专利名称：单光路量子效率测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量半导体器件，尤其是测量多 结光电池的量子效率和光谱响应的测试系统背景技术量子效率(QE )是表征光电器件性能的 一 个重要 参数。所谓量子效率就是指入射光照射到光电器件上 时，器件内产生的光生载流子的数目与入射的光子数 目的比值。这是 一 个小于1的无量纲数。QE测量的原理如下利用单色仪把光源发出的白 光分解成不同波长的单色光，单色光通过斩波器斩波 后转变成脉冲光，让这些不同波长的脉冲单色光照射 到待测样品上，样品便产生脉冲光电流。用锁相放大 器接受这些微弱的脉冲光电流信号并加以放大，同时 在相同的条件下测量己知QE值的标准探测器的相应的 脉冲光电流信号，然后将两个信号进行比较，便可计 算出待测样品的QE值。
对于只包含 一 个pn结的光电池，通常称其为单结 电池；而对于由多个pn结组成的光电池，通常称其为 多结电池，其中每个pn结组成的电池又称为子电池。 在多结电池中，各子电池材料的带隙宽度不同，按从 电池上表面到下表面的方向，子电池的带隙宽度逐渐 减小，对应于吸收各个波段太阳光谱的能量。多结光电池是光伏电池研究领域的热点，而光电 池的量子效率(QE )是表征太阳能电池性能的 一 个重 要参数。从QE测量结果不仅可以帮助人们辨认太阳电 池不同区域的量子产额并清楚的知道光电池的光谱响 应分布，而且还可以由QE值计算出太阳电池的短路电 流值Isc。因此建立一套完善的QE测量系统，对促进 光电池尤其是多结光电池的研究工作有非常重要的意 义。传统的QE系统的光路 一 般经单色仪后经分光片分 光而变为双光路，其中 一 路照射标准探测器，另 一 路 照射待测样品。由于分光片对各波长入射光的反射透 射率并不一致，因此需对经分光片分光后各波长单色 光的通量比值进行标定，很容易造成误差。本发明采 用转动时样品定位器，巧妙地解决了这 一 问题，使标 准探测器和待测样品先后测量时所处光路中的几何位 置相同，确保了辐射通量相等，因此本发明对进 一 步
拓展QE系统的应用范围，和提高QE系统测量结果的 准确性，都有非常现实的意义。发明内容本发明的目的在于，提供 一 种单光路量子效率测 试系统，解决传统双光路量子效率测试系统两路光的 光通量不相等的问题，使标准探测器和待测样品先后测量时先后处于光路中同 一 几何位置，确保标准探测器与样品表面入射光辐射通量相等，提高QE系统测量结果的准确性。本发明提供 一 种单光路量子效率测试系统，其特征在于，包括一卤钨灯光源、一凸透镜、 一光斩波器；一单色仪，所述的卤钨灯光源、凸透镜和光斩波 器位于该单色仪输入光入口的光路上，卤钨灯光源发出的光经凸透镜汇聚在单色仪光入口处；一锁相放大器，该锁相放大器的频率参考输入端与光斩波器斩波频路输出端连接；一计算机，该计算机负责控制和处理台单色仪和 锁相放大器的数据，使单色仪与锁相放大器协调工作；一转动式样品定位器，该转动式样品定位器位于
单色仪输出光出□的光路上，并与锁相放大器通过线棒 ;见连接，转动式样品定位器可通过旋转动作使样叩和标准探泖J器处于光路的同 一 位置；一组偏置光源，该偏置光源位于单色仪输出光出p的光路上的周围，该偏置光源将偏置光照射到沐 <寸测样叩表面，起短路样品的非测量子电池的作用中转动式样品定位器包括盈—形底座—转轴，该转轴固定在盘形底座上的中间部位；长方形合 pm,.体，该长方形盒体的底部中心固定在转轴上，在该长方形盒体的四个侧壁面上的下方分别安装有BNC插座，在该长方形盒体的 一 侧的上方开有定位用的矩形窗口，在该长方形盒体的另三个侧壁的上方分别开有定位孔；样口 叩架，该样品架的形状与长方形盒体上的矩形窗相同该样品架置放在该矩形窗口上；合兰，该盒盖位于长方形盒体的顶部。苴 z 、中样[=1 口FI架包括 一 样品台，该样品台为矩形，在样p cm台的四角处安装有探针座，每个探针座固定有探针中还包括偏置电压发生器，该偏置电压发生
