光電響應(yīng)測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種光電響應(yīng)測(cè)量裝置，包括斬波裝置，所述斬波裝置位于入射光和待測(cè)樣品的光路之間；電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置和所述待測(cè)樣品電連接，用于將所述待測(cè)樣品的短路電流轉(zhuǎn)換為與所述短路電流對(duì)應(yīng)的電壓；數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡和所述電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置電連接，用于測(cè)得與所述短路電流對(duì)應(yīng)的電壓的電壓值；斬波控制電路，所述斬波控制電路與所述斬波裝置和所述數(shù)據(jù)采集卡電連接，所述數(shù)據(jù)采集卡用于輸出時(shí)鐘信號(hào)至所述斬波控制電路，所述斬波控制電路根據(jù)所述時(shí)鐘信號(hào)控制所述斬波裝置以與所述時(shí)鐘信號(hào)相應(yīng)的頻率開(kāi)啟和關(guān)閉。本發(fā)明的光電響應(yīng)測(cè)量裝置能夠快速準(zhǔn)確的測(cè)量半導(dǎo)體材料的響應(yīng)光電流。
【專利說(shuō)明】光電響應(yīng)測(cè)量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)量裝置，具體涉及光電響應(yīng)測(cè)量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體的光電響應(yīng)特性是半導(dǎo)體材料的一個(gè)很重要的性質(zhì)，傳統(tǒng)測(cè)量半導(dǎo)體材料 光電響應(yīng)的方法主要有直流法和交流法。直流法是在某一激發(fā)波長(zhǎng)下直接測(cè)量樣品的光電 流響應(yīng)值。這種方法直觀簡(jiǎn)單，但是測(cè)量的響應(yīng)值中包含了暗態(tài)下整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的背底信 號(hào)，使得測(cè)量不太準(zhǔn)確；而如果每次測(cè)量都校正背底信號(hào)，會(huì)增加測(cè)量時(shí)間。圖1是硅太陽(yáng) 能電池和量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池在暗態(tài)下的背底信號(hào)，這種背底信號(hào)一方面來(lái)自測(cè)試儀器 的系統(tǒng)誤差，另一方面可能來(lái)自半導(dǎo)體材料本身，比如一些量子點(diǎn)材料具有較強(qiáng)的負(fù)背底 信號(hào)。由于背底信號(hào)會(huì)隨著時(shí)間、環(huán)境、系統(tǒng)誤差、材料特性的變化而發(fā)生變化，因此實(shí)時(shí)校 正背底信號(hào)是不現(xiàn)實(shí)的。交流法是以較高的頻率對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)鎖相放大器采集 半導(dǎo)體材料的交流響應(yīng)信號(hào)。這種方法的測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確，可以較好的屏蔽系統(tǒng)誤差的 影響，但是成本較高。另外隨著半導(dǎo)體材料的尺寸逐漸的向微納米尺度發(fā)展，其缺陷態(tài)也變 多，導(dǎo)致半導(dǎo)體材料及器件的電容特性明顯，響應(yīng)速度較慢。圖2是硅太陽(yáng)能電池和量子點(diǎn) 敏化太陽(yáng)能電池的光電響應(yīng)曲線，其中量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電響應(yīng)較慢，在較高的 調(diào)制頻率下，來(lái)不及達(dá)到光電流響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，使得測(cè)量值偏低。
[0003] 因此，如何快速、準(zhǔn)確的對(duì)半導(dǎo)體材料的光電響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量是目前亟待解決的技 術(shù)問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種光電響應(yīng)測(cè)量裝置， 以快速準(zhǔn)確的測(cè)量半導(dǎo)體材料的響應(yīng)光電流。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種光電響應(yīng)測(cè)量裝置，包括：
[0006] 斬波裝置，所述斬波裝置位于入射光和待測(cè)樣品的光路之間；
[0007] 電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置和所述待測(cè)樣品電連接，用于將所 述待測(cè)樣品的短路電流轉(zhuǎn)換為與所述短路電流對(duì)應(yīng)的電壓；
