專利名稱：高速光譜儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光伏裝置和測試光伏裝置的方法。
背景技術：
可以利用量子效率測量來確定光伏電池在各種光條件下能夠產(chǎn)生多少電流。測量光伏電池的量子效率的現(xiàn)有方法可能效率差或不完善。


圖1是用于測量光伏電池的量子效率的方法的流程圖。圖2a是用于測量光伏電池的量子效率的系統(tǒng)的示意圖。圖2b是用于測量光伏電池的量子效率的系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式量子效率光譜將光伏電池響應于被具有特定波長的光照射而能夠產(chǎn)生的電流量化。裝置在測試下可以暴露于通 過另外的光產(chǎn)生的偏置電壓或以正向/反向電壓偏置的形式在外部施加的偏置電壓，從而進一步將光伏電池在偏置條件下能夠產(chǎn)生的電流的量量化?？梢杂锰囟úㄩL的光照射樣品光伏電池并測量產(chǎn)生的電流來進行量子效率測量。例如，來自白光光源(例如，石英鹵鎢燈泡(TQH)或氙弧(Xe弧)燈泡)的光可以穿過單色器。用于測量光伏電池中的量子效率的傳統(tǒng)系統(tǒng)具有各種缺點，包括例如測量速度慢和波長分辨率有限。例如，用于基于碲化鎘的電池的現(xiàn)有系統(tǒng)已經(jīng)取得與大約400nm至大約900nm的波長范圍對應的每個掃描大約30秒的測量時間，其中，步長為大約10nm。波長分辨率會受到單色器柵格的限制。例如，對于現(xiàn)有技術的量子效率測量系統(tǒng)的情況，波長分辨率為大約2nm。在被掃描的連續(xù)波長范圍(例如，大約5nm至20nm或更大)之間通常需要甚至更低的分辨率，以實現(xiàn)相對慢的掃描時間，例如，每次掃描大約30秒。此外，關于現(xiàn)有系統(tǒng)，在特定的外部偏置條件下，信噪比會變得難以接受地小。解決現(xiàn)有系統(tǒng)的一些或全部缺點的改進的量子效率測量系統(tǒng)可以包括高速光譜儀，例如，傅里葉變換紅外(FTIR)光譜儀。這樣的系統(tǒng)能夠在高速度下執(zhí)行高分辨率掃描。例如，本發(fā)明的系統(tǒng)能夠在從400nm到900nm的波長范圍內執(zhí)行具有分別與大約0.557nm、
0.278nm和0.139nm的平均分辨率對應的大約15.428cm_\7.714cm_1或3.857cm_1的數(shù)據(jù)間隔的掃描。較高分辨率的掃描意味著被掃描的連續(xù)波長之間的距離較小。因此，小于大約Inm的分辨率可以被視為“高分辨率”。大約15.428^1的數(shù)據(jù)間隔足以獲得典型的碲化鎘電池的量子效率。另外，本發(fā)明的系統(tǒng)能夠提供高速掃描。掃描速度可以取決于各種因素，其包括例如分辨率、在特定的數(shù)據(jù)采集周期期間進行的掃描或重復的次數(shù)以及運動鏡的光學速率。例如，對于15. 428CHT1的數(shù)據(jù)間隔、O. 9494的光學速率并分別掃描4次、8次和16次，量子效率測量可能耗時大約1. 3秒或更少、2. 6秒或更少或者5. 6秒或更少。這些速度可以與傳統(tǒng)的量子效率測量系統(tǒng)的大約30秒或更長進行比較。這樣的系統(tǒng)可以通過使白光穿過傅里葉變換器以允許所有波長的光譜同時照射樣品光伏電池來克服商業(yè)上可用的系統(tǒng)的速度和波長分辨率限制。例如，改進的系統(tǒng)可以包括鄰近于樣品光伏電池的FTIR光譜儀。FTIR光譜儀可以包括任何合適的商業(yè)FTIR光譜儀，因此可以包括一個或多個人造光源。該系統(tǒng)可以包括與樣品光伏電池結合使用的電流前置放大器，用于在進一步處理之前放大光電流。該系統(tǒng)可以包括模數(shù)轉換器(ADC)，以使放大的電流在傳遞回至FTIR光譜儀之前轉換為數(shù)字信號以進行反傅里葉變換。使用與上述構造一致的系統(tǒng)，可以獲得每次掃描3秒或更小的測量速度，這相對于現(xiàn)有的量子效率測量系統(tǒng)構成了 10倍或更多倍的速度提高。波長分辨率可能受傅里葉變換器的數(shù)據(jù)間隔的限制，并且對于O. 060cm—1的FTIR數(shù)據(jù)間隔，在400nm至900nm的波長范圍內可具有大約O. 