一种应用于光电器件的载流子动力学测试方法及系统

本发明属于半导体器件检测，更具体地，涉及一种应用于光电器件的载流子动力学测试方法及系统。

背景技术：

1、太阳能发电是当今发展最迅速的清洁能源开发形式，并且也是未来能源结构的主流。太阳能电池转化太阳能的过程可以大致分为光吸收、电荷产生、电荷传输、电荷收集四个步骤。太阳能电池中参与导电的粒子是载流子，因此载流子的动力学特性如迁移率、寿命可以直接影响电荷传输过程，从而影响太阳能电池的能量转化。由不同材料制成的太阳能电池，其最大的差异也在于电荷传输过程。所以，研究光电器件中的载流子动力学，对于我们理解太阳能电池的能量转化机理、优化太阳能电池的能量转化效率具有重要意义。

2、对于半导体材料，目前已经发展出许多成熟的载流子动力学测试方法，如霍尔效应法(hall effect)、飞行时间法(tof)、空间电荷限制电流法(sclc)、光电导衰减法(pcd)、时间分辨光致发光法(trpl)、时间分辨微波光电导法(trmc)等。但是其中大多数方法无法应用于半导体器件上，各种不同的材料组成器件后，由于不同物质之间的相互作用和杂质的存在，器件的载流子动力学特性可能有别于本征半导体材料，因此有必要开发出适用于光电器件的测试技术。目前适用于光电器件的载流子动力学测试方法有光电导衰减法、时间分辨光致发光法、阻抗谱法(is)等。其中光电导衰减法与时间分辨光致发光法只能测试载流子寿命，无法测试载流子迁移率，并且光致发光现象只在直接带隙半导体中才较为显著，而光电器件最常用的材料晶体硅是间接带隙半导体；阻抗谱法可以同时确定光电器件的载流子迁移率与寿命，然而由于其施加的激励信号为电信号，电信号直接传导在整个电极区域内，无法实现空间扫描。特别是如今新型有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等正处于发展阶段，不成熟的制备工艺可能导致器件不同区域的载流子动力学特性表现出空间异质性，所以有必要提出一种适用于光电器件的具有空间分辨能力的载流子动力学测试技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种应用于光电器件的载流子动力学测试方法及系统，实现对处于功率输出状态的光电器件进行具有空间分辨率的载流子动力学测试，获取光电器件不同区域的载流子迁移率与载流子寿命信息。

2、本发明提供一种应用于光电器件的载流子动力学测试方法，包括以下步骤：

3、步骤1、将锁相放大器的参考输出信号作为激发光光源的调制驱动信号，利用校准设备对所述激发光光源的光强进行测量；通过调整所述锁相放大器的参考输出信号，使所述激发光光源的光强中的正弦分量的幅值小于稳态分量的10％；

4、步骤2、将光电器件与负载电阻并联形成回路，同时打开背景光光源以提供稳态偏置的背景光并照射所述光电器件，以填充所述光电器件的缺陷态，模拟所述光电器件的正常运行情况；使所述激发光光源发出的激发光光束聚焦在所述光电器件表面，利用图像单元获得显微摄影图像；将所述锁相放大器与所述回路连接，以进行强度调制光电流/光电压测试；

5、步骤3、选定扫描区域，选取当前轮次下所述锁相放大器的参考频率；基于设定的步长对所述光电器件进行该轮次的扫描，得到光强度调制测试信息和反射光强度信息；所述光强度调制测试信息为所述光电器件的光电流/光电压正弦分量的幅值与相位的二维扫描图像；

6、步骤4、选取一系列的所述锁相放大器的参考频率，在每一个选取的参考频率下均重复执行一次步骤3；完成全部轮次的扫描后，得到所述光电器件表面的强度调制光电流/光电压二维扫描频谱图像；

7、步骤5、基于所述光电器件表面的强度调制光电流/光电压二维扫描频谱图像，得到所述光电器件的载流子动力学信息。

8、优选的，所述步骤1中，所述正弦分量的调制频率对应所述锁相放大器的参考频率。

9、优选的，所述步骤1中，所述校准设备包括光电探测器以及与所述光电探测器连接的源测量单元；所述光电探测器水平固定在位移装置上，所述激发光光源发出的激发光光束照射在所述光电探测器的活性区域内。

