KLA Instruments 小課堂

定期分享KLA Instruments旗下產(chǎn)品的各種技術(shù)資料、應(yīng)用筆記和使用指南。

旗下產(chǎn)品包括：輪廓儀、納米壓痕儀、薄膜測(cè)厚儀、方阻測(cè)量?jī)x以及晶圓缺陷檢測(cè)系統(tǒng)。

本期課程：

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池超薄膜厚度測(cè)量應(yīng)用 — KLA表面輪廓儀

機(jī)動(dòng)車檢驗(yàn)標(biāo)志電子化

鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電特性，近年來一直受到高度關(guān)注。相應(yīng)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在柔性太陽(yáng)能電池領(lǐng)域和疊層太陽(yáng)能電池領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用前景。

早在2009年，鉛基鈣鈦礦材料第一次被應(yīng)用到太陽(yáng)能電池中，其光電轉(zhuǎn)化效率為3.8%1。近些年來，通過組分調(diào)控，界面調(diào)制，缺陷優(yōu)化，能級(jí)調(diào)整等手段，鈣鈦礦太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)提高至26.7%2。而疊加硅基太陽(yáng)能電池以后，組合而成的疊層太陽(yáng)能電池器件的光電轉(zhuǎn)化效率能提高到33.9%2。

相關(guān)的研究表明，鈣鈦礦太能電池器件的光電轉(zhuǎn)化率和器件關(guān)鍵層的薄膜質(zhì)量息息相關(guān)。所以，這些薄膜的厚度和均勻度的監(jiān)控非常重要。但是，對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件的薄膜厚度的快速、準(zhǔn)確測(cè)量是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的工作。白光干涉儀對(duì)于不同材料有消光效應(yīng)；反射式膜厚儀無法測(cè)量不透明的金屬薄膜，對(duì)于透明的超薄膜測(cè)量，復(fù)雜的建模也會(huì)涉及很大的工作量；原子力顯微鏡測(cè)量精確但是掃描范圍和測(cè)量速度比較局限。

KLA Instruments的探針式輪廓儀（臺(tái)階儀）采用線性差分電容式傳感器對(duì)于幾納米到百納米量級(jí)的超薄膜測(cè)量具有非常好的穩(wěn)定性。這篇應(yīng)用案例中，介紹了KLA的臺(tái)階儀可以作為鈣鈦礦客戶監(jiān)控工藝質(zhì)量的重要工具。

我們先來對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件做個(gè)簡(jiǎn)要介紹：

1鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)

一個(gè)簡(jiǎn)單的鈣鈦礦太陽(yáng)能器件主要包括一系列不同功能的薄膜層：襯底是透明導(dǎo)電氧化層（TCO）；電子傳輸層（ETL）；鈣鈦礦材料層；空穴傳輸層（HTL）；金屬電極層。通常，根據(jù)ETL和HTL層在器件中的位置不同，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池包括兩種結(jié)構(gòu)：正式的n-i-p構(gòu)型和反式的p-i-n構(gòu)型。其中，p代表電子傳輸層，i代表鈣鈦礦層，而n代表空穴傳輸層。

下圖所示是常見的鈣鈦礦電池結(jié)構(gòu)，左側(cè)為正式的“n-i-p”構(gòu)型，右圖是反式的“p-i-n”構(gòu)型。之前的研究結(jié)果表明，當(dāng)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的組分進(jìn)行調(diào)整的時(shí)候，采用“n-i-p”或者“p-i-n”構(gòu)型也會(huì)對(duì)器件的轉(zhuǎn)化率和器件壽命產(chǎn)生影響。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件的“n-i-p”構(gòu)型（左）和“p-i-n”構(gòu)型（右）

2鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工作原理

下圖所示，以反式“p-i-n”構(gòu)型為例，展示了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池器件如何工作：太陽(yáng)光照射到器件上，其中能量大于鈣鈦礦材料能隙的光子會(huì)被吸收然后在庫(kù)倫作用下材料能帶中產(chǎn)生一對(duì)激子（電子空穴對(duì)）。在內(nèi)建電場(chǎng)作用下，這一個(gè)電子空穴對(duì)從鈣鈦礦層向傳輸層界面移動(dòng)。由于電子空穴對(duì)的結(jié)合能比較低，這個(gè)電子空穴對(duì)很容易解耦合形成獨(dú)立的自由電子和空穴。電子通過電子傳輸層向陰極移動(dòng)，空穴通過空穴傳輸層向陽(yáng)極移動(dòng)。所以，光生電流和電壓都產(chǎn)生了，并且通過外部電路實(shí)現(xiàn)光電子轉(zhuǎn)化的過程。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的工作原理

3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池板的生產(chǎn)流程

相較于單個(gè)太陽(yáng)能電池板，鈣鈦礦太陽(yáng)能電池板的基本結(jié)構(gòu)是類似的。但是在生產(chǎn)過程中，需要多個(gè)激光蝕刻工藝把大面積的鈣鈦礦電池分割成小的電池單元并串聯(lián)起來。

下圖展示了鈣鈦礦太陽(yáng)能電池板的簡(jiǎn)要生產(chǎn)工藝流程。其中，除了薄膜沉積工藝，P1切割把整個(gè)透明導(dǎo)電氧化層陽(yáng)極分割成小的電池單元，P2切割把溝槽的電子傳輸層，鈣鈦礦層，空穴傳輸層材料移除并暴露出透明導(dǎo)電氧化層陽(yáng)極。通過將金屬電極材料填充P2切割槽，這一系列的電池單元都被串聯(lián)起來了。最后，P3再切割頂層陰極并分隔每個(gè)電池單元。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池板的簡(jiǎn)要生產(chǎn)工藝流程