002nm的波長分辨率(或相對于現(xiàn)有系統(tǒng)提高了 1000倍或更多倍)。精確的量子效率測量所需的典型的FTIR數(shù)據(jù)間隔為15. 428CHT1，并且相對于現(xiàn)有的系統(tǒng)仍給出大約100倍的提高。因此，并入FTIR光譜儀的改善系統(tǒng)能夠得到改善的測量和性能特性，包括例如提高了大約10倍或更多倍的測量速度和提高了大約1000倍或更多倍的波長分辨率。用于測量光伏電池中的量子效率的系統(tǒng)可以包括光伏電池、高速光譜儀和用于在所關注的波長范圍內照射光伏電池的一個或多個光源。該系統(tǒng)可以包括電連接到光伏電池以接收來自光伏電池的電流的光電流分析儀。該系統(tǒng)可以包括被配置為執(zhí)行反傅里葉變換以獲得所關注的波長范圍內的電流相對于波長的曲線的處理器。高速光譜儀可以包括傅里葉變換光譜儀。光電流分析儀可以包括用于放大光電流的放大器。光電流分析儀可以包括用于將光電流轉換為數(shù)字信號的模數(shù)轉換器?？梢詫⑺鲆粋€或多個光源最優(yōu)化，以在所關注的波長范圍內提供足夠的照射。其可以包括用白光光源和一個或多個藍光光源同時進行照射。白光光源可以包括石英鹵鎢燈泡。一個或多個藍光光源可以包括一個或多個發(fā)光二極管。例如，第一藍色發(fā)光二極管可以被配置為在大約405nm的峰值波長下發(fā)射。第二藍色發(fā)光二極管可以被配置為在大約455nm的峰值波長下發(fā)射。外部光源可以被配置為在所關注的波長范圍內提供足夠的照射強度。例如，可以獨立地控制白光光源和一個或多個藍光光源的強度。可以通過將每個光源的照射引導到光纖束上來組合兩個或更多個光源。從光纖束的另一端發(fā)射的光可以被校準并被引導為用于FTIR光譜儀的輸入光。在另一方法中，可以使用鏡子/透鏡的適當組合來組合來自兩個或更多個光源的光(這忽略了光纖束)。該系統(tǒng)對于15. 428cm—1的數(shù)據(jù)間隔、O. 9494的光學鏡速率以及16、8和4的掃描次數(shù),能夠分別以少于5. 2秒、少于2. 6秒或少于1. 3秒掃描400nm至900nm的波長。該系統(tǒng)可以包括電連接到光伏電池且被配置為使光伏電池偏壓的外部電壓偏置源。該系統(tǒng)可以包括光偏置，以使光伏電池偏壓。該系統(tǒng)可以包括被配置為將來自外部光源/多個外部光源的光傳輸?shù)焦庾V儀的光纖。該系統(tǒng)可以包括被配置為將來自傅里葉光譜儀的光傳輸?shù)焦夥姵氐墓饫w。該系統(tǒng)可以包括一系列濾波器(帶通、短通或長通)，以使來自每個外部光源的光最優(yōu)化。在一方面，一種用于測量光伏電池中的量子效率的系統(tǒng)可以包括光伏電池。該系統(tǒng)可以包括傅里葉變換紅外高速光譜儀。高速光譜儀可以包括用于在至少兩個波長范圍內照射光伏電池的一個或多個光源。該系統(tǒng)可以包括通過電導體電連接到光伏電池且被配置為接收與波長范圍對應的光電流的光電流分析儀。該系統(tǒng)可以包括被配置為分析所述波長范圍內的光電流的處理器。所述波長范圍可以對應于所關注的預定波長范圍。高速光譜儀可以包括傅里葉變換紅外光譜儀。處理器可以被配置為執(zhí)行傅里葉變換，從而對于所關注的波長范圍獲得電流相對于波長的曲線。光電流分析儀可以包括用于放大光電流的放大器。光電流分析儀可以包括用于將光電流轉換為數(shù)字信號的模數(shù)轉換器。所述一個或多個光源可以包括白光光源。白光光源可以包括石英齒鎢燈泡。該系統(tǒng)可以包括第二光源。第二光源可以包括發(fā)光二極管。發(fā)光二極管可以包括藍色發(fā)光二極管。第二光源可以被配置為發(fā)射峰值波長為大約405nm的光。該系統(tǒng)可以包括第三光源。第三光源可以包括發(fā)光二極管。發(fā)光二極管可以包括藍色發(fā)光二極管。第三光源可以被配置為發(fā)射峰值波長為大約455nm的光。該系統(tǒng)可在少于大約5.2秒內能夠掃描從400nm到900nm的波長范圍。該系統(tǒng)可在少于大約2.6秒內能夠掃描從400nm到900nm的波長范圍。該系統(tǒng)可在少于大約1.3秒內能夠掃描從400nm到900nm的波長范圍。