专利名称：利用固态光源的高速量子效率测量装置的制作方法
技术领域：
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llOOnm，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。在太阳能电池的QE测量过程中，阵列中的所有LED被“同时”驱动以照射太阳能电池。由光源发出的光在太阳能电池中产生的AC电流被信号处理，以使其被放大并转化成数字电压信号(例如由对应于LED阵列中的每个LED的唯一工作频率的各个信号构成的信号)。正弦波电源的使用促进了由计算机运行的快速傅立叶变换(FFT)模块或算法的使用， 以确定太阳能电池中的电流的功率谱，该功率谱是来自每个LED光的驱动频率的函数，其中与每个工作频率关联的电压波形被转化成与每个驱动频率或LED关联的振幅。使用基准电池来校准FFT信号的振幅，以使QE测量模块由计算机处理器运行，从而通过将藉由使用基准电池获得的转换因数施加于每个振幅来计算每个工作频率的QE值或者LED或光波长以产生和显示QE曲线。尽管这导致测定时间的减少，然而由于LED光源的糟糕的光谱控制并且因为由DUT反射、散射或投射的光不被测得和计入，所得到的QE测量值包括很大的误差幅度。因此，所得到的QE测定不提供与内部QE值相关联的信息，而内部QE提供DUT完整性的更准确测量。因此，需要研发出一种准确和快速地测量一般QE和内部QE的低成本且易于实现的系统。
发明内容
本发明提供一种高速量子效率(QE)测量设备，该测量设备包括至少一个待测设备(DUT)；至少一个受调的光源，该光源具有小于50nm带宽的至少一个经滤光的LED，其中一部分受调的光源受光源监测元件的监测，该光源监测元件具有至少一个聚光光学系统和至少一个光检测器。高速QE测量设备还包括传输光学系统，该传输光学系统设置成将受调的光源引向DUT ；控制器，该控制器在随时间变化的操作中驱动受调的光源，其中来自受调光源的每个DUT的响应是唯一标识的；以及至少一个反射系数测量组件，该反射系数测量组件具有至少一个反射光聚光光学系统和至少一个光检测器，该光检测器设置成接收从 DUT反射的一部分受调光。另外，高速QE测量设备具有时间解析的测量设备，该时间解析的测量设备包括电流测量设备或电压测量设备，或者电流测量设备和电压测量设备，其中时间解析的测量设备被设置成解析由每个受调光源在DUT中产生的电流或电压，或电流和电压。高速QE测量设备还包括充分编程的计算机，该计算机设置成根据来自受调光源和时间解析测量的至少一个波长的入射强度来确定和输出每个DUT的内部QE值。在本发明的一个方面，受调的光源包括设置成减小光源的带宽的至少一个调整光学系统。这里，至少一个调整光学系统可包括滤光器，其中来自受调光源的输出包括小于 50nm的带宽。在本发明的另一方面，高速QE测量设备还包括内部校准传感器，其中内部校准传感器包括设置成测量受调光源的强度的传感器。这里，内部校准传感器可包括至少一个采样光学系统和至少一个采样光电二极管。根据本发明的另一方面，来自充分编程计算机的所确定的内部QE值包括多个参数，例如电子上的电荷、来自DUT的反射光、受调光源的被引向DUT的每单位时间的光子数、 测得的来自DUT的透射光、测得的来自DUT的透射光和反射光、当由受调光源照射时由DUT 产生的电压以及当由受调光源照射时由DUT产生的电流。这里，输出内部QE值可以是在 0-1范围内的无量纲量。在本发明的另一方面，高速QE测量设备还包括透射检测组件，该透射检测组件具有至少一个透射光电二极管，其中透射检测组件设置成测量入射的受调光源透过DUT的部分。在本发明的另一方面，随时间变化的操作可以是脉冲式操作或受调制的操作。根据实施例，高速QE测量设备包括至少一个DUT ；控制器；至少一个受调光源， 前述控制器以脉冲操作方式驱动每个受调光源，其中通过每个DUT对来自每个受调光源的响应是唯一标识的；传输光学系统，其中该传输光学系统将受调的光源引向DUT ；时间解析的测量设备，该时间解析的测量设备具有电流测量设备、电压测量设备或者电流测量设备及电压测量设备，其中时间解析的测量设备被设置成解析由每个受调光源在DUT中产生的电流、电压或电流及电压；以及充分编程的计算机，该计算机设置成根据来自受调的光源和时间解析的测量的至少一个波长的入射强度来确定和输出每个DUT的QE值。根据当前实施例的一个方面，第一受调光源以第一脉冲时长被脉冲式地驱动，而另一受调光源以第二脉冲时长被脉冲式地驱动。在当前实施例的另一方面，受调光源包括具有小于50nm输出带宽的至少一个受调的LED。当前实施例的高速QE测量设备还包括内部校准传感器，该内部校准传感器具有设置成测量受调光源的强度的传感器。这里，内部校准传感器可包括至少一个采样光学系统和至少一个采样光电二极管。在又一方面，来自充分编程计算机的确定的内部QE值包括多个参数，例如电子上的电荷、来自DUT的反射光、受调光源引向DUT的每单位时间的光子数、测得的来自DUT的透射光、测得的来自DUT的透射光和反射光、当由受调光源照射时由DUT产生的电压或当由受调光源照射时由DUT产生的电流。这里，输出QE值可以是在0-1范围内的无量纲量。在当前实施例的另一方面，高速QE测量设备还包括透射检测组件，该透射检测组件具有至少一个透射光电二极管，其中该透射检测组件设置成测量入射受调光源透过DUT 的部分。在另一方面，高速QE测量设备还包括反射检测组件，该反射检测组件包括至少一个反射光电二极管，其中反射检测组件设置成测量入射的受调光源从DUT反射的部分。在又一方面，将脉冲的唯一时长分配给每个受调光源，其中每个受调光源的信噪比被归一化至其它波长。在另一方面，脉冲的唯一时长被分配给来自每个受调光源的每个唯一的受调光源，其中所分配的脉冲将一个受调光源的时间平均强度归一化至光谱上对DUT有用的另一受调光源。根据当前实施例的又一方面，脉冲的唯一时长被分配给来自每个受调光源的每个波长，其中所分配的唯一脉冲被配置成优化受调光源在所需波长下的信噪比。