器与转动式样品定位器连接，该偏置电压发生器提供_ 3— + 3V可连续变化的偏置电压，变化灵敏幅度最小 达至U 0 . 1 V 。其中所述的偏置光源提供波长处于0 . 3 ii m — 0 6 8txm、 0.6 8 — 0.9 1卩m禾Q 0.9 1 um—l. 8 1 um三个波段范围内的偏置光。其中还包括参考标准探测器，该参考标准探测器 位于该长方形盒体的另三个侧壁上方分别开有的定位 孔内。其中该参考标准探测器，提供0 . 2 " m— 1 . 9 um波长范围的标准参考数据。
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合 实施例及附图详细说明如后，其中图1是单光路量子效率测试系统示意图； 图2(a)、 (b)是转动式样品定位器示意图； 图3 (a) 、 (b)是样品架的俯视示意图和对角线剖 视示意图；图4本发明系统测量的GalnP/GaAs/Ge三结光电 池的量子效率。
具体实施方式
请参阅图1所示，本试系统，包括一卤钨灯光源10 、3 0一单色仪40，所述2 0和光斩波器30位于光路上，卤锌灯光源1 0在单色仪4 0光入处；一锁相放大器50 ，考输入端与光斩波器3 0一计算机60，该计单色仪40和锁相放大器相放大器协调工作;一转动式样叩定位器7 0位于单色仪40输出放大器50通过线缆连接通过旋转动作使样禾口标置；其中转动式样口 叩定位* 為形底座71发明一种单光路M，效率一凸透镜20、一光斩波器的卤钨灯光源10 、凸透镜该单色仪40输入光入□的发出的光经凸透镜20汇聚该锁相放大器50的频率参斩波频路:输出端连接；算机6 0负责控制和处理台5 0的数据，使单色与锁7 0，该转动式样品定位器光出口的光路上，并与锁相，转动式样叩定位器70可准探测器处于光路的同位器7 0包括
—转轴7 2，该转轴7 2固定在盘形底座7 l上 的中间部位；一长方形盒体7 3，该长方形盒体7 3的底部中 心固定在转轴7 2上，在该长方形盒体7 3的四个侧 壁面上的下方分别安装有BNC插座7 5 ，在该长方形 盒体7 3的一侧的上方开有一定位用的矩形窗口 7 6 ，在该长方形盒体7 3的另三个侧壁的上方分别开 有定位孔7 7 ;一样品架7 8 ，该样品架7 8的形状与长方形盒 体7 3上的矩形窗口 7 6相同，该样品架7 8置放在 该矩形窗口 7 6上；其中样品架7 8包括 一 样品台7 8 1 ，该样品 台7 8 l为矩形，在样品台7 8 l的四角处安装有探 针座7 8 2，每个探针座7 8 2固定有探针7 8 3;一盒盖7 4，该盒盖7 4位于长方形盒体7 3的 顶部；一组偏置光源8 0 ，该偏置光源8 0位于单色仪 4 O输出光出口的光路上的周围，该偏置光源将偏置 光照射到待测样品表面，起短路样品的非测量子电池 的作用；其中所述的偏置光源8 0提供波长处于0.3 u m-0.6 8 um、0.6 8-0.9 1 um 禾口0.9 1 um —1.8 1 "m三个波段范围内的偏置光；3中还包括一偏置电压发生器9Q，该偏置电压发生器90与转动式样品定位器7 0连接，该偏电压发生器90提供-3 ~+3 V可连续变化的偏置电压，变化灵敏幅度最小达至U 0 . 1 V 。中还包括参考标准探测器1 o o ，该参考标准探测器100位于该长方形盒体7 3的另三个侧壁上方分另lj开有的定位孔7 7内；该参考标准探测器100，提供0.2um 1.9um波长范围的标准参考数据本系统由如图1 所示 一 卤钨灯光源10、凸透镜20、斩波器3 0、 一单色仪4 0、锁相放大器50、内置GPIB控制卡的计算机6 0、转动式样口 BP定为器70 、偏置光源8 0和偏置电压发生器9 0 ，两个标准探测器1 0 0等部件构成单光路系统， 在高级语言环境下编制控制程序，通过GPIB控制卡， 对单色仪4 0与锁相放大器5 0进行自动化控制并实 现测量数据的实时采集记录。本发明系统的工作原理 如下由卤钨灯1 0提供0 . 3 u m- 2 y m连续谱光源；卤钩灯1 0发出的光经凸透镜2 0汇聚后在单色 仪4 0光入口处由斩波器斩波3 0 ，将连续光辐射变
