本实用新型属于光电器件测试技术领域，更具体地，涉及一种光电器件的光伏特性测量设备。
背景技术：
近年来，由于全球能源消耗量的不断上涨，光电器件的研究受到越来越多的人关注，其中钙钛矿太阳能电池以其低成本，高效率以及易于制备的特点被认为是具有极高的应用前景的太阳能电池。
尽管钙钛矿太阳能电池的效率已经达到了较高的水平，但对于钙钛矿太阳能电池的工作机理还存在很多争议，研究钙钛矿太阳能电池内部载流子的传输与复合过程已成为重要的研究方向之一，其中利用暂态光电压/光电流等光伏特性的测试可以直观地分析钙钛矿太阳能电池内部载流子的界面传输与复合特性，而这两个动力学过程对提高电池效率和理解钙钛矿太阳能电池的工作机理有着非常重要的意义。
通常载流子在电池内部界面的传输过程可以使用传输寿命τc来表征，τc表示载流子在电池界面上传输所需要的时间，τc越小，电池的界面传输性能越好。载流子在电池内部界面的复合过程可以使用复合寿命τe来表征，τe表示载流子在电池界面上复合所需要的时间，τe越大，电子复合越慢。此外，其他的一些相关参数比如扩散长度L，化学电容C，态密度DOS等，其中扩散长度L表示载流子在钙钛矿材料中的平均扩散距离，化学电容C表征电压变化时载流子数量的变化规律，态密度DOS表示电池能带结构与态密度之间的关系。
另外，由于钙钛矿电池并不是由一块单晶构成，其内部可能存在不均匀以及缺陷等情况，通过二维成像的方式，将所有位置的相关参数以图像的方式进行呈现，可以直观地描述电池内部可能存在的缺陷问题。
现有的用于测量光电器件的光伏特性的测试有调谐光电压/光电流谱测试和交流阻抗谱测试，这两者适用于亚毫秒级界面动力学过程的表征，无法适用于钙钛矿太阳能电池等第三代太阳能电池器件微秒级界面动力学过程的研究。不仅如此，现有的面向光电器件光伏特性的设备缺乏成像功能，无法表征顺应产业化趋势的大面积太阳能电池的内部缺陷及其性能均匀性。而从测试原理上说，目前国内外的暂态光电流/光电压衰减测试系统都是实验室自己搭建完成，都是采用光电流谱和光电压谱分别测量太阳能电池器件处于开路状态下的载流子复合寿命τ和短路状态下的载流子扩散系数D，然后通过公式L＝√(D*τ)计算载流子扩散长度L。显然，这种在同一个方程中，使用不同状态下获得的载流子有关参数来计算载流子扩散长度L的方法是不合理的。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷和改进需求，本实用新型提供了一种光电器件的光伏特性测量设备，其目的在于，测量光电器件的微秒级界面动力学过程，确保光电流谱/光电压谱的测试在器件的同一工作状态下完成，并对光电器件的电子/空穴传输寿命、复合寿命、扩散长度、电容、电荷量等动力学参数进行二维成像。
为实现上述目的，按照本实用新型的第一方面，提供了一种光电器件的光伏特性测量设备，包括：平衡光源、脉冲激光器、转盘、耦合单元、电池测试底座、三维平移台、数字源表以及高速数字示波器；平衡光源用于提供稳定的平衡光，使电池样本工作在预定的激发状态；脉冲激光器用于提供瞬时的激发光，使得电池样本内部的载流子数量在短时间内迅速提高，从而形成电流和电压的扰动信号；平衡光源的照射方向与脉冲激光器的照射方向相互垂直；耦合单元设置于平衡光源发出的平衡光与脉冲激光器发出的激发光的交汇处，平衡光与激发光经过耦合单元后，被耦合至一束平行光束中；转盘垂直于脉冲激光器的照射方向设置，且其上设置有小孔和扩束镜，用于调节激发光的光斑大小；电池测试底座固定于三维平移台上，且其内设置有接触探针及测试电路，用于固定电池样本并导出电压及电流信号；三维平移台用于带动电池样本移动，以实现对电池样本的二维多点测量；数字源表和高速数字示波器分别通过信号线与电池测试底座相连；数字源表用于测量电池样本在稳态条件下的电压及电流信号，并在测量电压及电流衰减信号时施加对应的偏置电压或电流以过滤直流信号；高速数字示波器用于测量电池样本对激发光的电压衰减信号及电流衰减信号；高速数字示波器还通过同步触发信号线与脉冲激光器相连，以获取用于控制信号采集过程的同步触发信号；
工作时，通过平衡光源提供指定测试光强的平衡光，垂直照射电池样本表面以测量电池样本的稳态电压信号及电流信号；然后维持平衡光源不变，通过数字源表施加对应的偏置电压或电流以过滤直流信号，同时通过脉冲激光器提供激发光，以测量电池样本产生的电压衰减信号及电流衰减信号。
