專利名稱：一種太陽能電池材料少子壽命測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)試儀，尤其是涉及一種基于微波諧振腔傳感法的太陽能電池材
料少數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱少子)壽命測(cè)試儀。
背景技術(shù)：
太陽能電池基區(qū)的少子壽命是影響電池轉(zhuǎn)換效率的最重要參數(shù)之一，它與材料的 完整性，某些雜質(zhì)的含量有極密切的關(guān)系，在電池制造過程中工藝監(jiān)控的重要參數(shù)，通過測(cè) 試少子壽命來控制器件制造工藝已成為優(yōu)化器件特性的重要手段。因此在太陽能電池研究 與生產(chǎn)中，準(zhǔn)確測(cè)量電池材料少子的壽命顯得至關(guān)重要。 有文獻(xiàn)報(bào)道過采用其它微波方法測(cè)量少子壽命，如公開號(hào)為CN86101518A的中國(guó) 發(fā)明專利公開一種用介質(zhì)波導(dǎo)測(cè)量半導(dǎo)體材料少子壽命的裝置；專利號(hào)為ZL95243479. 2 的中國(guó)實(shí)用新型專利提供一種測(cè)試少子壽命的裝置；專利號(hào)為ZL200310108310. 7的中國(guó) 發(fā)明專利提供一種太陽電池少數(shù)截流子壽命分析儀。第一種方法利用光照前后微波透過 半導(dǎo)體樣品傳輸信號(hào)的變化測(cè)量少子壽命，后兩種方法都是通過測(cè)量光照前后微波輻射半 導(dǎo)體樣品后反射信號(hào)的變化測(cè)量少子壽命，而實(shí)現(xiàn)微波輻射分別采用喇叭天線和微帶面天 線。這3種方法的共同特點(diǎn)是用脈沖光源激發(fā)引起半導(dǎo)體材料少子濃度的躍變，再從撤去 激發(fā)光后光電導(dǎo)的衰退曲線測(cè)量少子壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池材料少數(shù)載流子壽命的無接觸 無破壞的二維測(cè)量，獲得片狀太陽能電池材料少子壽命分布情況分析的太陽能電池材料少 子壽命測(cè)試儀。 本發(fā)明設(shè)有微波系統(tǒng)、調(diào)光器調(diào)制電路、數(shù)據(jù)采集卡和用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)。
微波系統(tǒng)設(shè)有壓控振蕩器、衰減器、諧振腔、二維移動(dòng)平臺(tái)和檢波器，設(shè)于二維移 動(dòng)平臺(tái)上的樣品槽用于放置樣品，諧振腔設(shè)于樣品上，在諧振腔端蓋上設(shè)有對(duì)稱的LC諧振 式孔縫，被測(cè)樣品通過LC諧振式孔縫從諧振腔中耦合出微波能量，壓控振蕩器的輸入端接 數(shù)據(jù)采集卡，壓控振蕩器的輸出端經(jīng)衰減器后接諧振腔，數(shù)據(jù)采集卡的正弦調(diào)制信號(hào)輸出 端接信號(hào)放大電路輸入端，信號(hào)放大電路輸出端接固體激光器，固體激光器設(shè)于諧振腔下 方，檢波器的輸入端接諧振腔，檢波器的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡接用于數(shù)據(jù)處理 的計(jì)算機(jī)。 二維移動(dòng)平臺(tái)的X、 Y軸分別與步進(jìn)電機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。檢波器可采用晶體二極 管檢波器。在諧振腔端蓋為對(duì)稱開有LC諧振式孔縫的銅片，實(shí)現(xiàn)材料對(duì)微波諧振腔的微 擾。 本發(fā)明采用激光器調(diào)制電路調(diào)制激光器激發(fā)太陽能電池材料，調(diào)制信號(hào)和晶體二 極管檢波器輸出信號(hào)由高速數(shù)據(jù)采集卡中高性能的信號(hào)調(diào)理和放大電路進(jìn)行隔直、濾波、 放大，然后數(shù)字化后將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)處理完成少數(shù)載流子壽命的計(jì)算分析。本發(fā)明應(yīng)用微波諧振腔傳感法，通過測(cè)量調(diào)制信號(hào)和光電導(dǎo)信號(hào)振蕩狀態(tài)的時(shí)間差計(jì)算得到被測(cè)材料 的少數(shù)載流子壽命，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池材料少數(shù)載流子壽命的無接觸無破壞的二維測(cè)量。