[0008] 數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡和所述電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置電連接，用于測(cè)得與所 述短路電流對(duì)應(yīng)的電壓的電壓值；
[0009] 斬波控制電路，所述斬波控制電路與所述斬波裝置和所述數(shù)據(jù)采集卡電連接，所 述數(shù)據(jù)采集卡用于輸出時(shí)鐘信號(hào)至所述斬波控制電路，所述斬波控制電路根據(jù)所述時(shí)鐘信 號(hào)控制所述斬波裝置以與所述時(shí)鐘信號(hào)相應(yīng)的頻率開(kāi)啟和關(guān)閉。
[0010] 優(yōu)選的，還包括控制裝置，所述控制裝置和所述數(shù)據(jù)采集卡電連接，所述數(shù)據(jù)采集 卡根據(jù)所述控制裝置輸出的時(shí)鐘產(chǎn)生信號(hào)而輸出所述時(shí)鐘信號(hào)。
[0011] 優(yōu)選的，還包括單色儀，所述單色儀位于入射光和所述斬波裝置的光路之間，并與 所述控制裝置電連接，所述單色儀根據(jù)所述控制裝置輸出的波長(zhǎng)控制信號(hào)而射出與所述波 長(zhǎng)控制信號(hào)相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的光線。
[0012] 優(yōu)選的，還包括樣品臺(tái)，所述待測(cè)樣品位于所述樣品臺(tái)上。
[0013] 優(yōu)選的，還包括第一透鏡組，所述第一透鏡組位于所述斬波裝置和所述樣品臺(tái)之 間，用于將入射到第一透鏡組的光線會(huì)聚到所述待測(cè)樣品上。
[0014] 優(yōu)選的，還包括偏光光源，所述偏光光源發(fā)射的光線入射到所述待測(cè)樣品上。
[0015] 優(yōu)選的，還包括第二透鏡組，所述第二透鏡組位于所述偏光光源和所述待測(cè)樣品 的光路之間，用于將所述偏光光源發(fā)射的光線會(huì)聚到所述待測(cè)樣品上。
[0016] 優(yōu)選的，所述斬波裝置為快門或斬波輪。
[0017] 優(yōu)選的，所述斬波裝置開(kāi)啟和關(guān)閉的頻率為0. 2HZ-10HZ。
[0018] 本發(fā)明的光電響應(yīng)測(cè)量裝置成本低、測(cè)量時(shí)間短、消除了暗態(tài)下的背底信號(hào)對(duì)測(cè) 量結(jié)果的影響，提高了信噪比。
[0019] 本發(fā)明的光電響應(yīng)測(cè)量裝置不受待測(cè)半導(dǎo)體材料電容特性大、光電響應(yīng)速度慢的 影響，能夠準(zhǔn)確的測(cè)量待測(cè)樣品的響應(yīng)光電流。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020] 以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明，其中：
[0021] 圖1是硅太陽(yáng)能電池和量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池在暗態(tài)下的背底信號(hào)。
[0022] 圖2是硅太陽(yáng)能電池和量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電響應(yīng)曲線圖。
[0023] 圖3是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的光電響應(yīng)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖4是硅太陽(yáng)能電池采用圖3所示的光電響應(yīng)測(cè)量裝置得到的隨著入射光波長(zhǎng)變 化的響應(yīng)光電流的曲線圖。
[0025] 圖5是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的光電響應(yīng)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖6是硅太陽(yáng)能電池和量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池采用圖5所示的光電響應(yīng)測(cè)量裝置 得到的光電響應(yīng)曲線圖。
[0027] 圖7是根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的光電響應(yīng)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖8是量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池采用圖7所示的光電響應(yīng)測(cè)量裝置得到的IPCE曲 線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0029] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過(guò)具體實(shí) 施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0030] 圖3是根據(jù)本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的光電響應(yīng)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示， 包括單色儀1、快門2、透鏡組3、樣品臺(tái)4、電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置5、數(shù)據(jù)采集卡6、快門控制 電路7和控制裝置8。
