光电响应测量装置

摘要

本发明提供了一种光电响应测量装置，包括斩波装置，所述斩波装置位于入射光和待测样品的光路之间；电流‑电压转换装置，所述电流‑电压转换装置和所述待测样品电连接，用于将所述待测样品的短路电流转换为与所述短路电流对应的电压；数据采集卡，所述数据采集卡和所述电流‑电压转换装置电连接，用于测得与所述短路电流对应的电压的电压值；斩波控制电路，所述斩波控制电路与所述斩波装置和所述数据采集卡电连接，所述数据采集卡用于输出时钟信号至所述斩波控制电路，所述斩波控制电路根据所述时钟信号控制所述斩波装置以与所述时钟信号相应的频率开启和关闭。本发明的光电响应测量装置能够快速准确的测量半导体材料的响应光电流。

权利要求

1.一种光电响应测量装置，其特征在于，包括：

斩波装置，所述斩波装置位于入射光和待测样品的光路之间；

电流-电压转换装置，所述电流-电压转换装置和所述待测样品电连接，用于将所述待测样品的短路电流转换为与所述短路电流对应的电压；

数据采集卡，所述数据采集卡和所述电流-电压转换装置电连接，用于测得与所述短路电流对应的电压的电压值；

斩波控制电路，所述斩波控制电路与所述斩波装置和所述数据采集卡电连接，所述数据采集卡用于输出时钟信号至所述斩波控制电路，所述斩波控制电路根据所述时钟信号控制所述斩波装置以与所述时钟信号相应的频率开启和关闭，且所述斩波装置的开启和关闭之间的时间间隔大于所述待测样品的光电响应时间。

2.根据权利要求1所述的光电响应测量装置，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置和所述数据采集卡电连接，所述数据采集卡根据所述控制装置输出的时钟产生信号而输出所述时钟信号。

3.根据权利要求2所述的光电响应测量装置，其特征在于，还包括单色仪，所述单色仪位于入射光和所述斩波装置的光路之间，并与所述控制装置电连接，所述单色仪根据所述控制装置输出的波长控制信号而射出与所述波长控制信号相对应的波长的光线。

4.根据权利要求1所述的光电响应测量装置，其特征在于，还包括样品台，所述待测样品位于所述样品台上。

5.根据权利要求4所述的光电响应测量装置，其特征在于，还包括第一透镜组，所述第一透镜组位于所述斩波装置和所述样品台之间，用于将入射到第一透镜组的光线会聚到所述待测样品上。

6.根据权利要求1所述的光电响应测量装置，其特征在于，还包括偏光光源，所述偏光光源发射的光线入射到所述待测样品上。

7.根据权利要求6所述的光电响应测量装置，其特征在于，还包括第二透镜组，所述第二透镜组位于所述偏光光源和所述待测样品的光路之间，用于将所述偏光光源发射的光线会聚到所述待测样品上。

8.根据权利要求1至7任一项所述的光电响应测量装置，其特征在于，所述斩波装置为快门或斩波轮。

9.根据权利要求1至7任一项所述的光电响应测量装置，其特征在于，所述斩波装置开启和关闭的频率为0.2Hz-10Hz。

说明书

光电响应测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及测量装置，具体涉及光电响应测量装置。

背景技术

[0002] 半导体的光电响应特性是半导体材料的一个很重要的性质，传统测量半导体材料光电响应的方法主要有直流法和交流法。直流法是在某一激发波长下直接测量样品的光电流响应值。这种方法直观简单，但是测量的响应值中包含了暗态下整个测量系统的背底信号，使得测量不太准确；而如果每次测量都校正背底信号，会增加测量时间。图1是硅太阳能电池和量子点敏化太阳能电池在暗态下的背底信号，这种背底信号一方面来自测试仪器的系统误差，另一方面可能来自半导体材料本身，比如一些量子点材料具有较强的负背底信号。由于背底信号会随着时间、环境、系统误差、材料特性的变化而发生变化，因此实时校正背底信号是不现实的。交流法是以较高的频率对入射光进行调制，通过锁相放大器采集半导体材料的交流响应信号。这种方法的测量结果比较准确，可以较好的屏蔽系统误差的影响，但是成本较高。另外随着半导体材料的尺寸逐渐的向微纳米尺度发展，其缺陷态也变多，导致半导体材料及器件的电容特性明显，响应速度较慢。图2是硅太阳能电池和量子点敏化太阳能电池的光电响应曲线，其中量子点敏化太阳能电池的光电响应较慢，在较高的调制频率下，来不及达到光电流响应的稳态值，使得测量值偏低。