固體激光器是光強(qiáng)被正弦信號(hào)調(diào)制的950nm激光二極管，激光準(zhǔn)確地照射到被測(cè) 樣品上，引起被測(cè)樣品的光電導(dǎo)率變化，而被測(cè)樣品從諧振腔中感應(yīng)的微波能量與被測(cè)樣 品的光電導(dǎo)率成正相關(guān)，微波系統(tǒng)后端的晶體二極管檢波器檢測(cè)出通過微波系統(tǒng)能量的變 化，即檢測(cè)出與調(diào)制信號(hào)振蕩時(shí)間狀態(tài)不同的光電導(dǎo)信號(hào)，比較光電導(dǎo)信號(hào)和加在激光器 上的調(diào)制信號(hào)的振蕩狀態(tài)時(shí)間差，即可計(jì)算得到少子壽命。 本發(fā)明采用工作于高Q值低損耗模的諧振腔作為微波檢測(cè)傳感器，它具有高靈敏 度和易調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)。由于在諧振腔端蓋為對(duì)稱開有LC諧振式孔縫的銅片，實(shí)現(xiàn)材料對(duì)微波 諧振腔的微擾。被激發(fā)的被測(cè)樣品的材料光電導(dǎo)率變化正比于受正弦信號(hào)調(diào)制的激光光 強(qiáng)，被測(cè)樣品通過LC諧振式孔縫從諧振腔中耦合出部分微波能量，耦合的微波能量正相關(guān) 于材料的光電導(dǎo)率，使得諧振腔中的微波能量變化隨著調(diào)制信號(hào)而變化，該變化被微波系 統(tǒng)后端的晶體二極管檢波器檢測(cè)到，即得到光電導(dǎo)信號(hào)。 本發(fā)明采用了一個(gè)二維的移動(dòng)平臺(tái)，用在平移片狀的被測(cè)樣品，實(shí)現(xiàn)片狀樣品的 少子壽命的分析。該移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)受到計(jì)算機(jī)的控制。移動(dòng)平臺(tái)中心是一個(gè)樣品槽，厚 度與樣品厚度一致，樣品放上后形成一個(gè)平面與諧振腔緊貼，激光通過下部的圓孔激發(fā)，樣 品平臺(tái)的X、Y軸被兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)牽引，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。 本發(fā)明的激光器調(diào)制電路用于產(chǎn)生符合測(cè)試需要的激光調(diào)制信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體激光 二極管光強(qiáng)調(diào)制。高速數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生的正弦調(diào)制信號(hào)經(jīng)放大，疊加在一直流偏置電壓上， 保證激光二極管正常工作并受正弦信號(hào)調(diào)制。電路中另設(shè)計(jì)有過流保護(hù)電路，避免激光二 極管的燒毀。 本發(fā)明的高速數(shù)據(jù)采集卡對(duì)調(diào)制信號(hào)和晶體二極管檢波器輸出信號(hào)進(jìn)行隔直、濾 波、放大和數(shù)字化處理。晶體檢波二極管把諧振腔中微波能量的變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變 化，該電壓信號(hào)存在這一個(gè)直流分量，同時(shí)不可避免地存在高頻干擾成分，所以在信號(hào)放大 之前，光電導(dǎo)信號(hào)需要通過隔直和低通濾波電路，再經(jīng)過差分放大電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，得到 數(shù)字化的光電導(dǎo)信號(hào)。調(diào)制信號(hào)也經(jīng)過相同的處理過程，得到數(shù)字化的調(diào)制信號(hào)，這兩路信 號(hào)通過FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)控制，經(jīng)以太網(wǎng)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)比較兩信號(hào)振蕩狀態(tài) 的時(shí)間差，通過計(jì)算得到少子壽命。 本發(fā)明采用的方法完全不同且有自身的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明采用工作于高Q值低損耗 模的諧振腔作為微波檢測(cè)傳感器，它具有高靈敏度和易調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)。正弦波調(diào)制激光源激 發(fā)被測(cè)樣品，其光電導(dǎo)率變化通過諧振腔端蓋對(duì)稱開設(shè)的孔縫對(duì)微波諧振腔內(nèi)的電磁場(chǎng)微 擾，高Q值的諧振腔對(duì)微擾靈敏響應(yīng)，其中的微波能量隨著調(diào)制信號(hào)而變化，經(jīng)微波系統(tǒng)后 端的晶體二極管檢波器檢測(cè)得到光電導(dǎo)信號(hào)。