太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统的利记博彩app
【专利摘要】本实用新型公开了一种太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统，包括测试光产生组件、测试模块和控制器；测试光产生组件包括光源、多个开关、开关控制器、扰动光电源和平衡光电源，光源包括聚光面、平衡光源和至少一组扰动光源，开关与平衡光源和扰动光源一一对应，扰动光电源通过扰动光源对应的开关与扰动光源连接，平衡光电源通过平衡光源对应的开关与平衡光源连接，开关控制器通过平衡光源和扰动光源各自对应的开关与平衡光源和扰动光源连接。该测量系统提高了测量的效率和准确性，可以测试不同辐照强度下的表征参数，提高了不同场合下的适用性，且自动化程度高，操作简单。
【专利说明】太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光电测试【技术领域】，更具体地，涉及一种太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统。
【背景技术】
[0002]太阳能作为清洁的可再生能源，是解决能源问题、满足未来人类能源需求的最佳途径之一。以染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell, DSSC)为代表的新一代太阳能电池具有制作工艺相对简单，制备成本低，设备投资少，使用寿命长，性能稳定，以及在生产、制作和使用过程中没有污染和毒害作用等优点，非常有希望替代硅基太阳能电池。
[0003]在DSSC中，敏化剂吸收光子产生电子空穴对，在TiO2纳米晶/敏化剂界面进行分离，电子由染料注入半导体导带，并由其收集、传输到外电路，完成电流回路。发生在染料敏化纳米晶异质结界面的电荷传递过程及其电荷在纳米半导体材料中的传输过程特性直接决定了器件的性能。因此，研究和表征这两个动力学过程对提高DSSC等电池的光电转换效率具有实际意义。
[0004]现有技术中，针对这些光电转换及电荷传输特性参数进行测量的方式主要为准平衡态测试法。所谓准平衡态测试法，首先需要在研究对象内部建立准平衡态(通过外加恒定的偏置电压或偏置光照)，然后给研究对象施加一个微小扰动调制信号(光学或电气)，并采用相关仪器测量研究对象由该微小扰动调制信号引起的(光)电响应(如光电压或光电流)。根据这种测试原理，现有技术中包括强度可调光电流/电压谱仪技术(MPS/MVS)、以及电化学阻抗谱(EIS)技术等。然而，这些测量方式分别存在以下的不足或缺陷。例如，德国Zahner公司基于MPS/MVS技术研制的控强度光电测试系统功能齐全，但是软件的操作和数据的处理均需要较强的电化学专业知识，操作复杂而且对操作人员要求很高。而EIS测量技术主要研究电极及其表面特性，不能够很好地研究染料光电转换及半导体纳米晶间电荷传输等特性，适用性不足且测量手段单一，运算过程非常复杂，不能够执行数据自动化运算及处理。
实用新型内容
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统，便于根据需求调整平衡光源和扰动光源，对光源的控制能在短时间内完成，提高了测量的效率和准确性，可以测试不同辐照强度下的表征参数，提高了不同场合下的适用性，且自动化程度高，操作简单。
[0006]为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统，其特征在于，包括:测试光产生组件、测试模块和控制器；所述测试光产生组件包括光源、多个开关、开关控制器、扰动光电源和平衡光电源，所述光源包括聚光面、平衡光源和至少一组扰动光源，所述开关与平衡光源和扰动光源一一对应，所述扰动光电源通过扰动光源对应的开关与扰动光源连接，所述平衡光电源通过平衡光源对应的开关与平衡光源连接，所述开关控制器通过平衡光源和扰动光源各自对应的开关与平衡光源和扰动光源连接；所述测试模块包括数控平台、选择器、偏置电路和测试电路，所述数控平台用于放置样品电池和标定电池，通过移动所述数控平台，能分别使样品电池和标定电池位于所述测试光产生组件的输出光路中心，所述偏置电路和所述测试电路并联；所述控制器分别连接所述开关控制器、所述扰动光电源、所述平衡光电源、所述偏置电路和所述测试电路。
