本發(fā)明涉及一種多結(jié)太陽電池吸收層材料熒光壽命測試方法，具體涉及一種多結(jié)太陽電池中各吸收層材料熒光壽命無損測量方法，屬于半導(dǎo)體材料測試領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

多結(jié)太陽電池通過多層禁帶寬度不同的半導(dǎo)體吸收材料，實現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)太陽光子能量的高效收集與利用，從而獲得了高的光電轉(zhuǎn)換效率。新一代的高效多結(jié)太陽電池，大量使用含鋁的寬禁帶半導(dǎo)體吸收材料與復(fù)雜多元窄禁帶半導(dǎo)體吸收材料。這些材料受制備方法與工藝參數(shù)的影響，其電學(xué)特性與材料質(zhì)量，特別是材料體內(nèi)各種深能級缺陷與復(fù)合中心，有著緊密的關(guān)聯(lián)。多結(jié)太陽電池材料中的能級缺陷與復(fù)合中心使得太陽電池內(nèi)載流子的分離與輸運產(chǎn)生較大困難，使太陽電池的性能出現(xiàn)大幅下降。因此，高質(zhì)量的半導(dǎo)體材料是高效太陽電池的關(guān)鍵。

熒光壽命是指當(dāng)某種物質(zhì)被一束激光激發(fā)后，該物質(zhì)的分子吸收能量后從基態(tài)躍遷到某一激發(fā)態(tài)上，再以輻射躍遷的形式發(fā)出熒光回到基態(tài)，當(dāng)激發(fā)停止后，分子的熒光強度降到激發(fā)時初始強度的1/e所需的時間，也表示粒子在激發(fā)態(tài)存在的平均時間。材料熒光壽命是表征半導(dǎo)體材料質(zhì)量的一個有效手段。熒光壽命反應(yīng)出材料體內(nèi)載流子在材料體內(nèi)輸運過程中受到本征缺陷能級、雜質(zhì)能級、晶格散射等作用等綜合效果。一般地，較長的熒光壽命意味著較好的材料質(zhì)量。在高效太陽電池研制與生產(chǎn)過程中，熒光壽命已成為反映太陽電池吸收層材料質(zhì)量的重要參數(shù)。

常規(guī)的熒光壽命測試方法，是對不同厚度具備雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行壽命測試，根據(jù)R.K.Ahrenkeil等在論文“Measurement of minority-carrier lifetime by time-resolved photoluminescence，Solid-State Electronics, Vol. 35, No.3, pp. 239-250,1992”中給出的方法，推算材料熒光壽命。這種方法雖可較準(zhǔn)確地獲取熒光壽命，但需制備大量具備雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的材料，增加了測試成本。此外，多結(jié)太陽電池在器件制備過程中會經(jīng)歷元素擴散、高溫退火、合金等過程，對材料質(zhì)量也會產(chǎn)生影響，這種方法無法原位地反映出經(jīng)歷一

系列太陽電池器件工藝后吸收材料的熒光壽命，對太陽電池吸收層材料質(zhì)量的優(yōu)化與改進(jìn)工作指導(dǎo)意義有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種多結(jié)太陽電池中各吸收層材料熒光壽命無損測量方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)無損地在多結(jié)太陽電池器件中完成各吸收層材料質(zhì)量的衡量，獲得經(jīng)歷復(fù)雜器件工藝后太陽電池吸收層材料的熒光壽命，對太陽電池吸收層材料質(zhì)量的優(yōu)化與改進(jìn)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種多結(jié)太陽電池中各吸收層材料熒光壽命無損測量方法，該方法具體包含：

步驟1：使單色光源經(jīng)狹縫照射多結(jié)太陽電池某子電池吸收層材料進(jìn)行激發(fā)，對吸收層材料發(fā)射的光子進(jìn)行檢測，獲得發(fā)射光子數(shù)與計數(shù)時間的關(guān)系數(shù)據(jù)；

步驟2：根據(jù)所得的發(fā)射光子數(shù)與計數(shù)時間的關(guān)系數(shù)據(jù)，結(jié)合檢測系統(tǒng)自身響應(yīng)特性數(shù)據(jù)，通過將這些數(shù)據(jù)解卷積后進(jìn)行單指數(shù)或多指數(shù)擬合，獲得步驟1中發(fā)射光子壽命數(shù)據(jù)；

步驟3：調(diào)整單色光源的功率密度后重復(fù)步驟1與步驟2，并多次重復(fù)上述過程，獲得在該單色光源不同功率密度下發(fā)射光子壽命數(shù)據(jù)；

步驟4：對步驟3獲得的不同功率密度下發(fā)射光子壽命數(shù)據(jù)繪圖，根據(jù)圖中發(fā)射光子壽命在不同功率密度下的變化趨勢，獲得與發(fā)射光子最大壽命相對應(yīng)的光源功率密度；