比較光電導(dǎo)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)振蕩狀態(tài)的時(shí)間 差計(jì)算得到少子壽命。除采用高Q值諧振腔作為傳感器外，本發(fā)明方法的另一優(yōu)點(diǎn)是單頻 正弦波形式的激發(fā)信號(hào)和光電導(dǎo)信號(hào)更容易實(shí)現(xiàn)無失真放大調(diào)理，采集后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的開LC諧振式孔縫的諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的二維移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的諧振腔、二維移動(dòng)平臺(tái)和激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的激光器調(diào)制電路組成框圖。 圖6為本發(fā)明實(shí)施例的高速數(shù)據(jù)采集卡組成框圖。 圖7為本發(fā)明實(shí)施例的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的內(nèi)部設(shè)計(jì)圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1 6，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有微波系統(tǒng)、調(diào)光器調(diào)制電路2、數(shù)據(jù)采集卡3和用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)4。 微波系統(tǒng)設(shè)有壓控振蕩器11、衰減器12、諧振腔13、二維移動(dòng)平臺(tái)14和晶體二極管檢波器15，設(shè)于二維移動(dòng)平臺(tái)14上的樣品槽用于放置樣品，諧振腔13設(shè)于樣品上，在諧振腔13端蓋上設(shè)有對(duì)稱的LC諧振式孔縫131，被測(cè)樣品通過LC諧振式孔縫131從諧振腔13中耦合出微波能量，壓控振蕩器11的輸入端接數(shù)據(jù)采集卡3，壓控振蕩器11的輸出端經(jīng)衰減器12后接諧振腔13。數(shù)據(jù)采集卡3的正弦調(diào)制信號(hào)輸出端接信號(hào)放大電路5輸入端，信號(hào)放大電路5輸出端經(jīng)信號(hào)偏置電路6接固體激光器7，固體激光器7設(shè)于諧振腔13下方，晶體二極管檢波器15的輸入端接諧振腔13，晶體二極管檢波器15的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡3，數(shù)據(jù)采集卡3接用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)4。 二維移動(dòng)平臺(tái)14的X、 Y軸分別與步進(jìn)電機(jī)8連接，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。在諧振腔13端蓋
的對(duì)稱開有LC諧振式孔縫131的銅片，實(shí)現(xiàn)材料對(duì)微波諧振腔的微擾。 激光器調(diào)制電路調(diào)制激光器激發(fā)太陽能電池材料。調(diào)制信號(hào)和晶體二極管檢波器
輸出信號(hào)由高速數(shù)據(jù)采集卡中高性能的信號(hào)調(diào)理和放大電路進(jìn)行隔直、濾波、放大，然后數(shù)
字化后將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)處理完成少數(shù)載流子壽命的計(jì)算分析。本發(fā)明應(yīng)用微波諧振腔傳
感法，通過測(cè)量調(diào)制信號(hào)和光電導(dǎo)信號(hào)振蕩狀態(tài)的時(shí)間差計(jì)算得到被測(cè)材料的少數(shù)載流子
壽命，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池材料少數(shù)載流子壽命的無接觸無破壞的二維測(cè)量。 固體激光器是光強(qiáng)被正弦信號(hào)調(diào)制的950nm激光二極管，激光準(zhǔn)確地照射到被測(cè)
樣品上，引起被測(cè)樣品的光電導(dǎo)率變化，而被測(cè)樣品從諧振腔中感應(yīng)的微波能量與被測(cè)樣
品的光電導(dǎo)率成正相關(guān)，微波系統(tǒng)后端的晶體二極管檢波器檢測(cè)出通過微波系統(tǒng)能量的變
化，即檢測(cè)出與調(diào)制信號(hào)振蕩時(shí)間狀態(tài)不同的光電導(dǎo)信號(hào)，比較光電導(dǎo)信號(hào)和加在激光器