[0007]优选地，所述平衡光源由一组白色LED构成，位于所述聚光面的中心，所述扰动光源为一组，沿所述聚光面的周向均匀排列。
[0008]优选地，所述平衡光源由一组白色LED构成，位于所述聚光面的中心，所述扰动光源为多组，各组扰动光源沿所述聚光面的周向交叉均匀排列。
[0009]优选地，所述测试模块还包括温控电路，所述控制器连接所述温控电路。
[0010]优选地，所述开关均采用NMOS管。
[0011]优选地，所述开关控制器采用80c51单片机，输入采用RS232串行通信端口，输出采用单片机并行I/o 口，分别与平衡光源和扰动光源各自对应的开关的控制端连接。
[0012]优选地，所述偏置电路和所述测试电路由双通道电源电表构成。
[0013]总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果:
[0014]( I)在测试光产生组件中设置开关实现对光源的控制，并通过与控制器相连的开关控制器控制开关快速动作，一方面便于根据需求调整平衡光源和扰动光源，另一方面能够保证对光源的控制能在符合要求的极短时间内完成，从而提高了测量的效率和准确性。
[0015]( 2 )采用与控制器通信连接的可编程光电源为平衡光源和扰动光源供电，便于根据需求调整光电源的输出电流或电压，从而改变光源的辐照度。因此，该测量系统既可以测试某一辐照强度下的参数，也可以测试不同辐照强度下的表征参数，提高了不同场合下的适用性。
[0016](3)采用温控电路实时精确测量样品电池温度，可根据测试要求对样品电池温度进行调控，通过温控装置提供的温度数据可用于进一步研究温度对相关特性参数的影响。
[0017](4)通过控制器完成数据通信、控制和计算等操作，数据处理自动化程度高，操作简单，极大地提高了测量效率，降低了测量误差，明显减少了测量人员的工作量。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型实施例的太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统的结构不意图；
[0019]图2是本实用新型实施例的平衡光源和扰动光源分布示意图；
[0020]图3是用本发明实施例的测量系统测得的样品电池在100%辐照度下的瞬态光电压衰减曲线；
[0021]图4是用本发明实施例的测量系统测得的样品电池在100%辐照度下的瞬态光电流衰减曲线；
[0022]图5是用本发明实施例的测量系统测得的样品电池在不同辐照度下的电荷传输寿命曲线；[0023]图6是用本发明实施例的测量系统测得的样品电池在不同辐照度下的电荷复合寿命曲线；
[0024]图7是用本发明实施例的测量系统测得的样品电池在不同辐照度下的电容曲线；
[0025]图8是用本发明实施例的测量系统测得的样品电池的扩散系数-开路电压关系曲线.[0026]图9是用本发明实施例的测量系统测得的样品电池的扩散长度-开路电压关系曲线.[0027]图10是用本发明实施例的测量系统测得的样品电池的表面态密度-开路电压关系曲线；
[0028]图11是用本发明实施例的测量系统测得的样品电池的电子浓度-开路电压关系曲线。
[0029]在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1_测试光产生组件,2-测试模块,3-控制器,4-散热器,5-光源,6-开关,7-开关控制器,8-扰动光电源，9_平衡光电源，10-样品电池，11-标定电池，12-基座，13-数控平台，14-选择器，15-偏置电路，16-测试电路，17-温控电路，18-白色LED, 19-红色LED, 20-黄色LED, 21-蓝色LED。
【具体实施方式】
[0030]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。
[0031]如图1所示，本实用新型的太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统包括测试光产生组件1、测试模块2和控制器3。其中，测试光产生组件I包括散热器4、光源
5、多个开关6、开关控制器7、扰动光电源8和平衡光电源9。其中，光源5包括聚光面、平衡光源和至少一组扰动光源。