[0003] 因此，如何快速、准确的对半导体材料的光电响应进行测量是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

[0004] 针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供了一种光电响应测量装置，以快速准确的测量半导体材料的响应光电流。

[0005] 为了实现上述目的，本发明的一个实施例提供了一种光电响应测量装置，包括：

[0006] 斩波装置，所述斩波装置位于入射光和待测样品的光路之间；

[0007] 电流-电压转换装置，所述电流-电压转换装置和所述待测样品电连接，用于将所述待测样品的短路电流转换为与所述短路电流对应的电压；

[0008] 数据采集卡，所述数据采集卡和所述电流-电压转换装置电连接，用于测得与所述短路电流对应的电压的电压值；

[0009] 斩波控制电路，所述斩波控制电路与所述斩波装置和所述数据采集卡电连接，所述数据采集卡用于输出时钟信号至所述斩波控制电路，所述斩波控制电路根据所述时钟信号控制所述斩波装置以与所述时钟信号相应的频率开启和关闭。

[0010] 优选的，还包括控制装置，所述控制装置和所述数据采集卡电连接，所述数据采集卡根据所述控制装置输出的时钟产生信号而输出所述时钟信号。

[0011] 优选的，还包括单色仪，所述单色仪位于入射光和所述斩波装置的光路之间，并与所述控制装置电连接，所述单色仪根据所述控制装置输出的波长控制信号而射出与所述波长控制信号相对应的波长的光线。

[0012] 优选的，还包括样品台，所述待测样品位于所述样品台上。

[0013] 优选的，还包括第一透镜组，所述第一透镜组位于所述斩波装置和所述样品台之间，用于将入射到第一透镜组的光线会聚到所述待测样品上。

[0014] 优选的，还包括偏光光源，所述偏光光源发射的光线入射到所述待测样品上。

[0015] 优选的，还包括第二透镜组，所述第二透镜组位于所述偏光光源和所述待测样品的光路之间，用于将所述偏光光源发射的光线会聚到所述待测样品上。

[0016] 优选的，所述斩波装置为快门或斩波轮。

[0017] 优选的，所述斩波装置开启和关闭的频率为0.2Hz-10Hz。

[0018] 本发明的光电响应测量装置成本低、测量时间短、消除了暗态下的背底信号对测量结果的影响，提高了信噪比。

[0019] 本发明的光电响应测量装置不受待测半导体材料电容特性大、光电响应速度慢的影响，能够准确的测量待测样品的响应光电流。

附图说明

[0020] 以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

[0021] 图1是硅太阳能电池和量子点敏化太阳能电池在暗态下的背底信号。

[0022] 图2是硅太阳能电池和量子点敏化太阳能电池的光电响应曲线图。

[0023] 图3是根据本发明第一个实施例的光电响应测量装置的结构示意图。

[0024] 图4是硅太阳能电池采用图3所示的光电响应测量装置得到的随着入射光波长变化的响应光电流的曲线图。

[0025] 图5是根据本发明第二个实施例的光电响应测量装置的结构示意图。

[0026] 图6是硅太阳能电池和量子点敏化太阳能电池采用图5所示的光电响应测量装置得到的光电响应曲线图。

[0027] 图7是根据本发明第三个实施例的光电响应测量装置的结构示意图。

[0028] 图8是量子点敏化太阳能电池采用图7所示的光电响应测量装置得到的IPCE曲线图。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。

[0030] 图3是根据本发明第一个实施例的光电响应测量装置的结构示意图。如图3所示，包括单色仪1、快门2、透镜组3、样品台4、电流-电压转换装置5、数据采集卡6、快门控制电路7和控制装置8。