冲光辐射，同时斩波器30将脉冲频率信号提供相放大器50作为参考信号脉冲光辐射经单色仪40单色处理后变为脉冲单色光；脉冲单色光照射在标准探测器1 0 Q或待测样品 表面产生光生脉冲电流；待测样品由样品架7 8承载；样品架置于转动时 样品定位器的矩形窗口 7 6中，标准探测器1 0 0置于转动式样品定位器的定位孔7 7中。转动式样品定为器7 0配合样品架7 8 ，可以使标准探测器与待测样品轮换处于光路中同 一 几何位置 先后进行测量，确保标准探测器与待测样品表面所接 受的单色光辐射通量相同；标准探测器核待测样品产生的光生脉冲电流由 BNC线缆传输到锁相放大器进行放大处理；由计算机6 0通过GPIB卡控制单色仪4 0和锁相 放大器5 0的协调工作，能够按要求改变单色光波长， 并对各脉冲单色光产生的脉冲光电流进行实时的放大 并记录，计算机6 0和锁相放大器5 0与单色仪4 0 由GPIB线缆连接；将标准探测器1 0 0和待测样品的光生电流信号 进行比较，配合标准探测器1 0 0的QE值，即可得出
待测样品的QE值。测量多结光电池时，需偏置光源80与偏置电压发生器90配合偏置光源8 0提供波长处于0.3 yt m_ 0 .68m 、0 . 68-0.91ti m禾卩0 .91li m-1.8 1m二个波段范围内的偏置光来匹配多^士电池中各子结的带隙宽度；本系统由卤钩灯和相应滤波片配合组成偏置光源8 0 ;偏置电压发生器9 0提供-3 + 3 V可连续变化的 偏置电压，变化灵敏幅度最小应达到0 . 1 V ;测量某 一 子结电池，需要将相应的偏置光源S 0 打开，使非被测子电池受偏置光源辐射处于导通状态， 而被测子电池不受偏置光源辐射，只接受脉冲单色光 信号，这样锁相放大器5 0只对脉冲信号进行收集放 大，而过滤掉其他非被测子电池的连续信号。偏置电压发生器9 0与偏置光源8 0配合使用， 其大小要使被测子电池的光生信号最大，同时抑制非 被测子电池的失真信号。如图2所示，转动样品定位器组成如下盘形底座7 1中心带有通孔，通孔直径与转轴7 2直径相同，转轴7 2可以插入通孔中形成转动配合， 这样盘形底座7 1起到了轴承的作用。
转轴72上部带有法兰盘，通过法兰盘与长方形体73底壳紧固，使盒体与转轴 一 起转动c长方形合 mi-体7 3的三个侧壁带有定位孔77，而且定位孔77在侧壁的位置相同，处于侧壁中线的上部定位孔用于置放标准探测器1 0 0。第四个侧壁带有矩形窗卩76，用于置放正方形的样口 叩架矩形窗□76的几何中心位置与定位孔7 7相同，保证置于样站 木中心的样品与标准探测器1 o 0位置相同。合芏74起到封闭长方形盒体的作用，可以取下，便于体内部线路的连接和置放探测器100 cBNC插座75固定在长方形盒体7 3四壁的中线下部。四个BNC插座7 5中的两个与长方形1^1.体7内部与对面位于定位孔中的标准探测器100的电极用同轴电缆连接，用于收集传输标准探测器信号矩形窗□对面的BNC插座7 5经由同轴电缆与样1=1 叩架的电极连接，用于收集传输待测样品信号。如图3所示，样品架7 8主要主要由样口 卯台781，探针座782 ，探针7 8 3组成。其中样口 no台78用于承载样品 ，探针座7 8 2分布于样口 叩台781四角，起固定调节探针7 8 3的作用；四个钨丝探针783，用于探接半导体器件的电极，和加载偏置电压15以下列举 一 实施例说明本发明的可行性，完成本 发明系统，需配备以下部件1 、一台卤钨灯光源，功率不小于100 W ;2 、 一个凸透镜，直径不小于5 cm，焦距2 0 cm;3 、 一台单色仪，最小步距0 . 1 nm ，实用光谱范 围l 0 0nm 2 um， 分辨率小于0.2nm;4 、 一个光斩波器，频率范围1 一 1 0 0 Hz ;5 、 一台锁相放大器，要求可检测pA级电流；6 、 一台带内置GPIB卡的计算机；7 、 一个偏置电压发生器，可提供-3 — + 3V可连 续变化的偏置电压，变化灵敏幅度最小应达到0 . 