光伏太阳能电池瞬态光电压全自动测试系统及测试方法与流程

本发明是关于一种光伏太阳能电池瞬态光电压全自动测试系统及测试方法，属于光伏半导体技术领域。

背景技术：

人类社会的发展与进步离不开能源的不断消耗，随着历史发展进程的逐渐加快，人们对于能源的需求与日俱增，对化石能源粗犷型的利用模式，不仅能源利用率低还会造成严重的环境污染，迫使当前的人们必须尽快寻找清洁、友好并且可持续的新能源，能够通过光伏效应直接将太阳能转化为电能的光伏太阳能电池，成为了最富有希望的新能源之一。目前，太阳能电池历经几代革新，从硅半导体太阳能电池到薄膜太阳能电池，再到新一代有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池。近年来异军突起的钙钛矿太阳能电池更是发展迅猛，光电转换效率快速突破20％大关，不断提升光伏太阳能电池的光电转化性能是光伏领域科研人员亘古不变的任务，也是光伏领域永恒的主题。

在将目光聚焦在技术与工艺的同时，深刻了解光伏太阳能电池光电转化机制，特别是造成能量损失的光生载流子复合机制将是重要的课题，是进一步提高光伏太阳能电池的理论基础。光伏太阳能电池在光照辐照情况下，将价带内电子激发至导带，完成从太阳能至电化学势能的转化并储存下来，所储存的能量以电子为载体被输运至外电路对外做功，完成太阳能的转化与利用。在这一过程中，光伏器件内部的缺陷态属性(包括缺陷态密度、缺陷态分布等)显著影响着载流子的输运、收集和复合过程，因此，对于光伏电池缺陷态属性以及载流子复合过程的检测和分析，对认识光伏器件光电转换过程具有重要科学意义。

当前，研究光伏太阳能电池缺陷态属性以及载流子复合过程已发展的方法有强度调制光电流和光电压谱、电化学阻抗谱以及时间分辨光电流和光电压谱，其中，强度调制光电流和光电压谱以及电化学阻抗谱均属于频域测量方法，要求技术人员具有扎实的电介质物理理论基础，数据处理分析过程复杂，特别是电化学阻抗谱需要构建模型电路，模型电路的选择极大地影响着对于实验观察现象的理解和认识，这些难题显著地提高了方法的技术门槛。而时间分辨光电流和光电压谱属于时域测量方法，测量结果以及数据分析处理都直观易懂，且容易上手，但该方法需要不断更换稳态条件，而每个稳态条件又分别对应类似的数据获取操作，存在大量繁琐重复的工作，极大地降低了技术人员的工作效率，浪费了宝贵的技术资源。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够削减技术人员劳动量、提高技术人员工作效率的光伏太阳能电池瞬态光电压全自动测试系统及测试方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种光伏太阳能电池瞬态光电压全自动测试系统，其特征在于，该全自动测试系统包括：用于固定待测光伏电池器件的光伏电池夹具；用于发出稳态光辐照所述待测光伏电池器件使得所述待测光伏电池器件内部产生稳态光电压信号的稳态光源；用于发出瞬态脉冲光辐照所述待测光伏电池器件使得所述待测光伏电池器件内部产生瞬态光电压信号的瞬态脉冲光源，其中，瞬态脉冲光的光斑和稳态光的光斑能够于所述待测光伏电池器件处重合；固定设置在所述瞬态脉冲光源与待测光伏电池器件之间的光路上用于切断或连通瞬态脉冲光辐照的光路控制开关；固定设置在所述瞬态脉冲光源与待测光伏电池器件之间的光路上用于调节瞬态脉冲光源光强的光强调节单元；用于实时采集稳态光电压变化信号和瞬态光电压变化信号的瞬态信号采集记录单元；以及，用于根据稳态光电压变化信号和瞬态光电压变化信号实时调节所述稳态光源和瞬态脉冲光源的光强，以及记录完整的瞬态光电压信号衰减曲线，实现全自动数据获取的计算机。