进一步地，本实用新型所提供的光伏器件的光伏特性测量设备，具有两种测量模式：多光强测量模式和二维扫描模式；在多光强测量模式下，激发光经过转盘上的扩束镜得到二维扩大，最终形成的光斑覆盖整个电池样本表面；在二维扫描模式下，激发光经过转盘上的小孔的限制，形成的光斑只照亮电池样本表面的一点，并通过三维平移台移动电池样本实现二维多点测量。
进一步地，平衡光源为LED灯组，以实现平衡光源的快速开关，避免对测试过程产生干扰；优选地，LED灯组安装在凹球形表面上，以实现聚光效果。
进一步地，脉冲激光器照射到电池表面的辐照度低于平衡光源照射到电池表面辐照度的10％，以避免过强的激发光照对电池本身的工作状态产生影响。
按照本实用新型的第二方面，提供了一种包括本实用新型第一方面所提供的光电器件的光伏特性测量设备的成像系统，包括与平衡光源、脉冲激光器、数字源表以及高速数字示波器分别相连的计算单元；计算单元控制各组件的协调运作，并接收电池样本的开路电压Voc、短路电流Isc、电压衰减信号以及电流衰减信号，并根据接收到的信号计算包括空穴复合寿命τn1、电子复合寿命τn2、空穴传输寿命τtr1、电子传输寿命τtr2、空穴扩散长度L1、电子扩散长度L2以及化学电容C(Voc)在内的动力学参数；计算单元通过控制测量设备工作在多光强测量模式得到各动力学参数随开路电压的变化特性；计算单元通过控制测量设备工作在二维扫描模式对电池样本进行二维成像，得到各动力学参数在电池样本不同位置处的分布特性。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本实用新型所提供的光电器件的光伏特性测量设备，将脉冲激光器作为激发光源产生扰动信号，并通过高速数字示波器采集电压衰减信号及电流衰减信号，提高了时间精度，并可应用于多种光电器件的光伏特性测量；
(2)本实用新型所提供的光电器件的光伏特性测量设备，在测量电压及电流衰减信号时通过数字源表施加对应的偏置电压或电流以过滤直流信号，能够保证对光电流谱/光电压谱的测量在器件的同一工作状态下完成；
(3)本实用新型所提供的光电器件的光伏特性测量设备，通过设置有小孔和扩束镜的转盘调节激发光的光斑大小，并结合三维平移台对电池样本的移动，能够实现两种测量模式：多光强测量模式和二维扫描模式；
(4)本实用新型所提供的光电器件的光伏特性成像系统，通过对电池进行二维成像，能够直观、清晰地描述电池整体的均匀性和缺陷态分布，对电池工作细节的进一步研究有重要意义。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的光电器件的光伏特性成像系统；
图2为数字源表、高速数字示波器分别与电池测试底座相连之后组成的测试电路示意图；
图3为不同平衡光照强度下的暂态光电压衰减曲线和暂态光电流衰减曲线；(a)为不同平衡光照强度下的暂态光电压衰减曲线；(b)为不同平衡光照强度下的暂态光电流衰减曲线；
图4为电池的载流子复合寿命和载流子传输寿命随开路电压的变化； (a)为载流子复合寿命随开路电压的变化；(b)为载流子传输寿命随开路电压的变化；
图5为电池电容和总电荷量随开路电压的变化；
图6为电池的电子扩散系数和空穴扩散系数随开路电压的变化；
图7为电池的电子扩散长度和空穴扩散长度随开路电压的变化；
图8为电池不同位置处电子复合寿命的二维成像；
图9为电池不同位置处电子传输寿命的二维成像；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为光源组件，2为样本放置组件，3为信号测量组件，4为计算单元， 11为平衡光源，12为脉冲激光器，13为转盘，14为耦合单元，21为电池测试底座，22为三维平移台，31为数字源表，32为高速数字示波器。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本实用新型所提供的光伏器件的光伏特性测量设备包括：平衡光源1、脉冲激光器2、转盘3、耦合单元4、电池测试底座5、三维平移台6、数字源表7以及高速数字示波器8；平衡光源1用于提供稳定的平衡光，使电池样本工作在预定的激发状态；脉冲激光器2用于提供瞬时的激发光，使得电池样本内部的载流子数量在短时间内迅速提高，从而形成电流和电压的扰动信号；平衡光源1的照射方向与脉冲激光器2的照射方向相互垂直；耦合单元4设置于平衡光源发出的平衡光与脉冲激光器发出的激发光的交汇处，平衡光与激发光经过耦合单元后，被耦合至一束平行光束中；转盘3垂直于脉冲激光器的照射方向设置，且其上设置有小孔和扩束镜，用于调节激发光的光斑大小；在本实施例中，平衡光源1为LED 