通过结合附图阅读以下具体描述将理解本发明的目的和优点，其中图1示出现有技术的QE测量系统。图2示出受调光源和传输光学系统的配置。图3示出根据本发明当使用LED或其它窄带光源时放松的滤光需求的曲线图。图4示出根据本发明的电介质干涉滤光器的透射率因变于倾斜角的曲线图。图5示出根据本发明的透镜组件和强度监测机制的示意图。图6(a)_6(b)示出根据本发明的频率和相位的均一间隔如何导致聚束。图7(a)_7(b)示出根据本发明的频率和伪随机相位的均一间隔如何导致聚束减少。图8(a)_8(b)示出根据本发明的彼此相位正交的两个频率如何能更密集地压缩
在频率中。图9(a)示出根据本发明的具有配置成单元电池中的四种颜色的LED位置的示意图，所述单元电池重复出现以表示完整的测量栅格。图9(b)示出根据本发明的测量位置的示意图。图9(c)示出根据本发明的相隔距离P的LED的松散阵列以及通过使测量移动距离P/2得到的测量值的示意图。图10(a)_(c)示出根据本发明的LED光束的自然衍射以使它们更为重叠。
具体实施例方式尽管下述详细描述出于说明的目的包含诸多细节，然而任何本领域普通技术人员将容易理解对于下述示例性详述的许多变化和改变落入本发明的范围内。因此，下述本发明的优选的实施例不丧失任何一般性，不强加限制地，陈述了要求保护的发明。
根据本发明，QE测量也藉由简单的单位转化而适用于响应性或SR的测量。本发明提供一种高速量子效率(QE)测量设备。在一个方面，本发明使用LED光源，其中常用的 LED具有横跨300nm-1600nm的LED输出范围并具有大约10_50nm的间距。LED的高光谱亮度(每单位带宽每单位面积每单位立体角的功率)可相称地比拟于其它更昂贵的传统光源，同时在波长稳定、强度稳定、功率消耗、耐久性、调制和脉冲发射能力以及制造性的领域内提供若干附加优势。本发明包括唯一的角复用机制以通过将高功率DC背景光从脉冲式光源的光路分离开来而提高信噪比，并引入各种传感器，这些传感器允许实时监测入射强度、镜面反射率、漫反射率以及透过待测设备(DUT)的透射率。这些方面被整合到一个高能效系统中，该高能效系统能在大约1秒内测量一个QE光谱而无需移动部件或传统宽带光源。所得到的设备是紧凑的并表现出用于制造环境中所必须的测量速度和耐久性。根据本发明，太阳能电池是能吸收入射的太阳光(光子)并将电能传递至外部负载的设备。更通用的术语“光生伏打设备”可与“太阳能电池”互换地使用。根据本发明，待测设备(DUT)可包括太阳能电池或串联、并联或既串联又并联的太阳能电池的集合。该集合可表示制造者的“模块”、模块的集合或模块内的电池子集。DUT 可进一步包括单个的、单片生长的太阳能电池模块(例如玻璃基板上的非晶硅[a-Si]或钢上的铜铟镓二硒化物[CIGS])、光电检测器或光电检测器阵列、光电二极管或光电二极管阵列或电荷耦合器件(CCD)元件或阵列。根据本发明，LED可以是任何LED或二极管阵列，包括基于无机和有机材料的那些。此外，根据本发明，LED中的一个或多个可用固态激光器来代替。一般在电池温度变化(例如在范围0-60°C )的同时因变于温度而测量太阳能电池输出参数。推导出一个系数以描述包括电流、功率、电压和电阻的每个参数因变于温度的变化，这用来预测在各工作温度下电池的表现。更有利的是同样测量参数的波长依存性，以进一步表征劣化机理。QE相对于温度的关系可用来针对光的每个波长确定一系数，该系数描述电池功率(或电流或电压)因变于温度的变化。本发明提供一阵列的LED，这些LED用来产生离散的窄带(通常< 50nm带宽)DC 或脉冲调制的光发射。根据本发明，该阵列被称作“光源”。包含在光源内的一个或多个LED 可用激光二极管、固态激光器或传统灯(例如石英卤钨灯、弧光灯或金属卤化物灯)代替， 这也落在本发明范围内。随时间变化的信号用来激励来自每个LED的发射，以使DUT对光的每个波长的响应可经由电池电流(或电压)输出的适当定时数据获取来唯一地确定。在本发明的一个方面，可实现许多LED的连续(和不重叠)脉冲。本发明包括一个方面，其中每个LED被预定驱动电流脉冲式地驱动预定时间段， 以使序列的总时长最小化并使观察到的信噪比跨测量的整个光谱是恰当的。选择每个LED 的工作状态(驱动电流和脉冲时长)以使设备工作而不遭受损害(每个LED的工作极限依赖于设备的制造细节以及热考虑因素，该热条件因低的平均占空比而大为减小)。根据本发明，最大化每个LED的电流电平(并因此最大化光输出)是有利的。每个LED的脉冲的时长依赖于电流电平，也依赖于LED的电-光效率、从LED至系统的耦合效率(主要由LED的光学扩展量确定，该光学扩展量则主要由芯片尺寸确定)以及基准光电二极管在该LED波长下的检测特性。
在一个方面，在DUT电输出对光脉冲的响应时间受RC效应(常见于大面积、高容量太阳能电池)限制的情形下，存在一种方法，其中通过获取电池电流输出振幅相对于光脉宽或调制频率关系的数据集来对每个采样或采样类型测量一次DUT RC衰减因数。长脉冲(DC表现)与短脉冲(高吞吐量模式)的响应振幅之比则可用来校正所有后继短脉冲测量，以计算预期的DC表现。替代地，阶梯函数电流脉冲或调制频率扫描可施加于LED，同时测量设备的时间解析电流输出以得出相似的结果。将光源的最优波长范围调整至意欲的工作环境和DUT的材料类型。对于太阳能应用，最短波长一般是由入射光谱(例如-AMO[空间]、AMI. 5[地面]等)确定的，同时最长波长是由用于设备中的最低带隙有源材料确定的。可针对每种应用选择波长范围，所述应用例如是晶体硅地面应用400nm-lIOOnm ；晶体硅空间应用300nm_lIOOnm ；铜铟镓二硒化物地面应用400-1250nm以及例如铝铟镓砷磷族的III - V多结电池的空间应用300_1800nm。根据本发明，各窄带通滤光器被设置在每个LED前方以过滤射出的光。