进一步地，所述计算机内设置有参数设定模块、稳态光源调节模块、瞬态脉冲光源调节模块和数据处理模块；所述参数设定模块用于预先设定所述待测光伏电池器件的稳态条件、最大稳态判据和微扰条件，稳态光电压的扫描范围和扫描梯度，以及所述瞬态信号采集记录单元的窗口参数，并相应发送至所述稳态光源调节模块、瞬态脉冲光源调节模块和数据处理模块；所述稳态光源调节模块用于控制所述稳态光源的开启或关闭，以及根据所述瞬态信号采集记录单元实时采集的稳态光电压变化信号和预设的稳态条件调节所述稳态光源的光强，使得所述待测光伏电池器件产生的稳态光电压信号满足预设的稳态条件；所述瞬态脉冲光源调节模块用于控制所述瞬态脉冲光源的开启，并根据所述瞬态信号采集记录单元实时采集的瞬态光电压变化信号和预设的微扰条件，分别发送信号至所述光路控制开关和光强调节单元，通过所述光路控制开关控制所述瞬态脉冲光源的开启或切断，通过所述光强调节单元调节所述瞬态脉冲光源的光强，使得所述待测光伏电池器件产生的瞬态光电压信号满足预设的微扰条件；所述数据处理模块用于根据所述瞬态信号采集记录单元采集的瞬态光电压幅值、瞬态光电压衰减90％～100％所需时间以及预设的窗口参数，判断所述瞬态信号采集记录单元采集的瞬态光电压信号衰减曲线是否完整，若瞬态光电压信号衰减曲线完整，则根据预设的待测光伏电池器件的最大稳态判据以及稳态光电压的扫描范围和扫描梯度，获取所述瞬态信号采集记录单元记录的全部完整的瞬态光电压信号衰减曲线，完成瞬态光电压的全自动测试。

进一步地，所述稳态光源包括稳压/或恒流电源以及led灯，所述led灯电连接所述稳压/或恒流电源，所述稳压/或恒流电源电连接所述计算机；或者，所述稳态光源采用程序控制的连续半导体激光器，所述连续半导体激光器电连接所述计算机。

进一步地，所述瞬态脉冲光源采用半导体激光器或高速led灯，所述半导体激光器或高速led灯电连接所述计算机。

进一步地，所述光路控制开关采用高速快门或机械电动挡板，所述高速快门或机械电动挡板电连接所述计算机。

进一步地，所述光强调节单元包括旋转台、1/2波片和格兰棱镜，所述旋转台顶部固定连接所述1/2波片，位于所述瞬态脉冲光源的光路上，所述旋转台与待测光伏电池器件之间固定设置有所述格兰棱镜，所述旋转台还电连接所述计算机；或者，所述光强调节单元采用光强衰减器，所述光纤衰减器位于所述瞬态脉冲光源的光路上，所述光强衰减器电连接所述计算机。

进一步地，所述瞬态信号采集记录单元采用数字示波器或数据获取卡，所述数字示波器或数据获取卡电连接所述计算机。

一种光伏太阳能电池瞬态光电压全自动测试方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：将待测光伏电池器件固定设置在光伏电池夹具上，控制稳压/或恒流电源输出电压/或电流点亮led灯，开启光路控制开关，调节稳态光源和瞬态脉冲光源的光路使得稳态光的光斑与瞬态脉冲光的光斑于待测光伏电池器件上重合，并将待测光伏电池器件正负极与瞬态信号采集记录单元相应连接；步骤2)：预先设定瞬态光电压测试过程中待测光伏电池器件的稳态条件、最大稳态判据和微扰条件，以及稳态光电压的扫描范围和扫描梯度；步骤3)：关闭光路控制开关，调节稳压/或恒流电源的初始电压/或电流，稳态光辐照至待测光伏电池器件使其产生稳态光电压信号，瞬态信号采集记录单元对产生的稳态光电压信号进行采集并发送至计算机；步骤4)：计算机判断稳态光电压变化信号是否满足预设的稳态条件，若满足稳态条件，进入步骤5)；若不满足稳态条件，进入步骤3)改变稳压/或恒流电源的输出电压/或电流；步骤5)：维持稳态光源的光强不变，开启光路控制开关和光强调节单元，瞬态脉冲光源发出的瞬态脉冲光经调节后辐照至待测光伏电池器件使其产生瞬态光电压信号，瞬态信号采集记录单元对产生的瞬态光电压信号进行采集并发送至计算机；步骤6)：计算机判断瞬态光电压变化信号是否满足预设的微扰条件，若满足微扰条件，进入步骤7)；若不满足微扰条件，进入步骤5)改变瞬态脉冲光源的光强；步骤7)：维持稳态光源和瞬态脉冲光源的光强不变，获取瞬态信号采集记录单元记录的瞬态光电压信号衰减曲线、瞬态光电压幅值以及瞬态光电压衰减90％～100％的所需时间，并设定瞬态信号采集记录单元的窗口参数；步骤8)：计算机判断获取的瞬态光电压信号衰减曲线是否完整，若瞬态光电压幅值和瞬态光电压衰减90％～100％的所需时间满足预设的窗口参数，则获取的瞬态光电压信号衰减曲线完整，进入步骤9)；若瞬态光电压幅值和瞬态光电压衰减90％～100％的所需时间不满足预设的窗口参数，则获取的瞬态光电压信号衰减曲线不完整，进入步骤7)重新设定瞬态信号采集记录单元的窗口参数；步骤9)：采集并记录该扫描梯度下完整的瞬态光电压信号衰减曲线；步骤10)：根据设定的扫描梯度电压依次改变稳态判据，重复步骤3)～9)直至稳态判据达到预设的最大稳态判据，采集并记录全部完整的瞬态光电压信号衰减曲线，完成瞬态光电压的全自动测试。