步驟5：將單色光源功率密度固定為獲得發(fā)射光子最大壽命時的功率密度，逐漸減小照射多結(jié)太陽電池樣品的光斑面積，重復(fù)步驟1與步驟2獲得不同光斑直徑下的發(fā)射光子壽命數(shù)據(jù)；

步驟6：對步驟5獲得的發(fā)射光子壽命數(shù)據(jù)繪圖并外推，外推獲得的發(fā)射光子壽命即為該吸收層材料的熒光壽命；

步驟7：更換光源波長，使其形成對下一子電池吸收層材料的近邊激發(fā)，重復(fù)上述步驟，獲得下一子電池吸收層材料的熒光壽命，最終獲得多結(jié)太陽電池各吸收層材料熒光壽命。

所述的單色光源是脈沖式光源，光源脈沖頻率在0.1KHz-80MHz之間。

所述的單色光源包括單波長激光器、配有單色儀的連續(xù)波長激光器、染料激光器、氙燈和鹵素?zé)簟?/p>

所述的單色光源的波長接近并小于或等于待測吸收層材料的發(fā)射波長。

步驟1中所述的激發(fā)是指近邊激發(fā)，所述的檢測是通過將發(fā)射光子純化后引入高靈敏檢測器進(jìn)行檢測。

步驟1中所述的發(fā)射光子純化是指通過將發(fā)射光子經(jīng)單色儀，并將單色儀內(nèi)光柵設(shè)置在發(fā)射光子的波長處，進(jìn)行純化。

步驟1中所述的發(fā)射光子數(shù)與計數(shù)時間的數(shù)據(jù)和關(guān)系采用時間關(guān)聯(lián)單光子計數(shù)技術(shù)獲得。

步驟2中所述的檢測系統(tǒng)自身響應(yīng)特性數(shù)據(jù)通過將檢測系統(tǒng)的材料樣品替代多結(jié)太陽電池，單色光源照射，連接檢測器的單色儀內(nèi)光柵設(shè)為與單色光源相同的波長，并采用時間關(guān)聯(lián)單光子計數(shù)技術(shù)獲得。

步驟5中所述的減小光斑面積是通過將狹縫的寬度減小實現(xiàn)。

步驟6中所述的數(shù)據(jù)繪圖并外推是以光斑直徑為橫坐標(biāo)、發(fā)射光子壽命為縱坐標(biāo)繪圖，對圖中近線性部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行合理的外推，其趨勢線與縱坐標(biāo)交于一點。該點對應(yīng)的發(fā)射光子壽命等同于該吸收層材料的熒光壽命。

本發(fā)明提供的一種多結(jié)太陽電池中各吸收層材料熒光壽命無損測量方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)無法原位地反映出經(jīng)歷一系列太陽電池器件工藝后吸收層材料的熒光壽命的問題，具有以下優(yōu)點：

該方法與已有技術(shù)相比，不需要制備大量具備雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的材料，降低了成本；通過對獲得的發(fā)射光子壽命和檢測系統(tǒng)自身響應(yīng)特性數(shù)據(jù)進(jìn)行解卷積，消除了在測試過程中可能產(chǎn)生的光子“堆積”效應(yīng)和檢測系統(tǒng)自身響應(yīng)對發(fā)射光子壽命的影響，實現(xiàn)熒光壽命無損測試；通過固定與最大發(fā)射光子壽命對應(yīng)的光源功率密度，并測試不同光斑直徑下的熒光壽命，通過外推法得到吸收層材料的熒光壽命，消除了外在因素光源和光斑面積對吸收層材料熒光壽命的影響；該方法能夠有效地指導(dǎo)高效太陽電池吸收層材料質(zhì)量的改善與電池性能的提升。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的一種多結(jié)太陽電池中各吸收層材料熒光壽命無損測量方法的工藝流程圖。

圖2為單色光源不同功率密度照射下提取的InGaP吸收層材料發(fā)射光子計數(shù)與計數(shù)時間關(guān)系圖。

圖3為單色光源不同功率密度照射下提取的InGaP吸收層材料發(fā)射光子壽命與功率密度關(guān)系圖。

圖4為固定功率密度不同光斑直徑的單色光源照射下提取的InGaP吸收層材料發(fā)射光子壽命與光斑直徑的關(guān)系圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明用于提供一種多結(jié)太陽電池中各吸收層材料熒光壽命無損測量方法，通過材料受激發(fā)后發(fā)射的光子的壽命獲得材料的熒光壽命。以具有InGaP／GaInAs／Ge結(jié)構(gòu)的三結(jié)太陽電池各吸收層材料的熒光壽命測量為例，該方法具體步驟如下：