處理器可以被配置為在從400nm到900nm的波長范圍內使用與0.557nm的平均波長分辨率對應的15.428cm^的預定數(shù)據(jù)間隔來分析波長范圍內的光電流。在從400nm到900nm的波長范圍內，數(shù)據(jù)間隔可以小于與優(yōu)于0.557nm的平均波長分辨率對應的大約15.428cm-10該系統(tǒng)可以包括電連接到光伏電池且被配置為使光伏電池偏壓的外部電壓偏置源。該系統(tǒng)可以包括被配置為將來自所述一個或多個光源的光傳輸?shù)礁咚俟庾V儀的光纖。在一方面,一種用于測試光伏電池中的量子效率的方法可以包括對從一個或多個光源發(fā)射的光束執(zhí)行傅里葉變換。該方法可以包括將傅里葉變換的光束朝光伏電池引導，以產(chǎn)生與波長范圍對應的光電流 。該方法可以包括將來自光伏電池的光電流傳導到模數(shù)轉換器，以產(chǎn)生與波長范圍對應的數(shù)字信號。該方法可以包括對數(shù)字信號執(zhí)行反傅里葉變換，從而獲得整個波長范圍內的光電流相對于波長的曲線。引導步驟可以包括通過光纖傳導光束。引導步驟可以包括用鏡子再次引導光束。獲得從400nm到900nm的波長范圍內的光電流可以耗時少于大約5.2秒。執(zhí)行步驟可以包括在從400nm到900nm的波長范圍內使用與大約0.557nm的平均波長分辨率對應的15.428cm-1的數(shù)據(jù)間隔。圖1包含示出了使用上述構造來獲取量子效率測量的方法的流程圖。例如，在步驟101，可以通過傅里葉變換器來引導光源。光源可以包括一個或多個源?？梢允褂萌魏魏线m的光源，包括任何適當?shù)娜嗽旃庠础Ｈ嗽旃庠春透道锶~變換器可以是FTIR光譜儀的一部分。FTIR光譜儀可以允許使用所有波長的光同時照射樣品光伏電池。FTIR光譜儀可以包括任何合適的光源，包括例如，任何合適的石英鹵鎢(TQH)燈泡或發(fā)光二極管(LED)。在步驟102，可以將來自FTIR光譜儀的光再次引導至樣品光伏電池。樣品光伏電池可以包括任何合適的光伏電池材料，包括例如碲化鎘、硅、銅-銦-鎵-硒(CIGS)、結晶硅或非晶硅。在步驟102，再次引導的光可以照射樣品光伏電池，從而產(chǎn)生光電流。在步驟103，光電流可以穿過前置放大器。在步驟104，放大的光電流可以穿過模數(shù)轉換器(ADC)，從而獲得用于反饋回到FTIR光譜儀中的數(shù)字信號。還可以通過另外的光或外部施加的正向/反向電壓偏置來施加外部偏壓，從而進一步將樣品光伏電池在偏壓條件下能夠產(chǎn)生的電流的量量化。在步驟105，光電流可以通過傅里葉變換器被傳回，從而進行反傅里葉變換。在步驟106，可以使用測量的數(shù)據(jù)來制作光電流相對于波長的曲線或來計算樣品光伏電池的量子效率曲線。在從400nm到900nm的波長范圍內具有15. 428cm_1的數(shù)據(jù)間隔、O. 9494的光學鏡速度以及4、8和16的掃描次數(shù)的全部測量周期分別用了1. 3秒、2. 6秒和5. 2秒。在從400nm到900nm的范圍內相應的平均波長分辨率為O. 557nm。量子效率曲線可以幫助鑒別光伏電池最有效率時的波長或波長范圍，例如，光的該波長或波長范圍對于給定的光伏電池產(chǎn)生最大的光電流?？梢允褂么诵畔肀容^多個光伏電池樣品在給定的波長或波長范圍下的效率或者可以使用此信息來取得一個光伏電池內的一致性。圖2a繪出了用于測量樣品光伏電池212的量子效率的示例性系統(tǒng)20。系統(tǒng)20可以包括高速光譜儀，例如，F(xiàn)TIR光譜儀206。FTIR光譜儀206可以包括任何合適的FTIR光譜儀，包括例如，任何合適的商業(yè)FTIR光譜儀。來自外部光源的光可以被引導作為用于FTIR光譜儀206的輸入光，并可以包括人造光源。可以使用任何合適的人造光源或者光源的組合，包括例如，石英鹵鎢燈泡和一個或多個藍色發(fā)光二極管。因為TQH燈泡在藍色光譜(即，小于450nm)內可能具有不足的光強度，所以可以使用一個或多個藍色發(fā)光二極管來實現(xiàn)藍光和白光的同時照射。外部光源可以包括任何合適的光源或者若干光源的組合。光伏電池212可以包括任何合適的光伏裝置材料，包括例如，碲化鎘或銅-銦-鎵-硒(CIGS)。一旦被照射,光伏電池212可以產(chǎn)生光電流,光電流可以傳導至光電流分析儀和/或饋通光電流分析儀。