10、优选的，所述步骤2中，所述图像单元包括物镜、分束镜、平凸透镜和相机；所述光电器件表面的反射光依次经过所述物镜、所述分束镜、所述平凸透镜后在所述相机的图像传感器上成像。

11、优选的，所述步骤2中，所述背景光光源能够根据测试要求提供不同强度的稳态偏置光强，所述负载电阻的阻值能够根据测试要求进行调节。

12、优选的，所述步骤3中，利用所述图像单元得到所述反射光强度信息，所述反射光强度信息为所述光电器件表面反射光强度的二维扫描图像。

13、优选的，将所述光电器件水平固定在位移装置上，所述光电器件表面与所述激发光光束垂直；基于所述光电器件表面反射光强度的二维扫描图像判断所述光电器件的放置是否存在倾斜；通过在z轴方向调节所述位移装置，将所述光电器件表面调整至所述激发光光束的聚焦处；所述位移装置的扫描步长精度不低于所述激发光光束的衍射半径。

14、优选的，所述步骤4中，选取的一系列的所述锁相放大器的参考频率覆盖0～5mhz的低、中、高频段。

15、优选的，所述步骤5中，得到的所述光电器件的载流子动力学信息包括载流子迁移率二维图像和载流子寿命二维图像。

16、另一方面，本发明提供一种应用于光电器件的载流子动力学测试系统，包括：

17、背景光光源，用于提供稳态偏置的背景光并照射光电器件；

18、激发光光源，用于发出稳态分量与正弦分量叠加的激发光光束；

19、校准设备，用于对激发光光源的光强进行测量校准；

20、负载电阻，用于与所述光电器件并联形成回路；

21、图像单元，用于获得显微摄影图像和反射光强度信息；

22、位移装置，用于承载光电器件以进行空间扫描；

23、锁相放大器，用于调制激发光光源的光强，用于与所述回路连接以进行强度调制光电流/光电压测试，以及用于将所述光电器件输出的电流/电压信号传递至计算机；

24、计算机，用于控制所述锁相放大器、所述图像单元和所述位移装置，得到光强度调制测试信息、光电器件表面的强度调制光电流/光电压二维扫描频谱图像、光电器件的载流子动力学信息；

25、所述应用于光电器件的载流子动力学测试系统用于执行上述的应用于光电器件的载流子动力学测试方法中的步骤。

26、本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

27、(1)本发明将锁相放大器的参考输出信号作为激发光光源的调制驱动信号，并将校准后的激发光光束聚焦于光电器件表面；将光电器件与负载电阻并联形成回路，同时打开背景光光源以提供稳态偏置的背景光并照射光电器件，以填充光电器件的缺陷态，模拟光电器件的正常运行情况；选定扫描区域，令位移装置逐点扫描，利用锁相放大器的电流或电压输入端口检测光电器件电信号的幅值与相位信息，得到强度调制光电流/光电压二维扫描图像，从而计算得到光电器件的载流子动力学信息。该测试技术能获取处于工作状态下(即正常运行时)的光电器件的载流子迁移率与寿命信息，同时具有空间分辨能力。

28、(2)由于本发明采用频域测试方法，抗噪声能力强，较稳态测试技术与时域测试技术具有更高的测试精度。

29、(3)本发明中激发光光源的光强调制方法是通过直接调制光源的驱动信号从而调制光源发出的光强，相比于使用光学斩波器进行调制的最高调制频率20khz，本发明采用的调制方法可以将光强波形调制到100mhz以上，可覆盖的频率范围更广。

30、(4)本发明使用光信号作为激励信号，激发光光束可以被聚焦至衍射极限，从而实现具有高空间分辨率的空间扫描。

31、(5)本发明通过改变背景光偏置光强与负载电阻阻值可以改变光电器件的工作点，使测试条件更加灵活多变。

32、(6)本发明利用图像单元对光电器件进行显微摄影，同时在扫描时作为光电探测器获得光电器件的反射光强度图像，便于与其它扫描图像对照查看；此外还可以借助光学系统的高灵敏度，从反射光图像判断光电器件的放置是否存在微小倾斜。

33、(7)本发明使用位移装置进行空间扫描，使扫描过程中激发光光束始终垂直入射光电器件；相比于使用振镜进行空间扫描的方式，本发明避免了斜入射造成的误差，具有更高的准确性。