上的調(diào)制信號(hào)的振蕩狀態(tài)時(shí)間差，即可計(jì)算得到少子壽命。 本發(fā)明采用工作于高Q值低損耗模的諧振腔作為微波檢測(cè)傳感器，它具有高靈敏度和易調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)。在諧振腔端蓋為對(duì)稱開有LC諧振式孔縫的銅片，實(shí)現(xiàn)材料對(duì)微波諧振腔的微擾。被激發(fā)的被測(cè)樣品的材料光電導(dǎo)率變化正比于受正弦信號(hào)調(diào)制的激光光強(qiáng)，被測(cè)樣品通過LC諧振式孔縫從諧振腔中耦合出部分微波能量，耦合的微波能量正相關(guān)于材料的光電導(dǎo)率，使得諧振腔中的微波能量變化隨著調(diào)制信號(hào)而變化，該變化被微波系統(tǒng)后端的晶體二極管檢波器檢測(cè)到，即得到光電導(dǎo)信號(hào)。 本發(fā)明采用二維移動(dòng)平臺(tái)14，用于平移片狀的被測(cè)樣品，實(shí)現(xiàn)片狀樣品的少子壽命的分析。二維移動(dòng)平臺(tái)14的運(yùn)動(dòng)受到計(jì)算機(jī)4的控制。二維移動(dòng)平臺(tái)14的中心是一個(gè)樣品槽141，厚度與樣品厚度一致，樣品放上后形成一個(gè)平面與諧振腔13緊貼，固體激光器6通過二維移動(dòng)平臺(tái)14下部的圓孔142激發(fā)，二維移動(dòng)平臺(tái)14的X、Y軸被兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)8牽引，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。 本發(fā)明的激光器調(diào)制電路(參見圖5)用于產(chǎn)生符合測(cè)試需要的激光調(diào)制信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體激光二極管光強(qiáng)調(diào)制。高速數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生的正弦調(diào)制信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大電路5放大，疊加在一直流偏置電壓(見圖5的信號(hào)偏置電路6)上，保證激光二極管正常工作并受正弦信號(hào)調(diào)制。電路中另設(shè)計(jì)有過流保護(hù)電路9，避免激光二極管的燒毀。
參見圖6，本發(fā)明的高速數(shù)據(jù)采集卡對(duì)調(diào)制信號(hào)和晶體二極管檢波器輸出信號(hào)進(jìn)行隔直、濾波、放大和數(shù)字化處理。晶體檢波二極管把諧振腔中微波能量的變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化，該電壓信號(hào)存在這一個(gè)直流分量，同時(shí)不可避免地存在高頻干擾成分，所以在信號(hào)放大之前，光電導(dǎo)信號(hào)A需要通過隔直和低通濾波電路61 ，再經(jīng)過差分放大電路62， A/D轉(zhuǎn)換電路63，得到數(shù)字化的光電導(dǎo)信號(hào)。調(diào)制信號(hào)B也經(jīng)過相同的處理過程，即通過隔直和低通濾波電路64，再經(jīng)過差分放大電路65， A/D轉(zhuǎn)換電路63，得到數(shù)字化的調(diào)制信號(hào)，這兩路信號(hào)通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA) 66控制，經(jīng)以太網(wǎng)接口送入計(jì)算機(jī)4，計(jì)算機(jī)4比較兩信號(hào)振蕩狀態(tài)的時(shí)間差，通過計(jì)算得到少子壽命。 參見圖7，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列中，信號(hào)調(diào)理和AD采樣控制緩存單元71完成ADC數(shù)據(jù)C的數(shù)字濾波，ADC芯片AD9248的控制，以及利用先入先出存儲(chǔ)器(FIFO) 72完成ADC數(shù)據(jù)C的緩存。增益控制單元73是完成外圍電路的自動(dòng)增益放大模塊的增益控制D ;DDR控制器74和DDR SDRAM單元75作為嵌入式系統(tǒng)的程序運(yùn)行空間；Flash控制器76和Flash單元77作為數(shù)據(jù)和程序的存儲(chǔ)空間；先入先出存儲(chǔ)器(FIFO) 72作為MAC單元78的發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的緩存；MAC單元78是完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；CPU單元79采用PPC405，作為系統(tǒng)控制核心；PLB總線E作為數(shù)據(jù)總線和控制總線，完成各單元與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸和命令傳輸。 