图2示出受调光源和传输光学系统200的配置，其中示出LED 202、以任意倾角表现出的介电带通滤光器204、设置成将准直光聚焦到具有光纤端面210的光纤208上的球形透镜206，其中球形透镜206和光纤端面210之间的空间212等于球形透镜206的聚焦长度。注意用于该基于LED应用的滤光器204不期望遭受快速劣化，因为来自单个LED 202的入射光强度也低于多数滤光器204的损坏阈值很多。另外，LED 202和滤光器204系统的光谱输出对发生在显著从峰值LED发射波长移去的波长处的滤光器透射“泄漏”不敏感；滤光器泄漏与其中发射强度为零的波长区无关，如图3所示。图3示出当使用LED或其它窄带光源时放松滤光需求300的曲线图，其中示出使用中的滤光器的透射曲线302、使用中的LED 304的强度曲线以及发生在与LED 304发射峰值相距很远的波长下的滤光泄漏306。由于在该波长区内不存在LED发射，因此其光泄漏对光源的光谱输出没有影响。在本发明的一个方面，使用滤光器来消除在LED升温或降温期间或环境温度改变时发生的波长漂移效果。此外，使用滤光器来消除由LED长期老化造成的峰值发射波长的慢漂移，或消除在低劣容限的LED制造工艺中经常观察到的LED成批波长变化。根据本发明，滤光器通过拒绝滤光器通频带以外的发射来使LED光谱带宽变窄。这对表现出 20nm-100nm范围内的光谱宽度的大量LED是尤为有用的，使得这些LED能适用于光谱领域。 此外，使用滤光器来选择宽LED发射光谱的一些部分以使一种类型的LED可用来产生若干不同的、不重叠的光波长。滤光器可包括用于形成适用于本发明的(带通)干涉滤光器的离子束溅射技术，因为这种沉积技术形成对温致漂移而言强健且相对不受影响的薄膜。在一个方面，其它滤光器是有用的，例如滤色器(有色玻璃或聚合体染料)或光栅以及长通、 短通和带通滤光器的组合可用来取得前述的滤光益处。由于LED光源即便没有滤光器也理想地接近产生理想窄带带宽光谱，因此使用相对简单的多层设计的滤光器。这消除了宽抑制频带的需求(就像使用传统宽带光源的情形)，对宽抑制频带的需求增加了传统基于灯的系统的滤光器设计复杂性。LED发射的有限波长范围进一步使通频带形状的需求(即不需要方形通频带)减至最小，并对抑制频带的衰减程度仅具有最普通的需求(99%的衰减是理想的，而90%的衰减是适当的。这种配置比传统基于灯的系统其严格性显著降低。在一个方面，滤光器配置可包括两个相似的四分之一波堆栈，这两个波堆栈隔开间隔件/材料(理想地是用于堆栈的相同材料中的一个) 的奇数倍的四分之一波。四分之一波堆栈中的层数确定通频带的带宽以及抑制频带中的衰减程度。由于沉积的层相当薄(相对于干涉滤光器而言)，因此这种类型的滤光器设计在宽范围的入射角上有效地工作。在本发明的一个方面，带通滤光器倾斜以使对透射系数和带通宽度仅具有中等影响的峰值透射波长蓝移。图4示出电介质干涉滤光器400的透射率因变于倾斜角(AOI = 入射角，以度为单位)的曲线图。这项技术允许单个滤光器部分用于多个波长下的精确带通控制，由此降低系统设计复杂性和成本。当用于前述简单的基于四分之一波堆栈的干涉滤光器设计时，这个理念是尤为有用的。参见图2，本发明包括一设备，其中透镜206位于带通滤光器204之后，并位于离开光纤208的端部210 —个聚焦长度212的位置。该透镜-端面尺寸在设计中是关键的， 因此当球形透镜206位于离开光纤端面210 —个聚焦长度212的位置时，仅进入球形透镜 210的准直光线被耦合入光纤208。因此，只有经过带通滤光器204的准直光线将耦合入光纤208。由于峰值透射波长是入射光波-矢量和滤光器正交表面之间夹角的函数，这保留了干涉滤光器的窄带通特性。本发明可包括一设备，其中传递窄带通光的一个或多个源的各条光纤被集中在紧密包装的管束内，并且其端部被抛光以提高透射特性。一个或多个管束随后被耦合至光学元件，例如UV级熔融石英六角形光导管，它在将光束传递至聚焦光学系统前使光束的空间均一性均勻化。图5示出根据本发明的透镜组件和强度监测机制500的示意图。如图所示，来自LED光源(见图幻的各光纤502将光子传递至例如光导管的均勻化设备504的顶表面。空间均一光束506离开均质器504，并由小反射率光学系统508(或光纤)采样以捕获入射光的一部分并将这部分入射光经由部分反射的光学系统512引向一对光电二极管 510 (a)/510(b)，从而监测入射光强度。光束506的未采样部分514被引向非球面透镜518 的象限(1)516上。光的未采样部分514部分地从DUT 520反射出，并且反射光522被引向非球面透镜518的象限(111))524。分束光学系统5 用来将光引向两个基准光电二极管 528 (a)/5 (b)，这两个基准光电二极管528 (a)/5 (b)测量反射光强度。独立的检测器对 530 (a)/530(b)和分束光学系统532位于样本520之下以检测由DUT 520透射的光。注意可新增附加光电二极管以监测反射光和透射光的散射分量。如前面提到的，可使用其它波长合并和光束均勻化方法，例如积分球或锥形光导管。图5中进一步示出时间解析的测量设备532，该测量设备532可包括电流测量设备和/或电压测量设备。时间解析的测量设备 534连接于充分编程的计算机536，该计算机536设置成根据来自受调光源和时间解析测量的至少一个波长的入射强度来确定和输出每个DUT的内部QE值。要理解，充分编程的计算机536可包括模拟/数字电子器件。反射光学系统508用来在一部分光束506离开光导管504后对这部分光束进行采样，并将其引向一个或多个基准光检测器510 (a) /510 (b)以提供入射光514强度的实时测量。如图所示，这同一技术可用来监测透射过DUT 520的光，还有从样本520镜面反射或漫反射的光512。关于用来测量入射光强度的基准光检测器，选择检测器以使它们提供充分的光谱灵敏度(覆盖从光源的最短波长至最长波长的范围)。例如，可使用两个光检测器(Si 和InGaAs)来提供从300nm至1700nm的光谱灵敏性。