进一步地，所述步骤2)中预先设定瞬态光电压测试过程中待测光伏电池器件的稳态条件、最大稳态判据和微扰条件，以及稳态光电压的扫描范围和扫描梯度，具体为：①设定待测光伏电池器件的稳态条件：

|vph-v′ph|＜3mv

其中，vph为待测光伏电池器件产生的稳态光电压变化信号，v′ph为稳态判据；②设定待测光伏电池器件的最大稳态判据，即设定稳态判据v′ph的最大值为1000mv或开路电压voc；③设定稳态光电压的扫描范围为0到最大稳态判据，设定稳态光电压的扫描梯度为25mv；④设定待测光伏电池器件的微扰条件：

δvph＜vph*5％

其中，δvph为待测光伏电池器件产生的瞬态光电压变化信号。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置有瞬态信号采集记录单元和计算机，通过计算机的控制，能够使待测光伏电池器件稳定在预设状态，自动反馈调节瞬态脉冲光源光强以使瞬态光电压信号限制在预设微扰条件内，自动反馈调节瞬态信号采集记录单元的窗口参数以使数据记录完整准确，自动在既定条件内循环上述步骤、终止判断以及数据记录，能够便利地实现光伏太阳能电池瞬态光电压测试，提高光伏太阳能电池载流子复合动力学的缺陷态分布测量效率。2、本发明设计降低了测试方法技术门槛，技术人员不需特殊培训即可操作完成数据获取；测试过程由计算机进行自动控制，极大地削减了技术人员的重复劳动，使技术人员能更好地关注研究对象本身，提高了工作效率；各次实验测试判据一致，提高实验测试的可比性；判断由计算机严格依据判据完成，减少了人为干扰和误差，提高了测试精度，可以广泛应用于光伏半导体技术领域中。

附图说明

图1是本发明全自动测试系统的结构示意图；

图2是本发明全自动测试方法的流程图；

图3是本发明实测稳态光电压与预设稳态条件的对比示例图；

图4是本发明探测到的瞬态光电压衰减过程与时间的关系示意图；

图5是本发明探测到瞬态光电压衰减动力学示意图；

图6是本发明所探测数据获得的光伏电池载流子寿命与稳态光电压的关系示意图，其中，“○”表示实验数据，“”表示拟合数据。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的光伏太阳能电池瞬态光电压全自动测试系统包括光伏电池夹具1、稳态光源2、瞬态脉冲光源3、光路控制开关4、光强调节单元5、瞬态信号采集记录单元6和计算机7。

光伏电池夹具1用于固定待测光伏电池器件。

稳态光源2用于发出稳态光辐照待测光伏电池器件，使得待测光伏电池器件内部激发稳定的光生载流子，维持一定的能态填充状态，进而产生稳态光电压信号。

瞬态脉冲光源3用于发出瞬态脉冲光辐照待测光伏电池器件，使得待测光伏电池器件内部激发瞬态少量的光生载流子，形成准平衡态，进而产生瞬态光电压信号对稳态光电压信号产生瞬态微扰，且瞬态脉冲光的光斑和稳态光的光斑能够于待测光伏电池器件处重合。

光路控制开关4和光强调节单元5均固定设置在瞬态脉冲光源3与待测光伏电池器件之间的光路上，光路控制开关4用于切断或连通瞬态脉冲光的辐照，光强调节单元5用于调节瞬态脉冲光源3的光强，使得待测光伏电池器件激发的瞬态少量光生载流子属于微扰条件。

瞬态信号采集记录单元6与光伏电池夹具1上的待测光伏电池器件之间构成电压测试回路，用于实时采集稳态光作用时待测光伏电池器件产生的稳态光电压变化信号以及瞬态脉冲光作用前后待测光伏电池器件产生的瞬态光电压变化信号。