本發(fā)明采用的方法完全不同且有自身的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明采用工作于高Q值低損耗模的諧振腔作為微波檢測(cè)傳感器，它具有高靈敏度和易調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)。正弦波調(diào)制激光源激發(fā)被測(cè)樣品，其光電導(dǎo)率變化通過諧振腔端蓋對(duì)稱開設(shè)的孔縫對(duì)微波諧振腔內(nèi)的電磁場(chǎng)微擾，高Q值的諧振腔對(duì)微擾靈敏響應(yīng)，其中的微波能量隨著調(diào)制信號(hào)而變化，經(jīng)微波系統(tǒng)后端的晶體二極管檢波器檢測(cè)得到光電導(dǎo)信號(hào)。比較光電導(dǎo)信號(hào)與調(diào)制信號(hào)振蕩狀態(tài)的時(shí)間差計(jì)算得到少子壽命。除采用高Q值諧振腔作為傳感器外，本發(fā)明方法的另一優(yōu)點(diǎn)是單頻正弦波形式的激發(fā)信號(hào)和光電導(dǎo)信號(hào)更容易實(shí)現(xiàn)無失真放大調(diào)理，采集后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。
權(quán)利要求
一種太陽能電池材料少子壽命測(cè)試儀，其特征在于設(shè)有微波系統(tǒng)、調(diào)光器調(diào)制電路、數(shù)據(jù)采集卡和用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)；微波系統(tǒng)設(shè)有壓控振蕩器、衰減器、諧振腔、二維移動(dòng)平臺(tái)和檢波器，設(shè)于二維移動(dòng)平臺(tái)上的樣品槽用于放置樣品，諧振腔設(shè)于樣品上，在諧振腔端蓋上設(shè)有對(duì)稱的LC諧振式孔縫，被測(cè)樣品通過LC諧振式孔縫從諧振腔中耦合出微波能量，壓控振蕩器的輸入端接數(shù)據(jù)采集卡，壓控振蕩器的輸出端經(jīng)衰減器后接諧振腔，數(shù)據(jù)采集卡的正弦調(diào)制信號(hào)輸出端接信號(hào)放大電路輸入端，信號(hào)放大電路輸出端接固體激光器，固體激光器設(shè)于諧振腔下方，檢波器的輸入端接諧振腔，檢波器的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡接用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)；二維移動(dòng)平臺(tái)的X、Y軸分別與步進(jìn)電機(jī)連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池材料少子壽命測(cè)試儀，其特征在于檢波器為晶 體二極管檢波器。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種太陽能電池材料少子壽命測(cè)試儀，其特征在于在諧振腔端 蓋為對(duì)稱開有LC諧振式孔縫的銅片。
全文摘要
一種太陽能電池材料少子壽命測(cè)試儀，涉及一種測(cè)試儀。提供一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能電池材料少數(shù)載流子壽命的無接觸無破壞的二維測(cè)量，獲得片狀太陽能電池材料少子壽命分布情況分析的太陽能電池材料少子壽命測(cè)試儀。設(shè)有微波系統(tǒng)、調(diào)光器調(diào)制電路、數(shù)據(jù)采集卡和用于數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)。微波系統(tǒng)設(shè)有壓控振蕩器、衰減器、諧振腔、二維移動(dòng)平臺(tái)和檢波器，諧振腔設(shè)于樣品上，在諧振腔端蓋上設(shè)有對(duì)稱的LC諧振式孔縫，壓控振蕩器輸入端接數(shù)據(jù)采集卡，壓控振蕩器輸出端經(jīng)衰減器后接諧振腔，數(shù)據(jù)采集卡接信號(hào)放大器輸入端，信號(hào)放大器輸出端接固體激光器，固體激光器設(shè)于諧振腔下方，檢波器輸入端接諧振腔，檢波器輸出端接數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡接計(jì)算機(jī)。
文檔編號(hào)G01R31/26GK101702004SQ20091011277
公開日2010年5月5日 申請(qǐng)日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者倪祖榮, 呂文選, 肖芬, 陳朝, 陳松 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)