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聚焦光学系统507用来将主光束514引向高NA非球面透镜518的一轴外位置516。 该光束从样本部分反射并通过非球面透镜518的轴外位置5M返回。入射光束514的轴外放置形成“角复用”效应，由此入射光束514和反射光束522可空间分离以使串扰减至最小并为检测器留出空间而不需要进一步的分束光学系统。反射率检测器528 (a)/5 (b)被设置在非球面镜头518上方的轴外位置524以拦截该反射光522。可增加附加的检测器以在镜面反射和漫反射之间作出区别。角复用的又一优势是易于使DC光偏移用于研究或量化光检测器、太阳能电池和其它光电子设备中的载波捕获行为。必须以某种方式阻却或补偿来自这些源的光以使其不与光检测器形成干涉(例如饱和)，所述光检测器用来测量反射率和透射率的各个分量。在本发明中，可包括传统宽带光源、激光器或高亮LED的背景光源明白无误地包含在设计中并被引导向非球面518的象限(II )。在这种情形下，镜面反射光束被引向非球面518的象限IV。替代地，可支持两个背景光源，其中一个占据象限II而另一个占据象限IV。这种配置具有最小化散射进入反射率监测(象限III)光电二极管的背景光量的显著益处。这项技术由此利用“角复用”以使单个非球面将多个光源传输至DUT上的一个点，同时使各检测信道之间的不想要的信号混合减至最小。附加检测器530 (a) /530 (b)被设置在样本520下方，由此可在每个波长下监测样本透射率。可新增附加检测器以在镜面透射和漫(散射)透射之间作出检测和区别。设置在样本平面下方的光检测器530 (a)/530(b)用来测量透射过样本的光的一部分。对于设计成允许用于大楼整体照明的部分透射的太阳能电池来说，这是尤为感兴趣的。在这种情形下，透射光必须在计算QE时被计入，并提供制造工艺中的重要控制参数，因为这是最终用户所能直接观察到的。两面太阳能电池是面向相反方向的两个本质上独立的光检测器。在后的电池可用来聚集来自光伏阵列下方的弱反射的微量光并提高设备的总功率输出。在这种(以及其它)配置中，测量来自电池前侧和后侧的QE是重要的。测量速度在制造环境中是极为重要的，并且可使用前面描述的固态QE装置的“双生”版本以快速连续的方式测量前侧和后侧 QE。在这种配置中，使一个测量头从前侧面向电池，并使第二测量头从后侧面向电池。使用单个计算机或控制系统来调整来自两个测量头的光脉冲或调制频率，以使它们不会无意地干涉或在时间上重叠。显然可使用任意数量的QE测量头并且这落在本发明的范围内。通过将一个或多个QE测量头集成到系统中，测量头或样本可位于角度计定位台上以使QE能作为入射角的函数测得。对于入射角处于正交以外状态的测量头取向，部分反射的功率将不会自动对准于反射率检测器。因此，可调镜、透镜或光纤可用来捕获反射光， 其中通过将元件沿样本表面法线对称设置而使元件相对于入射光束设置。在不需要反射率信息的情形下，可与测量头一起使用的系统保持在非法向入射角上。根据一个方面，系统可工作在一种模式下，其中具有不同发射波长的多个LED被同时供能，以形成太阳光谱的理想近似光谱并使其聚焦在DUT上。例如，传递给每个LED的电流的振幅分别受到控制以修正光谱内容以紧密地匹配于例如AMO、AMI. 5的目标光谱、或气团、日时、纬度和云层条件的任意组合。分光计可用来分析发射光的频谱内容并使用该信息来调谐各LED的电流，直到输出光谱落在目标光谱的预定容限内，并实时地计算光谱失配因数。本发明允许获知或测量照射区域的空间广度，并获知或测量光强度。该信息用来计算(结合电池电流-电压特征的测量)电池的“照射”或“光偏移” J-V特征，这些特征尤其包括开路电压、短路电流、最大功率点以及在测试中使用的特定入射光谱的设备转化效率。根据本发明，系统将前述QE和太阳模拟能力组合到一起，因此设备的QE和照射 J-V特性都可在单个仪器上快速连续地测量。当与例如测量台结合以使测量头、样本平移或使两者平移时，该系统允许量子效率的空间映射。该测量头也可安装在角度计上以通过旋转测量头而允许扫描。在一个方面，前述系统可与可变光孔设备结合以使测量点尺寸受到控制以允许可调的空间分辨率和测量吞吐量。在一个方面，这种配置使光孔配置在光导管的出口，因为该位置被重新显影到DUT上。在本发明的另一方面，提供基于配方的计算机控制系统以在一系列测量位点上执行自动化分析，并当与自动负载结合时，可在一组样本上执行自动化分析。这个方面可与沉积或处理工具结合，由此QE测量可在实际电池处理过程中执行或在将样本从处理环境中移去之前执行。这可进一步与电流-电压(J-V)测试器和太阳模拟器结合，以使电池性能分级(有时称其为分类)可根据J-V特性、QE特性或两者的组合来执行。又一方面可包括电流-电压(J-V)测试器和太阳模拟器，可选择地是光致发光或电致发光测量并可选择地是红外线“热点”缺陷成像系统，由此可根据J-V特性、QE特性、亮度特性或红外缺陷特性或这些特性的任意组合来执行性能分级。另一方面包括当前实施例与基于摄像机的检查系统的组合，由此可根据前面列出的所有技术以及光学检查结果(晶片破碎或破裂、反常反射特性(颜色)或均一性、不当形成的电接触或其它物理瑕疵)来执行性能分类。这里，摄像机可同轴地安装以使待测位点可实时地观察到。根据一个变例，前述系统可使用在整个感兴趣波长范围(紫外至近红外)内均为透明的光学器件来实现。例如，UV级熔融石英可用于光导管和所有后继的透镜，例如非球面透镜。替代地，可使用氟化钙作为非球面透镜/物镜。作为一种替代，可将蓝宝石用于各种透镜。作为第二种替代，UV级熔融石英、蓝宝石和氟化钙的组合可用来消除色差效应。在一个实施例中，使用蓝宝石球形透镜将来自LED的光耦合入多模光纤。根据这个方面，对于 LED阵列中的每个波长最佳地选择光纤材料。例如，UV级熔融石英光纤用于短于SOOnm的波长，而顶级熔融石英光纤用于长于SOOnm的波长。波长截止的恰当选择不是本设计的关键点。