灯组，以实现平衡光源的快速开关，避免对测试过程产生干扰；并且，LED 灯组安装在凹球形表面上，以实现聚光效果；脉冲激光器2照射到电池表面的辐照度低于平衡光源1照射到电池表面辐照度的10％，以避免过强的激发光照对电池本身的工作状态产生影响；电池测试底座5固定于三维平移台6上，且其内设置有接触探针及测试电路，用于固定电池样本并导出电压及电流信号；三维平移台6用于带动电池样本移动，以实现对电池样本的二维多点测量；在本实施例中，三维平移台6的单脉冲移动距离小于 10μm，以保证二维多点测量时，分辨率至少为100μm/点；数字源表7和高速数字示波器8分别通过信号线与电池测试底座相连，数字源表7、高速数字示波器8分别与电池测试底座5相连所组成的测试电路如图2所示；数字源表7用于测量电池样本在稳态条件下的电压及电流信号，并在测量电压及电流衰减信号时施加对应的偏置电压或电流以过滤直流信号；高速数字示波器8用于测量电池样本对激发光的电压衰减信号及电流衰减信号；高速数字示波器8还通过同步触发信号线与脉冲激光器2相连，以获取用于控制信号采集过程的同步触发信号；由于电池的暂态电压/电流衰减信号的寿命为百纳秒级到微秒级，因此脉冲激光器2的脉宽设定在20ns以下，且高速数字示波器8的采样速率设定为1ns/点，以保证测试精度；
工作时，通过平衡光源1提供指定测试光强的平衡光，垂直照射电池样本表面以测量电池样本的稳态电压信号及电流信号；然后维持平衡光源1 不变，通过数字源表7施加对应的偏置电压或电流以过滤直流信号，同时通过脉冲激光器2提供激发光，以测量电池样本产生的电压衰减信号及电流衰减信号。
本实用新型所提供的光伏器件的光伏特性测量设备，具有两种测量模式：多光强测量模式和二维扫描模式；在多光强测量模式下，激发光经过转盘3上的扩束镜得到二维扩大，最终形成的光斑覆盖整个电池样本表面；在二维扫描模式下，激发光经过转盘3上的小孔的限制，形成的光斑只照亮电池样本表面的一点，并通过三维平移台6移动电池样本实现二维多点测量。
基于图1所示的光电器件的光伏特性测量设备，通过光强标定，可设置平衡光源1的光强为指定的测试光强X0，测量此光强下电池样本的开路电压Voc或者短路电流Isc，并测量由于脉冲激光器1的激发光导致的电压衰减信号或者电流衰减信号，可得到电池样本的暂态光电压衰减曲线V(t)，或者暂态光电流衰减曲线I(t)；根据本实用新型实施例所提供的光伏器件的光伏特性测量设备测量得到的开路电压Voc、短路电流Isc、暂态光电压衰减曲线V(t)，和暂态光电流衰减曲线I(t)，可以计算得到空穴复合寿命τn1、电子复合寿命τn2、空穴传输寿命τtr1、电子传输寿命τtr2、空穴扩散长度L1、电子扩散长度L2以及化学电容C(Voc)在等其他动力学参数。更改平衡光源的测试光强X0的取值，得到不同平衡光强下的暂态光电压衰减曲线如图3(a) 所示，不同平衡光强下的暂态光电流衰减曲线如图3(b)所示。
如图1所示，本实用新型提供的光电器件的光伏特性成像系统，包括光电器件的光伏特性测试设备，还包括与平衡光源1、脉冲激光器2、数字源表7以及高速数字示波器8分别相连的计算单元9；计算单元9控制各组件的协调运作，并接收电池样本的开路电压Voc、短路电流Isc、电压衰减信号以及电流衰减信号，并根据接收到的信号计算包括空穴复合寿命τn1、电子复合寿命τn2、空穴传输寿命τtr1、电子传输寿命τtr2、空穴扩散长度L1、电子扩散长度L2以及化学电容C(Voc)在内的动力学参数；计算单元9通过控制测量设备工作在多光强测量模式得到各动力学参数随开路电压的变化特性；计算单元9通过控制测量设备工作在二维扫描模式对电池样本进行二维成像，得到各动力学参数在电池样本不同位置处的分布特性。
通过图1所示的光电器件的光伏特性成像系统，得到电池载流子复合寿命和载流子传输寿命随开路电压的变化分别如图4(a)和图4(b)所示，电池电容和总电荷量随开路电压的变化如图5所示，电池的电子扩散系数和空穴扩散系数随开路电压的变化如图6所示，电池的电子扩散长度和空穴扩散长度随开路电压的变化如图7所示。
通过图1所示的光电器件的光伏特性成像系统，得到电池不同位置处电子复合寿命的二维成像如图8所示，电池不同位置处电子传输寿命的二维成像如图9所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。