[0031] 在入射光的方向上依次設(shè)置有單色儀1、快門2、透鏡組3和樣品臺(tái)4,當(dāng)快門2開(kāi) 啟時(shí)，入射光依次經(jīng)過(guò)單色儀1、快門2、透鏡組3,并經(jīng)過(guò)透鏡組3對(duì)入射光會(huì)聚后入射到 樣品臺(tái)4上的待測(cè)樣品（圖中未示出）上。電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置5和待測(cè)樣品電連接，用于 將待測(cè)樣品的響應(yīng)光電流轉(zhuǎn)化為電壓。根據(jù)實(shí)際待測(cè)樣品的響應(yīng)光電流的大小，可以對(duì)響 應(yīng)光電流進(jìn)行放大或?qū)㈨憫?yīng)光電流已經(jīng)轉(zhuǎn)化為電壓的信號(hào)進(jìn)行放大。數(shù)據(jù)采集卡6和電 流-電壓轉(zhuǎn)換裝置5電連接，用于測(cè)量電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置5轉(zhuǎn)化得到的電壓值。數(shù)據(jù)采 集卡6同時(shí)與快門控制電路7和控制裝置8電連接，控制裝置8輸出時(shí)鐘產(chǎn)生信號(hào)至數(shù)據(jù) 采集卡，數(shù)據(jù)采集卡6根據(jù)時(shí)鐘產(chǎn)生信號(hào)輸出預(yù)定頻率的方波時(shí)鐘信號(hào)，快門控制電路7根 據(jù)該預(yù)定頻率的方波時(shí)鐘信號(hào)控制快門2以該頻率開(kāi)啟和關(guān)閉。針對(duì)不同的待測(cè)樣品的光 電響應(yīng)速率不同，可以使得快門2以不同的頻率開(kāi)啟和關(guān)閉，例如，通過(guò)控制裝置8可以使 得快門2以0. 2Hz-10Hz頻率開(kāi)啟和關(guān)閉，當(dāng)待測(cè)樣品的光電響應(yīng)速率較慢時(shí)，可以控制快 門2以0. 2Hz-lHz的頻率開(kāi)啟和關(guān)閉，從而在快門2開(kāi)啟時(shí)使得待測(cè)樣品響應(yīng)光電流達(dá)到 飽和值。快門2的開(kāi)啟和關(guān)閉是針對(duì)單色儀1出射的光線是否能夠通過(guò)快門2而言的，即 當(dāng)快門2開(kāi)啟時(shí)，從單色儀1出射的光線通過(guò)快門2入射到透鏡組3上，并經(jīng)過(guò)透鏡組3對(duì) 光線會(huì)聚后入射到樣品臺(tái)4上的待測(cè)樣品上；當(dāng)快門2關(guān)閉時(shí)，光線不能通過(guò)快門2?？刂?裝置8和單色儀1電連接，用于調(diào)節(jié)使得單色儀1輸出所設(shè)定波長(zhǎng)的光線。
[0032] 具有一定波長(zhǎng)范圍的光線入射到單色儀1的入射狹縫上，控制裝置8控制單色儀 1輸出波長(zhǎng)為A的光線，波長(zhǎng)為A的光線入射到快門2上，快門2以頻率f開(kāi)啟和關(guān)閉， 當(dāng)快門2處于開(kāi)啟時(shí)，從單色儀1出射的光線通過(guò)快門2入射到透鏡組3上，并經(jīng)過(guò)透鏡組 3對(duì)光線會(huì)聚后入射到樣品臺(tái)4上的待測(cè)樣品上，待測(cè)樣品釋放電子從而產(chǎn)生光電流，快門 2的開(kāi)啟和關(guān)閉之間的時(shí)間間隔應(yīng)該大于待測(cè)樣品的光電響應(yīng)時(shí)間，這樣可以使得待測(cè)樣 品在快門2開(kāi)啟時(shí)響應(yīng)的光電流達(dá)到飽和值，從而使得測(cè)量的光電流值準(zhǔn)確、不會(huì)偏小。電 流-電壓轉(zhuǎn)換裝置5將待測(cè)樣品產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)換為電壓。數(shù)據(jù)采集卡6測(cè)得待測(cè)樣品在 快門2處于開(kāi)啟時(shí)的電壓值?？刂蒲b置8將數(shù)據(jù)采集卡6每一刻測(cè)得的電壓值顯示出來(lái)， 從而在控制裝置8上得到待測(cè)樣品在快門2開(kāi)啟時(shí)的電壓曲線圖。當(dāng)快門2關(guān)閉時(shí)，從單 色儀1出射波長(zhǎng)為A的光線不能入射到待測(cè)樣品上，此時(shí)數(shù)據(jù)采集卡6只能測(cè)得待測(cè)樣品 在暗態(tài)下的電壓值，從而在控制裝置8上得到待測(cè)樣品在快門2關(guān)閉時(shí)的電壓曲線圖。因 此當(dāng)快門2以頻率f開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)，從而在控制裝置8上顯示出待測(cè)樣品的光電響應(yīng)曲線 圖。