1 V ;8、 一组偏置光源，可选用波长为4 6 Onm、 8 2 0 nm的干涉滤波片，和硅片，配合5 0 W卤钨灯可 以得到构成波长为4 6 0 nm、8 2 0 nm和波长大于1 0 8 7 nm的偏置光源。9、 一个转动式样品定为器，主要包括一个盘形 底座、 一个转轴、 一个长方形盒体、 一个盒盖、四个 BNC插座。其中长方形盒体侧面为长方形，截面为正方 形。盒体三个侧壁中线上部处开 一 通孔，用于置放标 准探测器；于侧壁中线下部通孔，用于置放BNC插头。 第四个侧壁上部有矩形框口置与他侧壁上的位置相同形，边带有四个定位螺纹孔為:按如图所示结构搭建i0、个样品架包括四个探针组成样品台大小矩形窗口配合，使样品台置后样叩台面几何中心的位置保此者经旋转动作后可处叩台的电极与矩形窗口对侧工i一组标准探测器置放BNC插头的通孔位 。长方形盒体底壳为正方 ，用于固定转轴上的法兰一样品台，四个探针座， 要与转动式样品定位器的 放在定位器的矩形窗口中 与定位孔位置相对应，确 于同 一 空间几何位置，样 BNC插座的电极连接。可提供0.2um— 1.9侧益 位器 座电及锁放大 的原 序， 长的ym波长范围的标准参考数据，可选用标准Si探 和Ge探测器。将两个探测器置放于转动式样品定 的定位孔中，并将其电极与定位孔对侧的BNC插 极相连。1 2 、 GP IB线缆，用于传输计算机和单色仪相放大器的通信信号13、BNC线缆，用于将探测信号传输入锁相器以上各组成部分硬件配备齐全后，按图1所示理图搭建光路，并在高级语言环境下编写控制程能够使单色仪与锁相放大器协调工作，实现各波连续测量与实时记录。
本发明可以实现对响应波长处于0.2m 一-1 .81m范围内单结和各种多结光电池量子效率的测量，能后提供准确可靠的测试数据供科研工作和生产实践参考，对于进 一 步研发高转化率、新型太阳电池員有非常现实的意义。本发明系统的应用举例G aInP/GaAs/Ge三结光电池QE的测程1、首先将待测电池置于样品架78上，使待测电池处于样n 口卩台7 8 1台面的几何中心， 通过探针783探接电池的电极，然后将样品架78放在转动式样口 B卩定位器70的矩形窗口 7 6中，将样品架78的电极与相应BNC插座7 5电极相连2、按以下次序接通电源计算机6 0电源单色仪40电源，锁相放大器5 0电源，斩波器电源30，卤钨灯光源1 0电源。3、待单色仪4 0自检过程完成之后，同过控制程序调整单色仪4 0入光口和出处光□的狭缝宽度，设定位1000U m，设定斩波器30频率为22Hz，锁相放大器50电流档调至nA级。4、调整光路使卤钩光源10，凸透镜20，单色仪40入光口出光口和转动式样叩定位器70的
定位孔7 7处于同一直线上。5 、将待测样品对准单色仪40出光口 。6、通过编写的控制程序设定单色仪40的扫描起始波长为3 0 0 nm和终止波长为7 0 Onm以及扫描步长为10 nm。打开波长为8 2 0 nm禾n波长大于1 087nm的偏置光源8 0后开始扫描，并实通过锁相放大器50收集光生信号，并通过计算机6 0实时记录。7、第6步完成后，设定单色仪4 0的扫描起始波长为68 0 nm和终止波长为1 0 0 0 nm以及扫描步长为10nm。打开波长为4 6 0 nm和波长大于1 0 87n m的偏置光源8 0 ，将偏置电压发生器90输出的偏置电压加在电池电极之上，选择合适的压值后开始扫描，并实通过锁相放大器5 0收集光生信号， 并通过计算机6 0实时记录。8、第7完成之后设定单色仪4 0的扫描起始波长为90Onm和终止波长为l 9 0 Onm以及扫描步长为10nm。打开波长为4 6 0 nm和波长为860 nm的偏置光源8 0，将偏置电压发生器9 0输出的偏置电压加在电池电极之上，选择合适的压值后开始扫描，并实通过锁相放大器5 0收集光生信号，并通过计算机60实时记录。9 、对待j则样品的测量完成之后，将标准探测器