在本发明的又一变例中，本发明是多信道系统的一部分，该多信道系统能采集来自DUT上的多个点的QE数据，其中每个信道使用唯一的随时间变化信号以激励来自每个 LED的发射，由此DUT对每个光波长和在每个点上的响应可藉由电池电输出的正确定时的数据获取而唯一地确定。这个方面可如前所述地与各工作台或角度计结合以允许映射。例如，配置成线性阵列的一组测量头可沿与阵列垂直的方向扫描以产生二维QE映射。本发明包括将来自仪器的QE数据引入到产量管理系统。此外，本发明包括将QE 数据与设备性能关联，以使QE可作为电气和物理性质的特定设备问题的早期预报，或作为分级和分类设备以使它们结合以在特定照射条件下最大化模块产量的手段。在另一变例中，本发明包括使用QE或照射的J-V数据以提供空间坐标，以供之后的检查或故障分析系统使用以进一步归纳感兴趣区的特征。检查或故障分析系统可以是一一但不局限于——下列类型的工具聚焦离子光束、扫描电子显微镜、光学显微镜、飞行时间质谱仪、光学摄像机、光学缺陷扫描系统、表面光度仪、椭圆计或激光束感应电流。此外，QE或照射J-V方面的使用可在处理工具或故障分析系统中就地实现，从而结合其它诊断信息提供QE的单点或映射能力。本发明可包括将具有已知QE的一个或多个样本纳入 DUT保持器或测量室内以校准前述设备的精度。前述发明描述了使用没有相位信息的FFT功率谱j虚部)2+(实部)2，然而人们可通过将一半LED的驱动信号相移90°而将两倍数量的LED拟合到同一频率空间中。然后， 本发明可使用快速傅立叶变换(FFT)的实部和虚部结果以在两组LED之间作出区别，由于每个LED的调制相位是可控制的，因此允许这样。两个正交相位是直交的，并因此在FFT分析中不形成干扰。FFT分析自然导致每个频率的实部和虚部两个项。另外，随机噪声处理将噪声功率均等地分配到两个正交相位上。如果两个相位都不用作LED调制，则可通过仅测量与相应LED调制对应的“已知正确的”相位来消除任何给定频率上的一半噪声。这导致测量的信噪比的λ/ 倍改善。由于调制相位可相对于测量“零时”基准平移，如前所述，需要将 2 X 2矩阵“旋转”操作施加于测得的FFT数据以允许在对正交相位信号清零(zeroing-out) 前提取同相和正交相位信息。在完美的线性系统中，由于(线性)FFT操作将提取所需的信息，因此针对每个LED 调制选择什么频率和相位是无关紧要的。然而，真实系统的许多方便表现出微小的非线性 (放大器的饱和、组件的有限动态范围等……)，这会导致与真实测量混淆的矫波信号。由这些非线性引入的误差可通过调制频率和相位的适当选择而受到影响。当所有LED以正弦曲线形式调制时，这些LED的光输出的波峰和波谷可以一致也可以永远不一致，从而产生高的瞬时光功率。在这些条件下，寄生频率的非线性形成将会增大。因此，优选的是避免这种情况。如下文所述，调制信号的拙劣选择是具有恒定或均勻间隔相位的均勻间隔频率。啁啾或随机分布的频率和/或相位减小了峰值光振幅，并因此减小了会产生寄生信号的频率的非线性混频。前述考量的目的是确保非线性产生比例如散粒噪声的其它噪声源更小的寄生信号电平。图6 (a) -6 (b)示出类似于激光器中模式锁定的聚束中的频率和相位结果600的均勻间距的曲线图。在图6(a)中，四种颜色代表4个不同LED，分别具有频率1、1. 1、1.2、1.3。 在时间=0时，它们都是同相的。在图6(b)中，总光强度表示出比单个LED高出4倍的峰值-峰值振幅。这种情形随着LED数目而缩放。图7 (a) -7 (b)示出频率和伪随机相位的均一间隔如何导致减小的聚束700。在图 7(a)中，四种颜色代表4个不同1^0，分别具有频率1、1.1、1.2、1.3。它们永远不会是全部同相的。在图7(b)中，总光强度表现出比单个LED高出大约3倍的峰值-峰值振幅。这种情形随着LED数目而改善，因为更好的求平均发生。图8 (a)-8(b)示出彼此相位正交的两个频率如何能更密集地压缩在频率中800。根据本发明，入射到太阳能电池上的光可分割成直射和漫射的(从天空在建筑或云层附近散射的光)。可通过添加额外的“泛光灯(flood)”或高入射角光源来模拟散射分量，从而模拟多种散射状况并测量这些光照状态(直射、散射或直射+散射的任意组合)下的转化效率。在一个方面，LED可使用其它方法调制。例如，使用码分多址(CDMA)技术来提高对背景噪声的免疫性。在另一方面，可使用与AC调制光源不同的“单脉冲”测量。这属于时分多址(TDMA) 的一般概念，即在一个时间做一件事。单脉冲的优势包括易于使微控制器定序脉冲并获得数据的简单和廉价的电子器件实现，在一时间仅使一个LED运作并最小化输入功率的低注入电平，当寻求电池的低照度性能时，这是有益的，该低照度性能受载流子捕获的控制。进一步的优势包括调整每个LED的脉冲时长以获得要求的信噪比的能力。一些LED射出非常少的光，因此这些LED需要较长的脉冲。我们将“预算”时间以取得要求的吞吐量，同时获得每个LED上近似相等的S/N。TDMA的另一例子包括导通一个LED并调制其输出以对DUT电流作FFT以求解QE， 移至下一 LED并重复该过程。这使FFT的噪声抑制与脉冲的低注入电平结合起来。使用纯相位信息的另一例子包括将调制的QE测量扩展至DC分阶方法，其中每个 LED可顺序地导通，从而导致电池电流的阶梯形函数。随后可分析每个阶的高度以确定电池输出的增量增加相对于波长的关系。这是使用纯相位信息以识别每个波长下的响应的例子。在本发明的一个变例中，非接触表面电位(Vs)传感器包含在工具中。该传感器固定在电池上，并且在一些情形下如果电池具有背结则位于电池下方。非接触表面电位测量的例子包括振动开尔文探头(用于DC表面电位测量)、旋转或振动门罗探头(用于DC表面电位测量)以及透明电容板，也称表面光电压传感器(用于AC表面电位测量)。当局部QE 结果受局部材料特性以及当光生载流子从设备传出时遇到的电阻两者的控制时，可使用DC 表面电位测量。通常，研究者可能想要消除电阻效应以仅研究局部材料特性。可有意地在高DC反偏电压下执行QE测量以提高载流子从电池深处的传递，或在高DC正偏电压下执行 QE测量以模拟电池在高光照条件下经历的载流子密度。