计算机7用于根据稳态光电压变化信号和瞬态光电压变化信号实时调节稳态光源2和瞬态脉冲光源3的光强，以及记录完整的瞬态光电压信号衰减曲线，实现全自动的数据获取。

在一个优选的实施例中，稳态光源2包括稳压/或恒流电源21以及led灯22，led灯22电连接稳压/或恒流电源21，稳压/或恒流电源21通过rs-232串口连接计算机7，计算机7控制稳压/或恒流电源21为led灯22供电；或者，稳态光源2可以采用程序控制的连续半导体激光器，连续半导体激光器通过rs-232串口连接计算机7。

在一个优选的实施例中，瞬态脉冲光源3可以采用半导体激光器或高速led灯，通过usb口连接计算机7。

在一个优选的实施例中，光路控制开关4可以采用高速快门或机械电动挡板，高速快门或机械电动挡板还电连接计算机7。

在一个优选的实施例中，光强调节单元5包括旋转台、1/2波片和格兰棱镜，旋转台顶部固定连接1/2波片。位于瞬态脉冲光源3的光路上，旋转台与待测光伏电池器件之间固定设置有格兰棱镜，瞬态脉冲光源3发出的瞬态脉冲光通过1/2波片调整偏振，由格兰棱镜进行光强衰减后辐照至待测光伏电池器件，旋转台还通过usb口连接计算机7；或者，光强调节单元5可以采用光强衰减器，光纤衰减器位于瞬态脉冲光源3的光路上，光强衰减器通过usb口连接计算机7。

在一个优选的实施例中，瞬态信号采集记录单元6可以采用数字示波器或数据获取卡，通过lan口经tcp/ip协议连接计算机7。

在一个优选的实施例中，计算机7内设置有参数设定模块、稳态光源调节模块、瞬态脉冲光源调节模块和数据处理模块。

参数设定模块用于预先设定待测光伏电池器件的稳态条件、最大稳态判据和微扰条件，稳态光电压的扫描范围和扫描梯度，以及瞬态信号采集记录单元6的窗口参数等参数，并将待测光伏电池器件的稳态条件和最大稳态判据发送至稳态光源调节模块，将待测光伏电池器件的微扰条件发送至瞬态脉冲光源调节模块，将待测光伏电池器件的最大稳态判据、稳态光电压的扫描范围和扫描梯度以及瞬态信号采集记录单元6的窗口参数发送至数据处理模块。

稳态光源调节模块用于控制稳态光源2的开启或关闭，以及根据瞬态信号采集记录单元6实时采集的稳态光电压变化信号和预设的稳态条件调节稳态光源2的光强，使得待测光伏电池器件产生的稳态光电压信号满足预设的稳态条件。

瞬态脉冲光源调节模块用于控制瞬态脉冲光源3的开启，并根据瞬态信号采集记录单元6实时采集的瞬态光电压变化信号和预设的微扰条件，分别发送信号至光路控制开关4和光强调节单元5，通过光路控制开关4控制瞬态脉冲光源3的开启或切断，通过光强调节单元5调节瞬态脉冲光源3的光强，使得待测光伏电池器件产生的瞬态光电压信号满足预设的微扰条件。

数据处理模块用于根据瞬态信号采集记录单元6采集的瞬态光电压幅值、瞬态光电压衰减90％～100％所需时间以及预设的窗口参数判断瞬态信号采集记录单元6采集的瞬态光电压信号衰减曲线是否完整，若瞬态光电压信号衰减曲线完整，则根据预设的待测光伏电池器件的最大稳态判据以及稳态光电压的扫描范围和扫描梯度，获取瞬态信号采集记录单元6记录的全部完整的瞬态光电压信号衰减曲线，完成瞬态光电压的全自动测试。

如图2所示，基于上述光伏太阳能电池瞬态光电压全自动测试系统，本发明还提供一种光伏太阳能电池瞬态光电压全自动测试方法，下面以待测光伏电池器件采用钙钛矿光伏电池，稳态光源2采用稳压电源21和led灯，瞬态信号采集记录单元6采用数字示波器为具体实施例进行详细说明：

1)将待测钙钛矿光伏电池固定设置在光伏电池夹具1上，控制稳压电源21输出电压点亮led灯22，开启光路控制开关4，调节稳态光源2和瞬态脉冲光源3的光路使得稳态光的光斑与瞬态脉冲光的光斑于待测钙钛矿光伏电池上重合，并将待测钙钛矿光伏电池的正负极与数字示波器相应连接，其中，数字示波器的采样耦合电阻选择1mω。

