[发明专利]利用固态光源的高速量子效率测量装置

说明书

发明领域

本发明涉及光能转化至电能的测量。更具体地，本发明涉及来自受调光源的高速时间解析的量子效率测量设备。

背景技术

光电二极管和太阳能电池通常通过用于测量设备的光电转化效率的量子效率(QE)和响应率来表征。量子效率是以每入射光子的输出电子为单位表示的，而响应性是以每入射瓦(A/W)的输出电流为单位表示的。此外，光谱响应(SR)是设备转化效率的测量，它是入射光子波长或光频率的函数。光谱响应可通过简单的单位转换表达为QE或相对于波长的响应率。

从前，用于测量QE的装置已使用传统宽带光源，例如石英卤钨灯、氙弧灯或金属卤化物灯，其中光通过光波长扫描单色仪或一组带通滤光器来从光谱上解析。例如，图1示出传统QE测量系统100，该QE测量系统100包括灯102、单色仪104、阶分类滤光器(order sorting filter)107、截光器108、透镜系统110、准单色光112、待测设备(DUT)114以及电流监视器116(通常是锁定放大器或其它同步检测电路)。

QE测量是随着装置机械步进通过一系列预定波长通过调整单色仪104衍射光栅106角或将各带通滤光器设置在宽带光束内而循序进行的。所得到的光112(常被称为单色的，但通常表现出5-20nm范围内的带宽)被引导至DUT114处，并且DUT114的电流输出被记录和归一化至入射光112强度。

如图1所示的基于单色仪的系统提供可调的波长分辨率和在感兴趣范围内的实质性连续覆盖。对于太阳能电池，感兴趣范围可包括从300nm左右的最短太阳辐射的波长至与设备有源区中存在的最小带隙对应的波长，例如对于硅来说大约1100nm，以及对于其它材料来说更长的波长。然而，当扫描该大波长范围时，单色仪需要使用阶分类滤光器来防止高阶衍射(λ/2，λ/3……)到达输出狭缝，并同时泄漏出不容易由滤光器去除的宽带杂散光的可测的量。

基于干涉滤光器的系统提供良好的杂散光抑制，但使用多层电介质膜，该多层电介质薄膜由于直接曝露于高强度并包含紫外线的宽带光源而最终变得劣化。必须定期检查和更换滤光器以保持数据完整性。具有宽抑制带的滤光器设计(用于宽带光源所必需)往往既是低效的(峰值透过率＜50％)又是昂贵的。这些滤光器往往是宽波长范围内不可调的(通过相对于滤光器倾斜入射角)：典型的调谐范围是标称波长的5％。具有宽抑制带的传统滤光器设计当通过倾斜调谐时遭受光损失的显著增加。

单色仪和干涉滤光器两者需要经准直的入射光束以最佳地发挥作用，随着通频带宽度减小，准直要求越来越严格。由于传统光源射出具有低劣的光学扩展量(etendue)的光，因此当将这类光源与单色仪整合时，必须遭受大量的吞吐量惩罚。该吞吐量惩罚是与选择一小部分灯光谱以及与单色仪本身的内部低效关联的固有损失以外的附加惩罚。因此，传统光源无法将按光谱选择的光有效地传递至QE测量系统。这是已有系统中常见的非常高的功耗的起因。另外，传统光源的不稳定光输出(不管是短期还是长期的)必须进行频繁的校准和灯泡更换。

在单色仪和干涉滤光器系统中，基本限制是系统可扫描通过一组波长的速度。必须产生机械运动以从一个波长步进至下一波长，并且这限制了系统的实际吞吐量。由于全部光在任何时间只有一小部分碰撞到样本，因此扫描会花费10-30秒/波长，并涉及滤光器的机械移动和利用波束截光器和锁定(同步)放大器来检测电响应。另外，可能需要可变的中性密度滤光器或其它机械光孔来控制光强度。由于该测量开销，全光谱经常花费5-10分钟来以足够的分辨率覆盖必要的波长范围。该需要的机械运动也增加了仪器的成本和复杂性并使其不大适合制造环境。

传统QE系统的长测量时间使它们无法有效地用于映射模式(每个采样几十至几千数据点)以研究局部或空间变化的效果。另外，传统光源的低劣的光学扩展量设定一最小实际测量面积，以使低于该值的测量面积任何减小形成对空间分辨率和测量速度的进一步权衡。根据待测设备(DUT)的结构细节和对象应用，可能要求解析毫米级空间尺度。为此，需要高速QE技术。

在对技术改善的一项尝试中，使用光谱学方法来测定太阳或PV电池的量子效率(QE)，并在一分钟内进行测定。该系统包括光源，该光源同时产生多个波长，并随后独立处理这些波长以测定在每个波长下的QE。光源包括发光二极管(LED)的阵列，而不是由单个卤光灯泡所提供的标准白光源，用来模拟太阳光的完整光谱。使用功率源以在其本身的唯一工作频率下单独地驱动每个LED。功率源是使用正弦波调制或方波调制的电源的经调制电源。光源也可工作在常开模式，其中全部或部分LED是常开的。