在这些情形的每一情形下，测量并考虑电阻降。另外，用户可能对样本上的电阻相对于χ-y位置的映射感兴趣。当前实施例使用DCVs测量来测量探头接触电池位置处的电池触点和QE测量位置之间的电位降。将这两个DC测量相减以确定两位置之间的电位降。该差值测量具有另外一个重要效果，也就是消除了这种类型Vs测量中常见的漂移，这种漂移是由于可由传感器表面吸收的湿气或具有偶极矩的任何化学物质引起的。该Vs信息也可针对恒定光电流或偏压状态映射，电位降可用来计算每个测量位点和接触点之间的电阻。这类信息可用来检测发射体或透明导电氧化物板电阻的变化，并用来将发射体电流传递至在制造过程中经常出现的金属集电栅。在一个方面，表面电位(DC或AC)也可用来感测太阳能电池中的局部短路(通常称为“旁路”) 的存在，这是通过向电池施加偏压以改善太阳能电池的“良好”和“缺陷”区域之间的Vs信号差、通过对Vs传感器下面的样本进行光栅计算来映射表面电位并将结果记录为位置的函数——表面电位的局部减小将指示电池的缺陷区域——来实现的，这个方面可通过增加额外的探头以提高吞吐量，例如沿一个方向扫描的一维阵列或二维阵列。驱动信道之间最小串扰的需求是针对(N-I)个信道的，而不是所研究的信道，串扰的总和必须小于测量所容许的噪声/不确定性。例如，如果存在101个信道/波长并且要求的测量精度为1 %，那么每个信道仅可在任何剩余信道上泄漏调制电流的0.01 %。 (0. 01%= 1% *(101-1 = 100)^1).如果来自一个LED的少量光泄漏进从另一 LED传递光的光纤，这并不重要，因为这两个光信号将在光学系统(即光导管)中的后面一个位置再次汇合，但这种汇合发生在用于校准目的的拾光操作之前。然而，光不以要求的入射角经过带通滤光器并具有糟糕控制的光谱。如果该光泄漏进入相邻信道的光纤，则这将减小有效光谱解析功率。然而，这只关系到LED带宽超出要求测量分辨率的程度。典型地，LED带宽是要求的测量分辨率的大约2 倍，因此这不是主要问题。由于其大电容和有限的电阻，太阳能电池表现出有限的频率响应，一般在 0. 5-8kHz范围内响应下降(rollsoff)，这取决于电池尺寸和设计。为了同时限制经调制的 LED以使其落在例如200-400HZ或400-800HZ的倍频程内并避免FFT谐波混频，应当选择工作倍频程以使其跨过电池在该频率范围内具有理想响应的足够低频率，例如0. 1-1倍DC响应。根据本发明，在这种约束下，应当选择倍频程以使其尽可能处于高频，从而最大化测量吞吐量。为了最大化测量吞吐量，可选择频率范围以使电池在调制频率下表现出衰减的响应。可在对每个电池作出测量前或在预定的服务间隔内或每当用户选择执行校准时，校准该效果。这是通过使用一个LED并测量AC电池电流输出并同时使调制频率从例如远低于衰减区的接近IOHz的近DC改变至要求的最大频率来实现的。随后将响应振幅数据相对于频率的关系用来对后继的测量结果作归一化。可使用内插法或外推法来计算最佳估算的校准因数。根据本发明的一个方面，不是接触电池并测量电流输出，而是将电容传感器保持在紧贴电池的位置，并在调制光的同时感测表面电位的相对变化。由于内建p-n结电位在光生正向偏压的作用下瓦解而形成的表面电位的变化充当量子效率的指标。因此，可执行相对量子效率测量而无需接触电池。这项技术可修改为除了本文描述的AC耦合的电容探头外，还使用开尔文探头或门罗探头。根据本发明，整个样本或样本的局部部分的样本温度在测量QE的同时斜变，以使 QE可相对于样本温度用曲线表示。在一个方面，样本保持在传统的热/冷温度卡盘上。此外，可将样本悬置或夹持在适当的材料上，并用来自灯的辐射能量加热。在另一方面，样本是通过热空气喷射器加热的。此外，可通过DUT施加反偏电流或正偏电流来加热样本，DUT 由于其内部电阻而变热。在一个方面，样本温度是使用与电池或卡盘接触的传统热电偶或热敏电阻来测量的，前述卡盘与样本紧密地热接触。在另一方面，样本温度是使用非接触微辐射计、热电堆、InSb探测器或其它热成像设备测得的。在一个变例中，电池从一个测试卡盘移动至下一测试卡盘，并且每个卡盘保持在恒定温度下。可在每个测试卡盘之上执行QE 测量，因此QE相对于温度的曲线可使用这种多工位技术快速收集。QE数据可绘制为样本温度的函数，并可推导出表述电池参数相对于温度的变化的系数。在本发明的另一方面，来自包括LED/滤光器组件的受调光源的输出可以是经AC 调制或调节的，其中DC输出可以是机器设置的一部分。在这种情形下，可调制或调整干涉滤光器的倾斜以形成发射波长的改变。DC调节能力可用来将诸LED “推至”对给定类型的太阳能电池最有用的波长。例如，使用CdS层的电池制造者可能希望调节若干LED以使它们群集在更接近CdS响应峰值的附近。根据本发明的QE测量头也可与其它QE测量头结合使用。这有益于从非常大的太阳能电池的若干区域获得QE数据，或从双结太阳能电池等的前侧和后侧获得QE数据。如果所选的调制频率和相位为每个光波长提供唯一的调制特征，则测量头可同时工作。作为替代，测量头可配置成使用重叠的频率空间，但可通过触发机制同步以使它们循序地测量电池特征。