[0033] 在快門2開(kāi)啟時(shí)，得到待測(cè)樣品光電響應(yīng)的峰值光電流，在快門2關(guān)閉時(shí)，得到待 測(cè)樣品光電響應(yīng)的谷值光電流，快門2以頻率f開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)，控制裝置8得到一個(gè)頻率為 f的周期性信號(hào)，將峰值光電流減去谷值光電流即為待測(cè)樣品的凈響應(yīng)光電流值。為了使得 測(cè)量的響應(yīng)光電流值更加準(zhǔn)確，可以取多個(gè)峰值光電流和谷值光電流的差值的平均值作為 凈響應(yīng)光電流值。
[0034] 圖4是硅太陽(yáng)能電池采用圖3所示的光電響應(yīng)測(cè)量裝置得到的隨著入射光波長(zhǎng)變 化的響應(yīng)光電流的曲線圖。待測(cè)樣品是硅太陽(yáng)能電池，氙燈光源提供不同波長(zhǎng)的光線入射 到單色儀1上，通過(guò)控制裝置8控制單色儀1輸出的光線的波長(zhǎng)從350nm到IIOOnm逐漸的 增加，單色儀1輸出的光線的波長(zhǎng)每增加IOnm時(shí)，即測(cè)量在該波長(zhǎng)光線下的硅太陽(yáng)能電池 的響應(yīng)光電流值，從而得到了在不同波長(zhǎng)光線下的響應(yīng)光電流曲線圖。
[0035] 在本實(shí)施例中，快門還可以替換為斬波輪裝置，相應(yīng)地，快門控制電路替換為斬波 輪控制電路。當(dāng)只需要測(cè)量待測(cè)樣品在某一個(gè)已知波長(zhǎng)光線下的響應(yīng)光電流，本實(shí)施例不 需要單色儀，直接將該光線入射到快門上。另外，當(dāng)入射光是平行光或會(huì)聚光時(shí)，可以不需 要透鏡組3。在其他的實(shí)施例中，快門2和快門控制電路7可以設(shè)置在同一個(gè)裝置上。電 流-電壓轉(zhuǎn)換裝置5還可以包括電壓或電流放大電路。
[0036] 圖5是根據(jù)本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例的光電響應(yīng)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其與圖3基 本相同，區(qū)別在于，還包括偏光光源10和透鏡組9。偏光光源10發(fā)射的偏置光經(jīng)過(guò)透鏡組 9會(huì)聚后入射到樣品臺(tái)4上的待測(cè)樣品（圖中未示出）上。偏置光用于填補(bǔ)樣品自身的捕獲 態(tài)，提高樣品的光電響應(yīng)速度，本實(shí)施例的偏光光源10是發(fā)射白光的LED，在其他的實(shí)施例 中，偏光光源還可以發(fā)射各種波長(zhǎng)的單色光。
[0037] 圖6是硅太陽(yáng)能電池和量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池采用圖5所示的光電響應(yīng)測(cè)量裝置 得到的光電響應(yīng)曲線圖。從圖6可以看出，硅太陽(yáng)能電池的光電響應(yīng)速度很快，在大約0. 1 秒或小于〇. 1秒下響應(yīng)光電流即達(dá)到飽和值。量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電響應(yīng)速度較 慢，量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電響應(yīng)速度在加lOmW/cm2的偏置光的情況下比不加偏置光 要快，因此在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中，可以加偏置光提高量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電響應(yīng)速 度，使得響應(yīng)光電流快速的達(dá)到飽和值，從而增加快門開(kāi)啟和關(guān)閉的頻率，減少測(cè)量時(shí)間。 在其他的實(shí)施例中，偏置光的光強(qiáng)還可以是其他任意數(shù)值，針對(duì)光電響應(yīng)速率快的材料，可 以不加偏置光。
[0038] 圖7是根據(jù)本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的光電響應(yīng)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其與圖5基 本相同，區(qū)別在于還包括透鏡組11、分束鏡12、透鏡組13和參比電池14,其中參比電池的 IPCEQncidentphoton-electronconversionefficiency)已知，可以根據(jù)其響應(yīng)光電流 值來(lái)推算光強(qiáng)。從快門2出射的光線經(jīng)過(guò)透鏡組11后入射到分束鏡12上，其中一部分光 線從分束鏡12透射并經(jīng)過(guò)透鏡組3會(huì)聚后入射到樣品臺(tái)4上的待測(cè)電池上，另一部分光線 經(jīng)分束鏡12反射到透鏡組13上，并經(jīng)過(guò)透鏡組13會(huì)聚到參比電池14上。數(shù)據(jù)采集卡5 同時(shí)與參比電池14和待測(cè)電池電連接。