光電流分析儀可以包括適合于處理光電流的任何合適的組件或組件的組合。例如，光電流分析儀可以包括放大器，例如，電流前置放大器216。光電流分析儀可以包括模數(shù)轉換器(ADC)，以將模擬(放大的或未放大的)光電流轉換為數(shù)字信號。數(shù)字信號可以隨后通過處理器傳遞回去，從而將數(shù)字信號與光伏電池所暴露到的相應波長或波長范圍進行比較，進而得到轉換為數(shù)字信號的光電流。處理器可以包括FTIR光譜儀206，F(xiàn)TIR光譜儀206可以通過反傅里葉變換來執(zhí)行所述比較。系統(tǒng)20還可以包括偏置源，包括例如，外部偏置電壓源236或外部光偏置源。圖2b繪出了系統(tǒng)20的可選布置，其中，兩個或三個光源即發(fā)光二極管(LED)271、272和燈274將光引導至拋物面鏡256，以提供用于FTIR光譜儀206的輸入。來自發(fā)光二極管271、272和燈274的照射可以組合，并且例如使用光纖束可以將來自發(fā)光二極管271、272和燈274的照射引導至FTIR光譜儀206。發(fā)光二極管271、272可以包括任何合適的LED，包括例如，一個或多個藍色LED。燈274可以包括石英鹵鎢燈泡。發(fā)光二極管271、272和燈274都可以與用于引導光的聚焦裝置(包括例如，校準透鏡)結合。光可以穿過光纖，并且在穿過FTIR光譜儀206之前被重新聚焦。從FTIR光譜儀206輸出的光可以傳遞到鏡241，光在此處可以被再次弓I導至拋物面鏡247，光在此處可以被引導至用于照射光伏電池212的聚焦透鏡。產(chǎn)生的光電流可以被放大并轉換為數(shù)字信號，與圖2a中的構造一致。上面描述的實施例是通過舉例說明和示例的方式給出的。應當理解的是，上面提供的示例在特定的方面可以改變，且仍在權利要求的范圍內。應當明白的是，雖然已經(jīng)參考上面的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是其它實施例也在權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種用于測量光伏電池中的量子效率的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 光伏電池； 傅里葉變換紅外高速光譜儀，包括用于照射所述光伏電池的一個或多個光源； 光電流分析儀，通過電導體電連接到所述光伏電池并被配置為接收與波長范圍對應的光電流；以 及 處理器，被配置為分析所述波長范圍內的光電流。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述波長范圍對應于所關注的預定波長范圍。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器被配置為執(zhí)行傅里葉變換，從而獲取對于所關注的波長范圍的電流相對于波長的曲線。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光電流分析儀包括用于放大所述光電流的放大器。
5.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光電流分析儀包括用于將所述光電流轉換為數(shù)字信號的模數(shù)轉換器。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述一個或多個光源包括白光光源。
7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述白光光源包括石英鹵鎢燈泡。
8.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括第二光源。
9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述第二光源包括發(fā)光二極管。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)光二極管包括藍色發(fā)光二極管。
11.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述第二光源被配置為發(fā)射峰值波長為大約405nm的光。