在本发明的一个方面，QE测量可延及大数量的测量头以提供电池的空间解析光响应。也可根据需要减小波长数目，以允许设备简化并提高空间分辨率。例如，在极端情形下，可构建例如白光LED阵列的2维LED阵列。如前所述， 每个LED可在唯一频率下调制。使用折射光学系统、反射光学系统、近距离光学系统 (closeproximity)或其组合将2维LED阵列成像在样本表面上，并测量因变于时间的设备电流输出。电流或电压输出的FFT可用来确定来自每个唯一 LED的光响应，并绘制电池光响应与电池上的位置的2D映射图。这允许在一秒量级上产生完整或部分的晶片光响应映射图。该有效空间分辨率可通过将电池移动LED间距的一小部分并重复测量并随后使用LED 的已知点扩散函数对结果去卷积而得以提高。图9(a)示出具有配置成单元电池中的四种颜色(B，G，Y，R)的LED位置的示意图。 “原生”栅格在本例中为6X6。可使用导致较大完整栅格的较大原生栅格，并且较大的单元电池可包括多于四种的颜色。矩形栅格和六角形配置是理想的，但其它图案也可行。这里提供一个示例，其中LED的一维阵列可成像在电池上。光源的一维阵列可通过移动电池、光学系统或光束控制镜而跨电池地光栅化。数据获取与光束光栅化同步，由此可重构电池光响应相对于位置的2维映射图。在前述例子中，可用空间分辨率来交换光谱分辨率。例如，在一维示例中，红光和蓝光LED可以交替顺序配置红/蓝/红/蓝/……如今在两个波长下测量量子效率，其空间分辨率等于红光LED之间的间距。这个改变可通过收拢包装单元电池2、4、9等而延及2 维场合，以给予2、4、9……重复空间图案中的唯一颜色。这允许机器提取传统随波长变化的QE，同时用等于单元电池尺寸的分辨率提取空间光响应信息。在这种情形下，图9(a)中示出四种代表性的不同LED颜色(B，G，Y，R)。一种实现是针对待包装的LED，如图9 (a)所示，但如此LED和DUT之间留出的间隙使得LED的光束自然衍射，因此它们更加重叠以使空间分辨率接近“单元电池”尺寸，其中单元电池是四个LED的BGYR。图9(b)示出测量位置的示意图，例如四个位置。首先通过设置在规则节距P上的一组光源在所有位置1执行一组测量，然后在所有位置2获得第二组测量前作出(光学系统或样本的)少量移动(通常为距离P/N)。从位置1至位置N，该过程继续，在本例中N = 4。其结果是顺序地获得N组空间解析的测量以提供具有空间分辨率P/N的QE数据。在本例中，LED以大于测量位点之间距离的节距P隔开。例如，人们可仅使用白光LED，其两个维度上的间距等于LED封装件的直径的两倍。在LED阵列和DUT非常接近的情况下，在任何给定时间只有25%的DUT被照亮。在位置1作出完全测量，随后移动DUT或光源以照亮位置2以进行第二测量，随后移动DUT或光源以照亮位置3以进行第三测量，依此类推……。 这允许藉由时间复用使测量分辨率超出LED的数目。图9 (c)示出相隔距离P的LED的松散阵列以及通过使测量移动距离P/2得到测量值的示意图。这里，实线圆表示第一测量的LED的最初位置，而虚线圆表示第二测量的第二位置。附图示出可单独水平或垂直地完成平移，或一起水平或垂直地完成平移，其中全覆盖测量在P/2分辨率下达成。图10 (a)-10 (c)示出LED光束的天然衍射，因此它们更为重叠1000。因此，电池被光栅化并设置在测量头下方，可经由电刷、辊子接触或经由前述非接触式电容感测来作出连续电接触。在本发明的一个方面，抛光的束表面也可保持在DUT附近的位置，而不是通过更多光学系统将其成像到DUT上。根据本发明，所描述的装置可用来测量外部QE、反射率和透射率，通过结合这三种结果，允许确定内部量子效率QEint = QEext/(I-R-T))。在一个方面，本发明可用于调制的反射率测量，例如太阳调制的反射率是一种可用来监测沉积材料就在沉积后的能带隙的技术，这种技术经常不需要接触来执行测量。在又一方面，本发明的装置可与合适的“泵激”光束结合使用以执行可包括光反射和光透射的其它测量，其中泵激被定义为亮光或激光。其它测量包括压电反射率和压电透射率，其中泵激被定义为经由压电换能器注入设备的电力，并进一步测量包括热反射率和热透射率，其中泵激被定义为经由激光或顶源或传统加热器注入的热量。根据本发明的QE测量由于其高的测量速度可用于研究电池特性中时间解析的改变。例如，非晶硅电池在曝露于白光的情况下劣化。可在光浴化期间对性能劣化的速度和幅度作出测量。可使用(在每个波长下)绘制的QE来研究实际劣化机理，其中蓝光响应的强劣化指示该劣化接近电池表面等。在另一示例中，有机太阳能电池经常在制造之后很快表现出劣化，有时几秒内或几分钟内就会劣化。本发明的高速QE设备可用来测量初始性能以及劣化相对于时间的关系，从而对劣化机理作出量化。根据本发明的QE测量由于其高的测量速度可用于执行组合试验。例如，单个太阳能电池可通过分布在跨电池的已知位置的大量唯一表面钝化处理来制备。QE可通过本发明在这些位点中的每个位点处测得，然后比较唯一的结果以选择最佳的表面钝化处理。这可延及例如蚀刻、ARC沉积、激光退火等其它处理，这些处理均通过保存试验所需的电池数量而获益。另外，可在每次处理前后作出测量以更好地抑制电池性能中的任何跨晶片的变化。 当在一连串处理期间多次测量电池时也可使用这种类型的差值测量，以提取每种处理各自的效果。在又一示例中，本发明的QE测量设备可用来将电池分类成多个“光谱分级”。例如，一组电池在标准白光(AMI』)测试状态下产生类似的电流输出，其中一半电池具有强蓝光响应但较低的红光响应，而一半电池具有低蓝光响应但强红光响应。如果具有类似光谱响应的电池在构建过程中一起分组成模块，则总工厂输出(以千瓦时表示)将是最大的。 不作这种分级的话，模块的总输出将受限于性能最弱的电池。例如，在接近日出和日落时， 太阳光谱具有弱蓝光输出，因此模块性能在这些时候受具有弱红光响应的电池的限制。在又一方面，在QE测量期间测得的反射率曲线可用来根据颜色对电池作出分级。 这允许制造商将看上去相同的电池分组到模块中，从而提高产品的外观和视觉一致性。此外，本发明的QE测量设备可用来监测电池的能带隙。该信息可传回给适当沉积的腔室以调整控制能带隙的参数，例如MOCVD反应器中的气流、非晶硅的沉积温度、液态前体沉积系统的混合物、各层厚度等。现已根据若干示例性实施例描述了本发明，这些实施例旨在所有方面都是解说性的，而非限制性的。因此，在本发明在具体实施中可以有许多变化，这许多变化可以由本领域普通技术人员从这里所包含的描述中推导出。所有这些变化均视为落在由下面的权利要求书及其法律等效方案定义的本发明的范围和精神内。
权利要求
