基于VC++的光电转换效率IPCE测试系统研制

基于VC++的光电转换效率IPCE测试系统研制
张先毛;杨鑫;刘尚军;王瑞林
【摘要】研究了太阳能光电材料光电转换效率(Incident Photon-to-Current Efficiency,IPCE)的测试方法.基于VC++,采用异步等效法,研制成了一种由单色仪、斩波器、恒电位仪、锁相放大器、计算机组成的光电材料光电转换效率测试系统.该系统可对各种半导体材料的IPCE性能进行测试,能正确实时显示所测样品的谱图.该系统具有较高的自动化程度和较强的数据处理功能,并广泛用于本科研组的太阳光催化分解水制氢材料光电性能的测试,测试结果稳定可靠.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2011(018)002
【总页数】3页(P26-28)
【关键词】光电半导体;VC++;光分解水;光电转换效率;数据处理
【作者】张先毛;杨鑫;刘尚军;王瑞林
【作者单位】四川大学材料科学与工程学院,成都610064;四川大学材料科学与工程学院,成都610064;四川大学材料科学与工程学院,成都610064;四川大学材料科学与工程学院,成都610064
【正文语种】中文
【中图分类】TP306+.2
0 引言
太阳能的综合利用和太阳能光电材料特性的研究是21世纪的热门课题之一，许多国家正投入大量人力物力对此领域深入开展研究。

半导体材料的光电转换效率谱，即入射单色光子-电子转换效率谱(IPCE)在光电材料的研究中是极其重要而又常用的关系曲线。

由于目前国内市场上IPCE测试系统大多靠进口，价格昂贵，使用也不尽人意。

因此本实验室自行搭建了实用，费用少，自动化程度较高，数据处理功能强的IPCE测试系统。

针对不同的测试需求，对传统太阳电池光谱响应测试系统进行改进，使得本系统不仅可用于太阳电池研究中，还可用于太阳能光分解水制氢等的研究中[1]。

1 系统测试原理
1.1 IPCE原理
在单色入射光照射到太阳电池或光电半导体材料表面上，半导体材料将吸收合适能量的光子，把低能量的电子激发到导带上，使得电子与空隙分离并通过外回路形成光电流。

此时入射单色光的光电转换效率(IPCE)，即入射单色光光子-电子转换效率，定义为单位时间内外电路中产生的电子数Ne与单位时间内的入射单色光光子数Np之比。

其计算公式如下[2]:
而Ne=iAt/e，Np=PinAt/(hc/λ)，因此:
式中，i—光生电流密度，单位为mA/cm2;λ—入射单色光的波长，单位为nm;A—光电材料表面积，单位为cm2;t—照射时间;e—电子电量;c—真空中光速;h—普朗克常数;Pin—光电材料表面辐照度，单位为mW/cm2。

入射单色光光电转换效率IPCE对入射光波长λ的关系曲线是研究光电材料重要手段。

IPCE值越高，代表着越多的光子被吸收并转换为光电流。

IPCE值越低，代表着越多的光子被反射或简单的通过样品而没有被吸收或产生光生载流子具有较短的
生命而被复合。

通过IPCE-λ曲线，可以了解被测的材料在哪些波长范围内可以获得较高的光子-电子转换效率，可以分析电池参数、工艺参数、以及电池结构的优劣[3]。

这对于研究太阳电池或光分解水制氢光电极在能量转换方面的特性有重要的实际意义，并能为如何进一步提高能量转换效率提供指导。

1.2 IPCE－λ谱图测试方法设计
由式(2)可知，要计算得到指定的入射单色光下光电材料的IPCE值，需同时获得该单色光下光电材料所产生的光电流密度i，以及该单色光通过太阳能光电材料表面的辐照度Pin。

通常这种测试方法，需要分光系统并且对分光系统准确标定，需要使用两个锁相放大器，因此这种同时测量i，Pin的方法显得较为复杂[4]。

本测试系统采用异步等效的方法来读取，即第一步获得光通量Pin，第二步获得光电流密度i。

采用此方法测量的前提是:光源在所测波长范围内单射光的辐照度在测量过程中要求很稳定。

实验证明本系统所用光源是非常稳定的，满足系统测试过程中对光源的稳定性要求。

其异步等效法测试的过程如下:
第一步获得辐照度Pin，是通过校准的Si标准光电二极管在不同单色光λ照射时测量光电流密度istd计算得到的。

对于已校准的Si标准光电二级管，就知道其在不同单色光λ照射时的IPCEstd值。

由式(2)就可计算出不同单色光λ对应的辐照度Pin。

此时，各量之间的关系如下:
第二步获得光电流密度i，即通过测试系统测量不同单色光λ照射待测样品片时的光电流密度isample。

本测试系统的待测样品可以是太阳电池，也可以是太阳能光分解水制氢光电极或任何光电半导体材料。

由式(2)得:
由式(3)和式(4)可得:
综上可知，本测试系统测得样品片的IPCE-λ谱图，关键是在相同光强照射条件下，测得各单色光λ时校准的Si标准光电二极管的光电流密度值istd以及待测样品的光电流密度值isample。

2 IPCE-λ谱图测试系统结构
2.1 IPCE-λ谱图测试系统硬件结构
图1显示了IPCE-λ自动测试系统结构示意图。

该测试系统主要由光源调制部分，太阳电池或电化学池，恒电位仪，锁相放大器和控制计算机组成，在基于VC++
的软件平台上实现了数据采集处理、结果生成、数据显示、存储等功能。