2)如图3所示，预先设定瞬态光电压测试过程中待测钙钛矿光伏电池的稳态条件、最大稳态判据和微扰条件，以及稳态光电压的扫描范围和扫描梯度，具体为：

①设定待测钙钛矿光伏电池的稳态条件：

|vph-v′ph|＜3mv

其中，vph为待测钙钛矿光伏电池产生的稳态光电压变化信号，v′ph为稳态判据，可以根据实际需求进行设定。

②设定待测钙钛矿光伏电池的最大稳态判据，即设定稳态判据v′ph的最大值为1000mv或开路电压voc，其中，开路电压voc默认为1v。

③设定稳态光电压的扫描范围为0到最大稳态判据，设定稳态光电压的扫描梯度为25mv，即从0v开始，每25mv为一稳态判据，直至稳态条件v′ph达到最大的稳态判据或开路电压voc。

④设定待测钙钛矿光伏电池的微扰条件：

δvph＜vph*5％

其中，δvph为待测钙钛矿光伏电池产生的瞬态光电压变化信号。

3)关闭光路控制开关4，调节稳压电源21的初始电压(稳压电源输出的初始电压可以根据实际需要进行设定)，稳态光辐照至待测钙钛矿光伏电池使其产生稳态光电压信号vph，瞬态信号采集记录单元6对产生的稳态光电压信号vph进行采集并发送至计算机7。

4)计算机7判断瞬态信号采集记录单元6实时采集的稳态光电压变化信号vph是否满足预设的稳态条件，若满足稳态条件，进入步骤5)；若不满足稳态条件，进入步骤3)改变稳压电源21的输出电压。

5)维持稳态光源2的光强不变，开启光路控制开关4和光强调节单元5，瞬态脉冲光源3发出的瞬态脉冲光经调节后辐照至待测钙钛矿光伏电池使其产生瞬态光电压信号δvph，瞬态信号采集记录单元6对产生的瞬态光电压信号δvph进行采集并发送至计算机7。

6)计算机7判断瞬态信号采集记录单元6实时采集的瞬态光电压变化信号δvph是否满足预设的微扰条件，若满足微扰条件，进入步骤7)；若不满足微扰条件，进入步骤5)改变瞬态脉冲光源3的光强。

7)维持稳态光源2和瞬态脉冲光源3的光强不变，获取瞬态信号采集记录单元6记录的瞬态光电压信号衰减曲线、瞬态光电压幅值v以及瞬态光电压衰减90％～100％的所需时间t，并设定数字示波器的窗口参数。

8)计算机7判断获取的瞬态光电压信号衰减曲线是否完整，若瞬态光电压幅值和瞬态光电压衰减90％～100％的所需时间满足预设的窗口参数(例如：瞬态光电压幅值v大于数字示波器垂直窗口的70％且小于数字示波器垂直窗口的90％，t小于数字示波器水平窗口的1/5)，则获取的瞬态光电压信号衰减曲线完整，进入步骤9)；若瞬态光电压幅值和瞬态光电压衰减90％～100％的所需时间不满足预设的窗口参数(例如：瞬态光电压幅值v不大于数字示波器垂直窗口的70％、不小于数字示波器垂直窗口的90％，或t不小于数字示波器水平窗口的1/5)，则获取的瞬态光电压信号衰减曲线不完整，进入步骤7)重新设定数字示波器的窗口参数。

9)采集并记录该扫描梯度下完整的瞬态光电压信号衰减曲线。

10)根据设定的扫描梯度电压25mv依次改变稳态判据v′ph，重复步骤3)～9)直至稳态判据v′ph达到最大稳态判据的1000mv或开路电压voc，采集并记录全部完整的瞬态光电压信号衰减曲线，如图3所示，完成瞬态光电压的全自动测试。

如图4所示，为本发明所采集瞬态光电压原始数据所对应的瞬态光电压信号衰减曲线，通过对不同稳态条件下的载流子复合(瞬态光电压信号衰减)曲线进行指数拟合获得载流子寿命，并与相应的稳态光电压作图，获得如图5所示的载流子寿命-稳态光电压关系图，可以看出在半对数坐标下，载流子寿命与稳态光电压近似线性依赖关系，如图中红色标线所示，该拟合直线斜率将能够给出该待测光伏电池器件内部缺陷态分布相关信息。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。