间的切换。
65.对于调控瞬态光电流和调控瞬态光电压两种测量，它们的电路的阻抗特性存在较大的差异，因此，本技术的设计中引入了电路连接但功能独立的两个低通滤波器。滤波器主要由电感元件构成。瞬态光电压测量对应的电感值可达到1000亨特量级，直流电阻在1000欧姆左右，而瞬态光电流测量对应的电感值只在数十亨特量级，直流电阻在数欧姆量级。有鉴于此，本实用新型的可调控瞬态光电测量系统100的滤波器模块150配备了具有适配于瞬态光电压测量的阻抗特性的第一低通滤波器151和具有适配于瞬态光电流测量的阻抗特性的第二低通滤波器152，在切换至瞬态光电压测量模式时使样品模块110连接第一低通滤波器151，在切换至瞬态光电流测量模式时，使样品模块110连接第二低通滤波器152。这种差异性的滤波器模块150设计可使得在不同测量功能时，电压偏置模块140输出的电压都能准确完整地施加到被测样品111上，而不会被电路元器件分压，从而提高测量精确度。
66.此外，考虑到瞬态光电压测量和瞬态光电流测量下的不同电阻值，本实用新型对不同测量功能模式下采样电阻进行了不同的设计。在一些实施例中，非调控瞬态光电压测量和调控瞬态光电压测量的采样电阻的阻值均可设计为1兆欧。在采用数字示波器171作为电学信号测量模块170的情况下，非调控瞬态光电压测量电路和调控瞬态光电压测量电路均以数字示波器171内置的高输入阻抗作为测量的采样电阻，如图3所示，此时，采样电阻模块160未连接入非调控瞬态光电压测量电路和调控瞬态光电压测量电路中。
67.对于调控瞬态光电流测量电路，则在电路中引入了电阻值为50欧姆的采样电阻161。特别地，为了与电压偏置模块140输出阻抗匹配而实现电压的准确施加以及为了消除采样电路中的直流损耗，在一些实例中，还在50欧姆采样电阻161的回路串联了电容器(图3中未示出)，从而使该采样回路表现出直流高阻抗而高频交流低阻抗状态。电容器可选择非
极性陶瓷电容器，电容值可达到数百μf。
68.本实用新型实施例的可调控瞬态光电测量系统100通过功能切换模块190如自动化电磁开关或手动多通道开关实现非电学调控模式、电学调控瞬态光电流模式和电学调控瞬态光电压模式三种不同功能模式之间的快速切换，同时在电路设计中保证不同模式下电学调控功能的准确实现以及电路与被测器件间的阻抗匹配。
69.由于不同电压下被测样品的阻抗性能的变化，电压偏置模块140输出的电压并不一定能完全施加到被测样品上。为解决此问题，在一些实施例中，电学信号测量模块170可包括直流信号通道和交流信号通道用于电信号采集。如图3所示，在数字示波器171中同时采用了直流和交流双通道信号测量。如图4所示，交流通道可以完整准确和高分辨地测量被测样品111在脉冲激光激发下的瞬态响应电信号，而直流通道可以准确测量和记录施加在被测样品111上的直流偏置电压的大小。
70.前面已提到，本实用新型的可调控瞬态光电测量系统100通过自动控制和数据处理模块180进行不同电学模块的时序控制和协同工作。图5示出了根据本实用新型一实施例的可调控瞬态光电测量系统100的偏置电压自动扫描式测量的示意图，其中利用程序控制实现被测样品111在不同偏置电压下瞬态性质的扫描式测量。如图5所示，被测器件在每个偏置电压下保持一定时间，然后快速切换到下一个偏置电压，在此过程中脉冲激光一直照射在被测样品111上。在每个偏置电压期间，数据采集系统自动完成数据采集、随机噪声处理和存储工作。利用该扫描式测量，可以快速地完成对被测样品111的测量，显著提高测量效率。
71.为了实现不同电学模块间的电磁兼容并抑制噪声，在一些进一步的实施例中，可调控瞬态光电测量系统100还可以包括噪声抑制模块。噪声抑制模块可以包括电学信号测量模块170和偏置光照模块120的共地连接结构、为偏置光照模块120配置的第一交直流适配电源、为脉冲激光模块130配置的第二交直流适配电源、为电压偏置模块140配置的第三交直流适配电源、为自动控制和数据处理模块180配置的直流电源等中的至少之一。在采用计算机作为自动控制和数据处理模块180时，采用直流供电(如锂离子电池)，可消除交直流电源对系统的电磁干扰。
72.本实用新型实施例的可调控瞬态光电测量系统100通过为不同的电学组件提供独立供电模块和交直流转换、互连的接地装置、以及为自动控制和数据处理模块180提供直流供电等手段，实现不同电学模块间的电磁兼容，并抑制噪声，从而提高系统测量的精确度。
73.在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
74.至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。