[0031] 在入射光的方向上依次设置有单色仪1、快门2、透镜组3和样品台4，当快门2开启时，入射光依次经过单色仪1、快门2、透镜组3，并经过透镜组3对入射光会聚后入射到样品台4上的待测样品（图中未示出）上。电流-电压转换装置5和待测样品电连接，用于将待测样品的响应光电流转化为电压。根据实际待测样品的响应光电流的大小，可以对响应光电流进行放大或将响应光电流已经转化为电压的信号进行放大。数据采集卡6和电流-电压转换装置5电连接，用于测量电流-电压转换装置5转化得到的电压值。数据采集卡6同时与快门控制电路7和控制装置8电连接，控制装置8输出时钟产生信号至数据采集卡，数据采集卡6根据时钟产生信号输出预定频率的方波时钟信号，快门控制电路7根据该预定频率的方波时钟信号控制快门2以该频率开启和关闭。针对不同的待测样品的光电响应速率不同，可以使得快门2以不同的频率开启和关闭，例如，通过控制装置8可以使得快门2以0.2Hz-10Hz频率开启和关闭，当待测样品的光电响应速率较慢时，可以控制快门2以0.2Hz-1Hz的频率开启和关闭，从而在快门2开启时使得待测样品响应光电流达到饱和值。快门2的开启和关闭是针对单色仪1出射的光线是否能够通过快门2而言的，即当快门2开启时，从单色仪1出射的光线通过快门2入射到透镜组3上，并经过透镜组3对光线会聚后入射到样品台4上的待测样品上；当快门2关闭时，光线不能通过快门2。控制装置8和单色仪1电连接，用于调节使得单色仪1输出所设定波长的光线。

[0032] 具有一定波长范围的光线入射到单色仪1的入射狭缝上，控制装置8控制单色仪1输出波长为λ的光线，波长为λ的光线入射到快门2上，快门2以频率f开启和关闭，当快门2处于开启时，从单色仪1出射的光线通过快门2入射到透镜组3上，并经过透镜组3对光线会聚后入射到样品台4上的待测样品上，待测样品释放电子从而产生光电流，快门2的开启和关闭之间的时间间隔应该大于待测样品的光电响应时间，这样可以使得待测样品在快门2开启时响应的光电流达到饱和值，从而使得测量的光电流值准确、不会偏小。电流-电压转换装置5将待测样品产生的光电流转换为电压。数据采集卡6测得待测样品在快门2处于开启时的电压值。控制装置8将数据采集卡6每一刻测得的电压值显示出来，从而在控制装置8上得到待测样品在快门2开启时的电压曲线图。当快门2关闭时，从单色仪1出射波长为λ的光线不能入射到待测样品上，此时数据采集卡6只能测得待测样品在暗态下的电压值，从而在控制装置8上得到待测样品在快门2关闭时的电压曲线图。因此当快门2以频率f开启和关闭时，从而在控制装置8上显示出待测样品的光电响应曲线图。

[0033] 在快门2开启时，得到待测样品光电响应的峰值光电流，在快门2关闭时，得到待测样品光电响应的谷值光电流，快门2以频率f开启和关闭时，控制装置8得到一个频率为f的周期性信号，将峰值光电流减去谷值光电流即为待测样品的净响应光电流值。为了使得测量的响应光电流值更加准确，可以取多个峰值光电流和谷值光电流的差值的平均值作为净响应光电流值。

[0034] 图4是硅太阳能电池采用图3所示的光电响应测量装置得到的随着入射光波长变化的响应光电流的曲线图。待测样品是硅太阳能电池，氙灯光源提供不同波长的光线入射到单色仪1上，通过控制装置8控制单色仪1输出的光线的波长从350nm到1100nm逐渐的增加，单色仪1输出的光线的波长每增加10nm时，即测量在该波长光线下的硅太阳能电池的响应光电流值，从而得到了在不同波长光线下的响应光电流曲线图。

[0035] 在本实施例中，快门还可以替换为斩波轮装置，相应地，快门控制电路替换为斩波轮控制电路。当只需要测量待测样品在某一个已知波长光线下的响应光电流，本实施例不需要单色仪，直接将该光线入射到快门上。另外，当入射光是平行光或会聚光时，可以不需要透镜组3。在其他的实施例中，快门2和快门控制电路7可以设置在同一个装置上。电流-电压转换装置5还可以包括电压或电流放大电路。