其中，电化学池是测试太阳能光分解水制氢光电极时使用。

当测试Si标准光电二极管或太
阳能电池时不用电化学池，而是直接将待测样品的两极连接到恒电位仪工作电极和对电极上进行测试。

图1 IPCE自动测试系统示意图
电化学池采用石英光学玻璃材料作为窗口便于光的透过。

测试采用三电极体系进行，半导体光电极为工作电极，碳电极为对电极，甘汞电极为参比电极，根据试验需要选择合适的电解液。

对于太阳电池的测试可直接使用两电极体系。

恒电位仪采用普林斯顿研究公司Model 362恒电位仪，从恒电位仪输出的信号经锁相放大器进行采集和检测。

IPCE-λ自动测试系统的测量过程主要是氙灯光源发光进入单色仪获得单色光源，
计算机通过RS232串口控制单色仪进行波长扫描和获得相应的光电流数据，然后
进行相应数据处理即可获得相应波长处样品的IPCE值。

最后获得IPCE-λ谱图。

2.2 IPCE-λ谱图测试系统软件结构
对于IPCE光电转换效率测试系统来说，系统配套分析软件是该系统的重要组成部分。

系统的自动化程度、人机交互性能、分析精度等都和系统分析软件有很大关系。

软件是在Windows环境下应用Microsoft公司Visual C++6.0开发环境进行开
发的[5]。

以下是对该光电转换效率测试系统的主要功能及具体实现过程做详细介绍。

对于该IPCE光电转换效率测试系统的配套软件，从功能上考虑，主要包括参数设定模块、连续光谱扫描模块、数据采集模块、数据处理与实时显示模块。

程序流程框图如图2所示。

图2 IPCE－λ谱图测试程序流程图
通过参数设置模块对仪器进行初始化。

主要设置的参数包括测试的起始波长、终止波长、步进波长、单波长测量时间、锁相放大器时间常数、恒电位仪电流量程值。

首先对SR830锁相放大器、SBP500单色仪的RS232端口进行检测，然后对设备进行初始化。

根据SR830命令手册，使用Microsoft公司提供的简化Windows 下串行通讯编程的ActiveX控件Mscomm.ocx来实现计算机与SR830锁相放大器之间发送和接收数据的通讯功能[6]。

而计算机与SBP500单色仪之间的通讯功能是基于北京卓立汉光仪器有限公司为支持SBP500型单色仪而开发的RS232串口通讯控件而实现的。

连续光谱扫描的实现是通过程序调用SBP500 ActiveX控件发送控制命令给步进马达控制器，以驱动单色仪实现输出光波长的连续自动扫描。

对于每一个单色仪扫描的步进波长，光电流数据是若干次采集数据的平均值。

将测得的光谱标定Si标准光电二极管的光电流数据及其IPCE数据，与待测样品光电流数据用式(5)进行计算得到待测样品的IPCE值。

利用实验室自行研制的动态绘图模块实现实时IPCE-λ曲线的绘制，并保存IPCE值到文本文件中，便于使用画图软件进一步处理。

整个软件的界面如图3所示。

图3 IPCE自动测试系统软件界面
3 测试结果
本测试系统通过中国测试技术研究院校准的日本滨松紫外增强型Si标准光电二极
管测得不同波长单色光辐照度Pin。

如图4为磁控溅射制备的α-Fe2O3n型半导体薄膜在1M NaOH电解液中，偏置电压分别为0V、0.3V、0.5V时的IPCE测试谱图。

通过与文献报道的α-Fe2O3IPCE谱图曲线进行比较[7]，发现测试结果与文献报道谱图符合得很好。

说明本测试系统适用于半导体太阳能光电材料的IPCE 性能测试研究。

图4 不同偏置电压下α-Fe2O3薄膜半导体IPCE的测试结果
4 结语
本文建立了一套基于VC++的光电材料光电转换效率(IPCE)测试系统，采用该系统可以对光电半导体材料的光电特性进行表征，尤其对像太阳电池、光分解水制氢光材料的光电性能进行分析表征。

通过本系统的研制实现了数据的自动采集，数据处理和实时显示，提升了我国在此领域仪器设备研发能力。

参考文献
[1] 王世昌，刘湘生，苗春安，等.SSAM-30型太阳电池光谱响应自动测试仪[J].太阳能学报，1998，19(03):343-344.
[2] Sze.S.M.Semiconductor devices，Physics and Technology[M].New York:John Wiley，1985.
[3] Ashok，S.and Pande，K.P.Photovoltaic measurements[J].Solar Cells，1985，14(1):61-81.
[4] 李大群，姚凡.硅太阳电池光谱响应自动测试系统[J].太阳能学报，1991，
12(03):324-329.
[5] 孙鑫，余安萍.VC++深入详解[M].北京:电子工业出版社，2006.
[6] 龚建伟，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信编程实践[M].第2版.北京:电子工业出版社，2007:63-107.
[7] Alexis，D.and G.Michael.Visible light-induced water oxidation on
mesoscopic α-Fe2O3 films made by ultrasonic spray pyrolysis[J].J.Phys.Chem.B，2005，109(36)，:17184–17191.。