12.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括第三光源。
13.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述第三光源包括發(fā)光二極管。
14.根據(jù)權利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述發(fā)光二極管包括藍色發(fā)光二極管。
15.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述第三光源被配置為發(fā)射峰值波長為大約455nm的光。
16.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)能夠在少于大約5.2秒內掃描從400nm到900nm的波長范圍。
17.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)能夠在少于大約2.6秒內掃描從400nm到900nm的波長范圍。
18.根據(jù)權利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)能夠在少于大約1.3秒內掃描從400nm到900nm的波長范圍。
19.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器被配置為在從400nm到900nm的波長范圍內使用與0.557nm的平均波長分辨率對應的15.428^1的預定數(shù)據(jù)間隔來分析所述波長范圍內的光電流。
20.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述處理器被配置為在從400nm到900nm的波長范圍內使用與優(yōu)于0.557nm的平均波長分辨率對應的小于15.428^1的預定數(shù)據(jù)間隔來分析所述波長范圍內的光電流。
21.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括:外部電壓偏置源，電連接到所述光伏電池并被配置為使所述光伏電池偏壓。
22.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括:光纖，被配置為將來自所述一個或多個光源的光傳輸?shù)剿龈咚俟庾V儀。
23.一種用于測試光伏電池中的量子效率的方法，所述方法包括: 對從一個或多個光源發(fā)射的光束執(zhí)行傅里葉變換； 將傅里葉變換的光束朝光伏電池引導，以產(chǎn)生與波長范圍對應的光電流； 將來自所述光伏電池的光電流傳導到模數(shù)轉換器，以產(chǎn)生與所述波長范圍對應的數(shù)字信號；以及 對所述數(shù)字信號執(zhí)行反傅里葉變換，從而獲得整個波長范圍內的光電流相對于波長的曲線。
24.根據(jù)權利要求23所述的方法，其中，引導步驟包括通過光纖傳導所述光束。
25.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中，引導步驟包括用鏡子再次引導所述光束。
26.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中，獲得從400nm到900nm的波長范圍內的光電流用了少于大約5.2秒。
27.根據(jù)權利要求19所述的方法，其中，執(zhí)行步驟包括在從400nm到900nm的波長范圍內使用與大約0.557n m的平均波長分辨率對應的15.428cm^的預定數(shù)據(jù)間隔。
全文摘要
一種用于測量樣品光伏電池中的量子效率的系統(tǒng)包括傅里葉變換紅外光譜儀。提供了在所關注的波長范圍內照射所述光伏電池的一個或多個光源。
文檔編號G01J3/10GK103080708SQ201180042065
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權日2010年8月30日
發(fā)明者布雷迪·A·約翰森, 德米特里·馬林斯基 申請人:第一太陽能有限公司