[0036] 图5是根据本发明第二个实施例的光电响应测量装置的结构示意图。其与图3基本相同，区别在于，还包括偏光光源10和透镜组9。偏光光源10发射的偏置光经过透镜组9会聚后入射到样品台4上的待测样品（图中未示出）上。偏置光用于填补样品自身的捕获态，提高样品的光电响应速度，本实施例的偏光光源10是发射白光的LED，在其他的实施例中，偏光光源还可以发射各种波长的单色光。

[0037] 图6是硅太阳能电池和量子点敏化太阳能电池采用图5所示的光电响应测量装置得到的光电响应曲线图。从图6可以看出，硅太阳能电池的光电响应速度很快，在大约0.1秒或小于0.1秒下响应光电流即达到饱和值。量子点敏化太阳能电池的光电响应速度较慢，量2
子点敏化太阳能电池的光电响应速度在加10mW/cm的偏置光的情况下比不加偏置光要快，因此在实际的测量过程中，可以加偏置光提高量子点敏化太阳能电池的光电响应速度，使得响应光电流快速的达到饱和值，从而增加快门开启和关闭的频率，减少测量时间。在其他的实施例中，偏置光的光强还可以是其他任意数值，针对光电响应速率快的材料，可以不加偏置光。

[0038] 图7是根据本发明第三个实施例的光电响应测量装置的结构示意图。其与图5基本相同，区别在于还包括透镜组11、分束镜12、透镜组13和参比电池14，其中参比电池的IPCE(incident photon-electron conversion efficiency)已知，可以根据其响应光电流值来推算光强。从快门2出射的光线经过透镜组11后入射到分束镜12上，其中一部分光线从分束镜12透射并经过透镜组3会聚后入射到样品台4上的待测电池上，另一部分光线经分束镜12反射到透镜组13上，并经过透镜组13会聚到参比电池14上。数据采集卡5同时与参比电池14和待测电池电连接。

[0039] 图8是量子点敏化太阳能电池采用图7所示的光电响应测量装置得到的IPCE曲线图。在太阳能电池领域，表征电池光电响应性能参数的是IPCE，IPCE定义为电池在某一单色光照射下输出到外电路的电子数与总入射的光子数之比，其数学表达式如下：

[0040]

[0041] 其中Jsc是单色光照射下电池两极产生的短路光电流密度；λ是单色光的波长；P是单色光的光强。

[0042] 通过对图7所示的光路进行校正，例如将两个完全相同的参比电池分别放在透镜组3和透镜组13的光斑处，对光路进行校正，使得两个参比电池处的光强相同，之后将透镜组3对光线会聚的一侧的参比电池替换成待测电池，从而使得在参比电池14处的光强和待测电池的光强相同。数据采集卡5同时采集待测电池和参比电池14的响应光电流，从而得到待测电池的光电流密度和入射光的光强。即可以计算出该波长下IPCE响应系数。另外使得单色仪1出射的光线的波长在350nm-800nm范围内变化，从而可以得到图8所示的量子点敏化太阳能电池的IPCE曲线图。在测量的过程中，快门2的开启和关闭的频率为0.5Hz。

[0043] 在本发明的实施例中，量子点敏化太阳能电池是CdS量子点敏化太阳能电池，在其他的实施例中，还可以是其他半导体材料的量子点敏化太阳能电池。根据不同的半导体材料的光电响应速率不同，可以调节快门的开启和关闭的频率，使得快门在开启时半导体材料的响应光电流达到饱和值。

[0044] 本发明采用快门控制电路可以使得快门以较低的频率开启和关闭，例如以0.2赫兹到10赫兹之间的任意频率开启和关闭，这样可以使得量子点敏化太阳能电池的光电流在快门开启时达到饱和值，从而消除了由量子点敏化太阳能电池的电容特性和响应速度慢造成的失真，使得测量结果准确。解决了传统斩波器结合锁相放大器不能准确测量量子点敏化太阳能电池的响应光电流的缺陷。本发明的实施例将快门开启时的光电流减去快门关闭时的光电流作为待测样品的响应光电流，从根本上消除了系统误差、环境因素等引起的背底信号对测量结果的影响，进一步提高了测量的精度。另外，本发明采用价格低廉的斩波装置和数据采集卡代替了价格昂贵的锁相放大器，降低了成本。

[0045] 虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。