[0039] 圖8是量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池采用圖7所示的光電響應(yīng)測(cè)量裝置得到的IPCE曲 線圖。在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，表征電池光電響應(yīng)性能參數(shù)的是IPCE，IPCE定義為電池在某一 單色光照射下輸出到外電路的電子數(shù)與總?cè)肷涞墓庾訑?shù)之比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
[0040]

【權(quán)利要求】
1. 一種光電響應(yīng)測(cè)量裝置，其特征在于，包括： 斬波裝置，所述斬波裝置位于入射光和待測(cè)樣品的光路之間； 電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置和所述待測(cè)樣品電連接，用于將所述待 測(cè)樣品的短路電流轉(zhuǎn)換為與所述短路電流對(duì)應(yīng)的電壓； 數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡和所述電流-電壓轉(zhuǎn)換裝置電連接，用于測(cè)得與所述短 路電流對(duì)應(yīng)的電壓的電壓值； 斬波控制電路，所述斬波控制電路與所述斬波裝置和所述數(shù)據(jù)采集卡電連接，所述數(shù) 據(jù)采集卡用于輸出時(shí)鐘信號(hào)至所述斬波控制電路，所述斬波控制電路根據(jù)所述時(shí)鐘信號(hào)控 制所述斬波裝置W與所述時(shí)鐘信號(hào)相應(yīng)的頻率開(kāi)啟和關(guān)閉。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電響應(yīng)測(cè)量裝置，其特征在于，還包括控制裝置，所述控制 裝置和所述數(shù)據(jù)采集卡電連接，所述數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)所述控制裝置輸出的時(shí)鐘產(chǎn)生信號(hào)而 輸出所述時(shí)鐘信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電響應(yīng)測(cè)量裝置，其特征在于，還包括單色儀，所述單色儀 位于入射光和所述斬波裝置的光路之間，并與所述控制裝置電連接，所述單色儀根據(jù)所述 控制裝置輸出的波長(zhǎng)控制信號(hào)而射出與所述波長(zhǎng)控制信號(hào)相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的光線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電響應(yīng)測(cè)量裝置，其特征在于，還包括樣品臺(tái)，所述待測(cè)樣 品位于所述樣品臺(tái)上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光電響應(yīng)測(cè)量裝置，其特征在于，還包括第一透鏡組，所述第 一透鏡組位于所述斬波裝置和所述樣品臺(tái)之間，用于將入射到第一透鏡組的光線會(huì)聚到所 述待測(cè)樣品上。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電響應(yīng)測(cè)量裝置，其特征在于，還包括偏光光源，所述偏光 光源發(fā)射的光線入射到所述待測(cè)樣品上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電響應(yīng)測(cè)量裝置，其特征在于，還包括第二透鏡組，所述第 二透鏡組位于所述偏光光源和所述待測(cè)樣品的光路之間，用于將所述偏光光源發(fā)射的光線 會(huì)聚到所述待測(cè)樣品上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的光電響應(yīng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述斬波裝置為 快口或斬波輪。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的光電響應(yīng)測(cè)量裝置，其特征在于，所述斬波裝置開(kāi) 啟和關(guān)閉的頻率為0. 2HZ-10化。
【文檔編號(hào)】G01R31/26GK104345258SQ201310340828
【公開(kāi)日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月7日
【發(fā)明者】孟慶波, 李春輝, 吳會(huì)覺(jué), 羅艷紅, 李冬梅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所