1.一种高速量子效率(QE)测量设备，包括a.至少一个待测设备(DUT)；b.至少一个受调光源，其中所述受调光源包括具有小于50nm带宽的至少一个滤光的 LED，所述受调光源的一部分是通过光源监测元件监测到的，所述光源监测元件包括至少一个聚集光学系统和至少一个光检测器；c.传输光学系统，所述传输光学系统将所述受调光源引向所述DUT；d.控制器，所述控制器以随时间变化的操作驱动所述受调光源，其中由每个所述DUT 对来自每个所述受调光源的响应是唯一标识的；e.至少一个反射率测量组件，其中所述反射率测量组件包括至少一个反射率聚集光学系统和至少一个光检测器，所述光检测器设置成接收从所述DUT反射的所述受调光的一部分；f.时间解析的测量设备，包括(i)电流测量设备、(ii)电压测量设备、或⑴和(ii)， 其中所述时间解析测量设备设置成解析通过每个所述受调光源在所述DUT中产生的(i)电流、( )电压或(i)和( )；以及g.充分编程的计算机，所述计算机设置成根据来自所述受调光源和所述时间解析的测量的至少一个波长的入射强度来确定和输出每个所述DUT的内部QE值。
2.如权利要求1所述的高速QE测量设备，其特征在于，所述受调光源包括设置成减小所述光源的带宽的至少一个调整光学系统。
3.如权利要求1所述的高速QE测量设备，其特征在于，来自所述充分编程的计算机的所述确定的内部QE值包括多个参数，所述参数选自电子上的电荷、来自所述DUT的所述反射光、所述受调光源被引向所述DUT的每单位时间的光子数、测得的来自所述DUT的透射光、测得的来自所述DUT的透射光和反射光、当由所述受调光源照射时由所述DUT产生的电压以及当由所述受调光源照射时由所述DUT产生的电流。
4.如权利要求3所述的高速QE测量设备，其特征在于，所述输出内部QE值包括在范围 0-1内的无量纲量。
5.如权利要求1所述的高速QE测量设备，其特征在于，还包括透射检测组件，所述透射检测组件包括至少一个透射光电二极管，其中所述透射检测组件设置成测量入射的所述受调光源透过所述DUT的部分。
6.如权利要求1所述的高速QE测量设备，其特征在于，所述随时间变化的操作包括经脉冲化的操作或经调制的操作。
7.一种高速量子效率(QE)测量设备，包括a.至少一个待测设备(DUT)；b.控制器；c.至少一个受调光源，所述受调光源包括所述控制器，所述控制器以脉冲工作方式驱动每个所述受调光源，其中来自每个所述受调光源由每个所述DUT作出的响应是唯一标识的；d.传输光学系统，所述传输光学系统将所述受调光源引向所述DUT；e.时间解析的测量设备，包括⑴电流测量设备、(ii)电压测量设备、或⑴和(ii)， 其中所述时间解析的测量设备设置成解析通过每个所述受调光源在所述DUT中产生的(i)电流、( )电压或(i)和( )；以及f.充分编程的计算机，所述计算机设置成根据来自所述受调光源和所述时间解析的测量的至少一个波长的入射强度来确定和输出每个所述DUT的QE值。
8.如权利要求7所述的高速QE测量设备，其特征在于，第一所述至少一个受调光源被脉冲式地驱动第一脉冲时长，而另一所述至少一个受调光源被脉冲式地驱动另一脉冲时长。
9.如权利要求7所述的高速QE测量设备，其特征在于，所述受调光源包括具有小于 50nm的输出带宽的至少一个受调LED。
10.如权利要求7所述的高速QE测量设备，其特征在于，还包括内部校准传感器，所述内部校准传感器包括设置成测量所述受调光源的强度的传感器。
11.如权利要求10所述的高速QE测量设备，其特征在于，所述内部校准传感器包括至少一个采样光学系统和至少一个采样光电二极管。
12.如权利要求7所述的高速QE测量设备，其特征在于，来自所述充分编程的计算机的所述确定的QE值包括多个参数，所述参数选自电子上的电荷、来自所述DUT的所述反射光、 所述受调光源引向所述DUT的每单位时间的光子数、测得的来自所述DUT的透射光、测得的来自所述DUT的透射光和反射光、当由所述受调光源照射时由所述DUT产生的电压以及当由所述受调光源照射时由所述DUT产生的电流。
13.如权利要求12所述的高速QE测量设备，其特征在于，所述输出QE值包括在范围 0-1内的无量纲量。
14.如权利要求7所述的高速QE测量设备，其特征在于，还包括透射检测组件，所述透射检测组件包括至少一个透射光电二极管，其中所述透射检测组件设置成测量入射的所述受调光源透过所述DUT的部分。
15.如权利要求7所述的高速QE测量设备，其特征在于，还包括反射检测组件，所述反射检测组件包括至少一个反射光电二极管，其中所述反射检测组件设置成测量入射的所述受调光源从所述DUT反射的部分。
16.如权利要求7所述的高速QE测量设备，其特征在于，所述脉冲的唯一时长被分配给每个所述受调的光源，其中对每个所述受调光源的DUT响应的信噪比被归一化至由其它所述波长产生的DUT响应。
17.如权利要求7所述的高速QE测量设备，其特征在于，所述脉冲的唯一时长被分配给每个唯一的所述受调光源，所述分配的脉冲将一个所述受调光源的时间平均的强度归一化至对所述DUT有用的光谱上的另一所述受调光源。
18.如权利要求7所述的高速QE测量设备，其特征在于，所述脉冲的唯一时长被分配给来自每个所述受调光源的每个波长，其中所述分配的唯一脉冲配置成优化在要求波长下的信噪比或对所述受调光源的DUT响应。
全文摘要
本发明提供一种高速量子效率(QE)测量设备，该QE测量设备包括至少一个待测设备(DUT)、具有小于50nm带宽的至少一个受调光源，其中一部分受调光源5受到监视。提供传输光学系统以将受调的光引向DUT，控制器以随时间变化的操作方式驱动受调的光源，并且至少一个反射率测量组件接收从DUT反射的一部分受调光。时间解析的测量设备包括电流测量设备和/或电压测量设备，它们配置成解析通过每个受调光源在DUT中产生的电流和/或电压，其中充分编程的计算机根据来自受调光源和时间解析测量的至少一个波长的入射强度来确定和输出每个DUT的QE值。
文档编号G01R31/26GK102341716SQ201080010616
公开日2012年2月1日 申请日期2010年3月1日 优先权日2009年3月1日
发明者D·L·克莱恩, G·S·霍纳, J·E·赫德森, J·M·施米特, L·A·瓦西里耶夫, M·A·艾鲍 申请人:拓科学股份有限公司