下面，我們將詳細(xì)介紹KLA P系列臺(tái)階測(cè)量超薄膜：

采用線性差分電容式傳感器（LVDC）的KLA Instruments P系列探針式輪廓儀（臺(tái)階儀），沒有摩擦和熱效應(yīng)，并且具有非常優(yōu)異的高度分辨率和測(cè)量重復(fù)性（下圖所示為KLA Instruments臺(tái)階儀P-7和P-17）?；谶@些特點(diǎn)，KLA的臺(tái)階儀對(duì)于幾納米到百納米量級(jí)的超薄膜測(cè)量具有非常好的穩(wěn)定性。對(duì)于鈣鈦礦太陽(yáng)能客戶而言，這是一個(gè)非常有效的薄膜監(jiān)控方案。

KLA Instruments臺(tái)階儀P-7（左）和P-17（右）

對(duì)與太陽(yáng)能電池行業(yè)，追求低成本和高轉(zhuǎn)化效率永遠(yuǎn)是最重要的話題。對(duì)于鈣鈦礦電池供應(yīng)商而言，最直接的方法就是在保持性能的同時(shí)控制薄膜材料的厚度，特別是透明導(dǎo)電氧化層，電子傳輸層和空穴傳輸層。近年來，最薄的材料層厚已經(jīng)在約10nm的量級(jí)。以下是幾個(gè)不同鈣鈦礦太陽(yáng)能材料層的測(cè)量研究實(shí)例：

01研究一: TCO層測(cè)量

TCO層是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的重要組成部分，是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝的第一步。為了增加太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，TCO層必須在導(dǎo)電性能良好的情況下具有很高的透光率，低電阻，高熱穩(wěn)定性。常見的TCO層材料包括：氟摻雜的氧化錫（FTO），銦摻雜的氧化錫（ITO），銦摻雜的氧化鋅（IZO）和鋁摻雜的氧化鋅（AZO）等。

下圖(a) 展示了玻璃上IZO薄膜的3D圖，其厚度約為6.8 nm。(b) 是同一個(gè)樣品上的2D掃描結(jié)果。(c) 中我們測(cè)試了兩個(gè)IZO薄膜樣品，厚度分別為6.8 nm和 37.1 nm。

圖(a)玻璃上IZO薄膜的3D圖，厚度約為6.8 nm；(b) 同一個(gè)樣品上的2D掃描結(jié)果；(c)測(cè)試兩個(gè)IZO薄膜樣品，厚度分別為6.8 nm和 37.1 nm 。

02研究二: ETL層測(cè)量

ETL 層是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的關(guān)鍵層之一。ETL層在整個(gè)電池結(jié)構(gòu)中具有重要作用：1）收集電子并傳輸?shù)疥帢O；2）可以傳輸電子但是阻隔空穴以降低電子空穴復(fù)合率；3）在正式“n-i-p”構(gòu)型中，鈣鈦礦層是生在在ETL層上的，所以ETL層的平整度和平滑度直接影響了鈣鈦礦層的質(zhì)量；4）在反式“p-i-n”構(gòu)型中，ETL層則也可以作為鈣鈦礦層的保護(hù)層用于隔絕水樣增加壽命。所以，監(jiān)控ETL層的厚度以及均勻性也十分必要。

圖(a)玻璃上SnO2薄膜的3D圖，厚度約為6.8 nm; (b) 同一個(gè)樣品上的2D掃描結(jié)果; (c)測(cè)試三個(gè)SnO2薄膜樣品，厚度分別為10.2 nm, 14.3 nm和 19.6 nm。

通常而言，常見的用作ETL層的材料包括氧化錫（SnO2），氧化鈦（TiO2），氧化鈮（Nb2O5），氧化鋅（ZnO），硫化鎘（CdS）等。而其中，氧化錫（SnO2）是最廣泛應(yīng)用于鈣鈦礦太陽(yáng)能電池ETL的材料。

上圖 （a) 展示了玻璃上SnO2薄膜的3D圖，其厚度約為10.2 nm。(b) 是同一個(gè)樣品上的2D掃描結(jié)果。(c) 中，我們測(cè)試了三個(gè)SnO2薄膜樣品，厚度分別為10.2 nm, 14.3 nm和 19.6 nm。

03研究三: 金屬電極層測(cè)量

金屬電極層是鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的頂層。由于這一層在封裝之前直接暴露于環(huán)境，所以制備金屬電極的材料要求穩(wěn)定，致密并具有延展性。通常用于制作金屬電極的材料包括金，鋁和銀等等。為了控制成本，金屬電極層工藝厚度以及均勻性的控制也是非常重要的。

圖(a)玻璃上金屬鋁薄膜的3D圖，厚度約為15 nm；(b) 同一個(gè)樣品上的2D掃描結(jié)果；(c)測(cè)試四個(gè)金屬薄膜樣品，厚度分布從15 nm至71.1 nm。

上圖(a) 展示了玻璃上鋁薄膜的3D圖，其厚度約為15.0nm。(b) 是同一個(gè)樣品上的2D掃描結(jié)果。(c) 中，我們測(cè)試了四個(gè)金屬薄膜樣品，厚度分別為15.0 nm, 28.0 nm，49.8 nm和 71.1 nm。

鈣鈦礦太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要主題。對(duì)于產(chǎn)業(yè)要求的超薄膜厚度及均勻性的工藝測(cè)量，KLA Instruments的TencorTM P系列臺(tái)階儀以其在納米薄膜測(cè)量方面的超高精準(zhǔn)度和卓越穩(wěn)定性，向行業(yè)給出了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。