[0032]为了保证数据拟合和处理的准确性，扰动光电源8与平衡光电源9相互独立，扰动光电源8通过与扰动光源一一对应的开关6与扰动光源连接，平衡光电源9通过与平衡光源对应的开关6与平衡光源连接。光源5包括多组扰动光源时，由于各组扰动光源的功能一致，扰动光电源8可以由一个直流电压源构成，为各组扰动光源统一供电，也可以由多个直流电压源构成，分别通过与扰动光源一一对应的开关6与扰动光源连接，独立地为各组扰动光源供电。平衡光电源9采用直流电压源，为平衡光源供电。平衡光源和扰动光源的辐照强度分别与平衡光电源9和扰动光电源8提供的电流关系已知。开关控制器7通过与平衡光源和扰动光源各自对应的开关6与平衡光源和扰动光源连接。
[0033]如图2所示，平衡光源由一组白色LED18构成，位于聚光面的中心，三组扰动光源分别由一组红色LED19、一组黄色LED20和一组蓝色LED21构成，红色LED19、黄色LED20和蓝色LED21沿聚光面周向交叉均匀排列，三组扰动光源的光斑中心重合。
[0034]测试光产生组件I用于为待测量的电池提供光辐射并建立准平衡态及扰动态。其中，平衡光源用于为电池提供稳定的入射光辐照，从而在电池内部建立准平衡态，扰动光源用于为电池提供脉冲光辐射，从而对电池内部建立的准平衡态进行干扰。考虑到电池对不同光的敏感程度不同，可以根据需要选用不同颜色的扰动光源。扰动光源的最大辐照度小于平衡光源最大辐照度的10%，且响应时间少于10微秒。
[0035]测试模块2包括两个基座12、数控平台13、选择器14、偏置电路15和测试电路16。两个基座12安装在数控平台13上，分别用于放置样品电池10和标定电池11，通过移动数控平台13，能分别使样品电池10和标定电池11位于测试光产生组件I的输出光路中心。偏置电路15和测试电路16并联，选择器14用于使偏执电路15和测试电路16分别与样品电池10或标定电池11并联。
[0036]测试模块2用于对扰动后的电池状态进行测量，从而在阶跃光诱导光电压和光电流瞬态衰减原理的基础上获得反映样品电池10光电转换及电荷传输特性的多项表征参数。
[0037]测试模块2还包括温控电路17，温控电路17用于实时精确测量样品电池10的温度，还用于根据测试要求对样品电池的温度进行调控。
[0038]控制器3分别连接开关控制器7、扰动光电源8、平衡光电源9、偏置电路15、测试电路16和温控电路17。控制器3用于通过开关控制器7控制各扰动光源和平衡光源对应的开关6,实现不同的测试光输出；还用于控制扰动光电源8和平衡光电源9的输出电压，从而控制扰动光源和平衡光源的辐照度；还用于控制偏置电路15和测试电路16对样品电池10进行测试；还用于控制温控电路17测量和调控样品电池10的温度；还用于对测试模块2测得的反映样品电池10光电转换及电荷传输特性的多项表征参数进行计算处理，从而得到包括电荷传输寿命、电子复合寿命、电子扩散系数、扩散长度、化学电容和表面态密度在内的一系列光电转换及电荷传输特性参数。
[0039]由于样品电池10中电子的传输和复合过程均在微秒量级甚至于纳秒量级时间内完成，为了保证测试的准确度，要求测试光产生组件I的响应时间在微秒量级及以下。优选地，开关6采用NMOS管，其开关速度为100ns。当开关6的控制端为高电平时，开关6导通；当开关6的控制端为低电平时，开关6断开。
[0040]开关控制器7采用80c51单片机，输入采用RS232串行通信端口，输出采用单片机并行I/o 口，分别与平衡光源和扰动光源各自对应的开关6的控制端连接，每个输入输出口初始均为低电平。开关控制器7在控制器3的控制下输出高电平与低电平分别控制开关6导通及断开，从而实现不同的测试光输出。
[0041]由于样品电池的响应时间很短，偏置电路15和测试电路16均需要较高的响应速度和测试精度，同时为了保证偏置和测试能够同步，因此可以采用双通道电源电表，一个通道作为偏置电路15，另一个通道为测试电路16。
[0042]下面详细说明用本实用新型的测量系统测量太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数的方法，具体包括如下步骤:
[0043](I)初始化:初始化电路，释放电路累计电荷。设定光源5的平衡光源(由一组白色LED18构成)的辐照强度(例如I个太阳强度)，扰动光源的组成(例如由一组红色LED19构成)、强度(例如0.01个太阳强度)和脉冲宽度(例如80ms)。