步驟1：使用Fianium生產(chǎn)的皮秒級超連續(xù)白光激光器，將激光器頻率設(shè)為20MHz，并連接一組兩個級連的300mm規(guī)格的單色儀，實現(xiàn)光源的單色化。對于InGaP子電池吸收層材料，調(diào)整單色儀內(nèi)光柵位置，使得獲得波長為631nm的單色光。該單色光通過一狹縫后照射至待測三結(jié)太陽電池表面，光斑直徑為140μm，對三結(jié)太陽電池中InGaP子電池吸收層材料進(jìn)行近邊激發(fā)。InGaP子電池吸收層材料受激后發(fā)射波長為650nm的光子。將出射的光子引入至另一組兩個級聯(lián)的300mm規(guī)格的單色儀，并將單色儀內(nèi)光柵設(shè)在650nm處，濾除出射光子中混雜的其它波長的光子。將純化后的發(fā)射光子引入R3809U-50超快檢測器，并采用時間關(guān)聯(lián)單光子計數(shù)技術(shù)，獲得發(fā)射光子數(shù)與計數(shù)時間的關(guān)系數(shù)據(jù)；

步驟2：使用平整的Teflon樣品替代三結(jié)太陽電池，并且連接檢測器的單色儀內(nèi)光柵設(shè)為與單色光源相同的波長，采用時間關(guān)聯(lián)單光子計數(shù)技術(shù)，獲得檢測系統(tǒng)自身響應(yīng)特性數(shù)據(jù)，并對步驟1所獲得的發(fā)射光子數(shù)與計數(shù)時間的關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行解卷積，消除在測試過程中可能產(chǎn)生的光子“堆積”效應(yīng)。對解卷積后的數(shù)據(jù)進(jìn)行單指數(shù)或多指數(shù)擬合，獲得三結(jié)太陽電池InGaP子電池吸收層材料受激后發(fā)射光子壽命。

步驟3：調(diào)整單色光源的功率密度后重復(fù)步驟1與步驟2，并多次重復(fù)上述過程，如圖2所示，獲得在該激發(fā)光源的不同功率密度下發(fā)射光子壽命數(shù)據(jù)。

步驟4：對步驟3獲得的發(fā)射光子壽命數(shù)據(jù)繪圖，如圖3所示，根據(jù)發(fā)射光子壽命在該光源不同功率密度下的趨勢，獲得發(fā)射光子最大壽命。

步驟5：將單色光源功率密度固定為獲得發(fā)射光子最大壽命時的功率密度，減小狹縫寬度，使照射在三結(jié)太陽電池的光斑直徑從140μm逐漸減小至18μm，在此過程中重復(fù)步驟1與步驟2，獲得不同照射光斑直徑下InGaP子電池吸收層材料受激發(fā)射光子的壽命數(shù)據(jù)。

步驟6：如圖4所示，以光斑直徑為橫坐標(biāo)、發(fā)射光子壽命為縱坐標(biāo)繪圖，對圖中近線性部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行合理的外推，其趨勢線與縱坐標(biāo)交于一點。該點所對應(yīng)的發(fā)射光子壽命即為待測InGaP子電池吸收層材料的熒光壽命?？梢钥闯?，吸收層材料的熒光壽命約為2ns。

步驟7：將與超連續(xù)白光激光器連接的單色儀內(nèi)光柵調(diào)整至850nm處，實現(xiàn)對三結(jié)太陽電池GaInAs子電池吸收層材料的近邊激發(fā)；使用R2658P檢測器，并將與檢測器連接的單色儀內(nèi)光柵調(diào)整至885nm處，通過時間關(guān)聯(lián)單光子計數(shù)技術(shù)，以獲得發(fā)射光子數(shù)與計數(shù)時間的關(guān)系并提取壽命數(shù)據(jù)。與InGaP子電池吸收層熒光壽命測量過程類似，通過改變光源功率密度、改變照射光斑直徑等一系列測量與數(shù)據(jù)處理，可獲得三結(jié)太陽電池GaInAs子電池吸收層材料的熒光壽命。

步驟8：將與超連續(xù)白光激光器連接的單色儀內(nèi)光柵調(diào)整至1650nm處，實現(xiàn)對三結(jié)太陽電池Ge子電池吸收層材料的近邊激發(fā)；使用H10330B-75檢測器，并將與檢測器連接的單色儀內(nèi)光柵調(diào)整至1850nm處，通過時間關(guān)聯(lián)單光子計數(shù)技術(shù)，以獲得發(fā)射光子數(shù)與計數(shù)時間的關(guān)系并提取壽命數(shù)據(jù)。與InGaP子電池吸收層熒光壽命測量過程類似，通過改變光源功率密度、改變照射光斑直徑等一系列測量與數(shù)據(jù)處理，可獲得三結(jié)太陽電池Ge子電池吸收層材料的熒光壽命，從而獲得具有InGaP／GaInAs／Ge結(jié)構(gòu)的三結(jié)太陽電池各吸收層材料的熒光壽命。

綜上所述，本發(fā)明用于提供一種多結(jié)太陽電池中各吸收層材料熒光壽命無損測量方法，該方法解決了無法原位地反映太陽電池的熒光壽命的問題，通過檢測太陽電池材料的發(fā)射光子壽命獲得材料的熒光壽命，并實現(xiàn)無損測試，能夠指導(dǎo)太陽電池吸收層材料質(zhì)量的優(yōu)化以及電池性能的提高。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。