1 0 0旋转至待测样品所处的位置，使两者所接受的 光通量相等。按同样的条件测量标准探测器的光生信 号。1 0 、将待测样品的光生信号测量结果与标准探测器10 0的光生信号测量结果代入如下公式(1 )即可得到待测样品各波长的量子效率。其中QEdet为 标准探测器1 0 0 QE值，Adet禾口 Ace 11分另ij为标准探 测器1 0 0与待测样品受光面积，Idet和Icell为标 准探测器与待测样品的光生电流。QE= 7"〃xQEdet ( 1 )1 1 、领U量的至廿的 GalnP/GaAs/Ge三结光电池的 QE分布如图4 。
权利要求
1、一种单光路量子效率测试系统，其特征在于，包括一卤钨灯光源、一凸透镜、一光斩波器；一单色仪，所述的卤钨灯光源、凸透镜和光斩波器位于该单色仪输入光入口的光路上，卤钨灯光源发出的光经凸透镜汇聚在单色仪光入口处；一锁相放大器，该锁相放大器的频率参考输入端与光斩波器斩波频路输出端连接；一计算机，该计算机负责控制和处理台单色仪和锁相放大器的数据，使单色仪与锁相放大器协调工作；一转动式样品定位器，该转动式样品定位器位于单色仪输出光出口的光路上，并与锁相放大器通过线缆连接，转动式样品定位器可通过旋转动作使样品和标准探测器处于光路的同一位置；一组偏置光源，该偏置光源位于单色仪输出光出口的光路上的周围，该偏置光源将偏置光照射到待测样品表面，起短路样品的非测量子电池的作用。
2、根据权利要求1所述的单光路量子效率测试系统特征在于， 其中转动式样品定位器包括:一盘形底座；一转轴，该转轴固定在盘形底座上的中间部位；一长方形盒体，该长方形盒体的底部中心固定在 转轴上，在该长方形盒体的四个侧壁面上的下方分别安装有BNC插座，在该长方形盒体的 一 侧的上方开有一定位用的矩形窗口 ，在该长方形盒体的另三个侧壁 的上方分别开有定位孔 ，一样品架，该样品架的形状与长方形盒体上的矩形窗口相同，该样品架置放在该矩形窗口上； 一盒盖，该盒盖位于长方形盒体的顶部。
3、根据权利要求2所述的单光路子效率测试统，特征在于，中样P 叩架包括:样口 叩台，该p 叩台为矩形，在样叫台的四角处安装有探针座，每探针座固定有探针
4、根据权利要求1所述的单光路量子效率测试统，特征在于其中还包括偏置电压发生器偏置电压发生器与转动式样口 叩定位器连接该偏置电压发生器提供-3 — + 3V可连续变化的偏置电压，变化灵敏幅度最小达到0 . 1 V 。
5、根据权利要求1所述的单光路量子效率测试系统，其特征在于，其中所述的偏置光源提供波长处 于0.3 um—0:6 8 ym、 0.6 8 — 0.9 1 um禾卩O 91um—1.81ym三个波段范围内的偏置光。
6、根据权利要求1所述的单光路量子效率测试 系统，其特征在于，其中还包括参考标准探测器，该 参考标准探测器位于该长方形盒体的另三个侧壁上方 分别开有的定位孔内。
7、根据权利要求1所述的单光路量子效率测试 系统，其特征在于，其中该参考标准探测器，提供O. 2 um_ 1 .9 um波长范围的标准参考数据。
全文摘要
一种单光路量子效率测试系统，包括一卤钨灯光源、一凸透镜、一光斩波器；一单色仪，卤钨灯光源、凸透镜和光斩波器位于该单色仪输入光入口的光路上；一锁相放大器，其频率参考输入端与光斩波器斩波频路输出端连接；一计算机负责控制和处理台单色仪和锁相放大器的数据，使单色仪与锁相放大器协调工作；一转动式样品定位器位于单色仪输出光出口的光路上，并与锁相放大器通过线缆连接，转动式样品定位器可通过旋转动作使样品和标准探测器处于光路的同一位置；一组偏置光源位于单色仪输出光出口的光路上的周围，该偏置光源将偏置光照射到待测样品表面，起短路样品的非测量子电池的作用。
文档编号G01R1/02GK101398453SQ20071012247
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月26日 优先权日2007年9月26日
发明者磊 刘, 吴金良, 汉 张, 曾湘波, 陈诺夫, 高福宝 申请人:中国科学院半导体研究所