[0044](2)标定:平衡光源开，移动数控平台13，使标定电池11位于测试光产生组件I的输出光路中心，接受白色LED灯组照射。偏置电路15和测试电路16在控制器3的控制下，测试标定电池11在此状态下的短路电流信号。随后，平衡光源关，扰动光源开，标定电池接受扰动光源的照射，偏置电路15和测试电路16在控制器3的控制下，测试标定电池11在此状态下的短路电流信号。控制器3根据测得的短路电流计算得到平衡光源和扰动光源的实际辐照强度并完成标定。
[0045](3)测试一:平衡光源开，移动数控平台13，使样品电池10位于测试光产生组件I的输出光路中心，测试电路16测试样品电池10的开路电压V。。，待样品电池达到稳定状态后，扰动光源开，输出脉冲光照射样品电池10，待样品电池10再次达到稳定状态后结束测试，并将所获得的开路电压V。。及对应的时间tv传输给控制器3。
[0046](4)测试二:平衡光源开，样品电池10达到稳定状态后，测试样品电池10在此状态下的短路电流Iscl，偏置电路15给样品电池10加载反向偏置电流(该反向偏流根据所测得的短路电流Isc;1乘以一定系数)，扰动光源开，输出脉冲光照射电池，同时测试电路16测试样品电池10在偏流状态下的短路电流Isca，待样品电池再次达到稳定状态后结束测试，并将所获得的短路电流U1及对应的时间tn传输给控制器3。
[0047](5)测试三:平衡光源开，样品电池10达到稳定状态后，关闭平衡光源，同时测试电路16测试样品电池10的短路电流，并将所获得的短路电流Isc;2及对应的时间tI2传输给控制器3。
[0048](6)数据计算处理:控制器3根据测试一中接收的开路电压V。。及对应的时间tv，对图3所示的V。。在脉冲光关闭后的电压-时间衰减曲线进行拟合，拟合公式为:
[0049]
【权利要求】
1.一种太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统，其特征在于，包括:测试光产生组件、测试模块和控制器； 所述测试光产生组件包括光源、多个开关、开关控制器、扰动光电源和平衡光电源，所述光源包括聚光面、平衡光源和至少一组扰动光源，所述开关与平衡光源和扰动光源一一对应，所述扰动光电源通过扰动光源对应的开关与扰动光源连接，所述平衡光电源通过平衡光源对应的开关与平衡光源连接，所述开关控制器通过平衡光源和扰动光源各自对应的开关与平衡光源和扰动光源连接； 所述测试模块包括数控平台、选择器、偏置电路和测试电路，所述数控平台用于放置样品电池和标定电池，通过移动所述数控平台，能分别使样品电池和标定电池位于所述测试光产生组件的输出光路中心，所述偏置电路和所述测试电路并联； 所述控制器分别连接所述开关控制器、所述扰动光电源、所述平衡光电源、所述偏置电路和所述测试电路。
2.如权利要求1所述的太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统，其特征在于，所述平衡光源由一组白色LED构成，位于所述聚光面的中心，所述扰动光源为一组，沿所述聚光面的周向均匀排列。
3.如权利要求1所述的太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统，其特征在于，所述平衡光源由一组白色LED构成，位于所述聚光面的中心，所述扰动光源为多组，各组扰动光源沿所述聚光面的周向交叉均匀排列。
4.如权利要求1至3中任一项所述的太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统，其特征在于，所述测试模块还包括温控电路，所述控制器连接所述温控电路。
5.如权利要求1所述的太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统，其特征在于，所述开关均采用NMOS管。
6.如权利要求5所述的太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统，其特征在于，所述开关控制器采用80c51单片机，输入采用RS232串行通信端口，输出采用单片机并行I/O 口，分别与平衡光源和扰动光源各自对应的开关的控制端连接。
7.如权利要求1所述的太阳能电池光电转换及电荷传输特性参数测量系统，其特征在于，所述偏置电路和所述测试电路由双通道电源电表构成。
【文档编号】H02S50/10GK203590153SQ201320808563
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月10日 优先权日:2013年12月10日
【发明者】王鸣魁, 袁怀亮, 徐晓宝 申请人:华中科技大学