精確無損測量薄膜厚度對光伏太陽能電池等電子器件很關(guān)鍵。在高效硅異質(zhì)結(jié)（SHJ）太陽能電池中，叉指背接觸（IBC）設(shè)計可減少光反射和改善光捕獲，但其制備需精確圖案化和控制薄膜厚度。利用光致發(fā)光成像技術(shù)實現(xiàn)了對硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池中薄膜厚度的快速檢測和分析，對提高太陽能電池生產(chǎn)質(zhì)量控制具有重要意義。

研究背景

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硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池（SHJ）：SHJ太陽能電池因其高效率而受到關(guān)注，其結(jié)構(gòu)包括在晶體硅（c-Si）襯底上沉積薄的非晶硅（a-Si:H）或微晶硅（μc-Si:H）層以鈍化表面，并作為選擇性接觸層。交錯式背接觸（IBC）設(shè)計：IBC設(shè)計將電子和空穴收集區(qū)域都放置在電池的背面，以減少光反射并提高光捕獲效率。厚度測量的重要性：對于沉積在粗糙襯底上的薄膜，精確的厚度控制和均勻性對于太陽能電池的性能至關(guān)重要。

實驗樣品制備

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使用商業(yè)6英寸Cz n型硅片，經(jīng)過表面織構(gòu)化和清洗后，用等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)在前后兩側(cè)沉積了本征氫化非晶硅（a-Si:H(i)）層和局部沉積的n型氫化微晶硅（μc-Si:H(n)）層。

PL 成像測量薄膜厚度

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非晶硅（a-Si:H）條紋：不同光照條件下的PL圖像以及最終重建的厚度圖像微晶硅（μc-Si:H）條紋：不同光照條件下的PL圖像以及最終重建的厚度圖像光致發(fā)光成像技術(shù)：利用了PL成像技術(shù)，通過比較藍色（470 nm）和紅色（625 nm）光照下的PL信號來計算薄膜厚度。藍色光的吸收較強，用于測量薄膜的吸收；紅色光的吸收較弱，用于提供背景信號。薄膜厚度計算公式：通過PL成像技術(shù)，能夠快速識別薄膜厚度的局部變化，這對于太陽能電池的生產(chǎn)質(zhì)量控制非常重要。厚度檢測能力：PL成像技術(shù)能夠在短時間內(nèi)（0.4秒內(nèi)）完成薄膜厚度的檢測，并且檢測限低于1納米。薄膜厚度的不均勻性：厚度圖像揭示了薄膜在不同位置的厚度變化，顯示出局部不均勻性。特別是硅片的左上角區(qū)域，薄膜厚度明顯較薄。應(yīng)用前景：PL成像技術(shù)不僅適用于實驗室研究，還具有在太陽能電池生產(chǎn)線中作為在線檢測工具的潛力，有助于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

拉曼光譜法測量薄膜厚度和均勻性

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拉曼光譜雙波長激發(fā)模式原理示意圖

• 藍光激發(fā)（442nm）模式測量薄膜厚度

當(dāng)使用 442nm 激發(fā)光時，其在薄硅膜中的穿透深度約為 28nm，會部分被硅膜吸收。基于此，c-Si 晶圓的拉曼信號會因上方硅薄膜的吸收而衰減。根據(jù)比爾-朗伯定律，通過測量這種吸收程度，可將其重新計算為沉積硅薄膜的厚度。在實際測量中，利用這種原理，通過檢測 c-Si 晶圓拉曼信號的衰減程度，就能推算出硅薄膜的厚度。

• 紫外激發(fā)（325nm）模式測量結(jié)晶度原理

采用325nm激發(fā)光時，其拉曼穿透深度低于10nm。硅薄膜中，在拉曼信號約480cm?1處的峰歸因于非晶硅結(jié)構(gòu)，而在520cm?1處的拉曼峰則源于硅薄膜的結(jié)晶部分。通過分析這兩個峰的強度、比例等信息，就能判斷硅薄膜的結(jié)晶度情況。(a)a-Si:H鈍化層的厚度分布 (b)μc-Si:H條紋的厚度分布a-Si:H鈍化層厚度分布：通過拉曼光譜法測量結(jié)果顯示，a-Si:H鈍化層的厚度在整個硅片上非常均勻，沒有顯著的厚度變化。μc-Si:H條紋厚度分布：通過拉曼光譜法測量結(jié)果顯示，μc-Si:H條紋的厚度在不同位置存在顯著變化，厚度變化范圍超過最大測量厚度的35%。μc-Si:H條紋的沉積過程存在局部不均勻性，可能影響太陽能電池的性能。

拉曼光譜法分析薄膜結(jié)晶性

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微晶硅（μc-Si:H）條紋邊緣的厚度與結(jié)晶性退化分析

• 厚度分布和結(jié)晶性變化：

條紋的厚度在中心區(qū)域較高，隨著接近條紋邊緣，厚度逐漸減小。條紋中心的結(jié)晶性較高，表明該區(qū)域的薄膜具有較高的微晶結(jié)構(gòu)，這對于形成有效的隧道結(jié)接觸至關(guān)重要。隨著接近條紋邊緣，結(jié)晶性逐漸降低，最終接近零，表明邊緣區(qū)域的薄膜完全是非晶態(tài)的。

• UV拉曼光譜：

條紋中心的光譜顯示較強的520 cm-1峰，表明該區(qū)域具有較高的結(jié)晶性。隨著接近條紋邊緣，520 cm-1峰的強度逐漸減弱，而480 cm-1峰的強度相對增強，表明結(jié)晶性降低。條紋邊緣的薄膜結(jié)晶性較低，無法形成有效的隧道結(jié)接觸，因此有效電子接觸區(qū)域減少了約20%。

薄膜沉積不均勻性

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微晶硅（μc-Si:H）條紋邊緣納米尺度沉積缺陷的力學(xué)表征左側(cè)形貌圖顯示了硅片表面的金字塔結(jié)構(gòu)（pyramids），這些結(jié)構(gòu)是硅片表面的紋理，用于提高光吸收效率。在條紋邊緣，可以看到額外的硅層沉積在金字塔的右側(cè)，而左側(cè)則沒有明顯的沉積。右側(cè)粘附性圖顯示了薄膜在不同位置的粘附力變化，這些變化反映了薄膜的機械性質(zhì)。圖中用黃色表示粘附力較高的區(qū)域，藍色表示粘附力較低的區(qū)域。結(jié)果表明，條紋邊緣的薄膜不是連續(xù)的，這可能導(dǎo)致電接觸的不可靠性。通過創(chuàng)新性地結(jié)合PL成像、拉曼光譜和AFM技術(shù)，我們不僅建立了適用于IBC電池產(chǎn)線的亞秒級厚度檢測方案，更深入揭示了制約IBC電池性能的關(guān)鍵因素——掩模沉積導(dǎo)致的薄膜邊緣缺陷，更全面地評估薄膜的厚度和結(jié)晶性，為太陽能電池的生產(chǎn)提供更有效的在線檢測工具。

美能晶化率測試儀

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美能晶化率測試儀擁有極佳的紫外靈敏度和優(yōu)異的光譜重復(fù)性。采用325激光器，同時優(yōu)化紫外光路設(shè)計，提高光譜穩(wěn)定性，高效率利用325激光與樣品拉曼信號，實現(xiàn)了5nm以上非晶/微晶材料的原位測試，是表征"微晶一異質(zhì)結(jié)"電池的最優(yōu)選擇。

• 行業(yè)最佳，紫外靈敏度硅一階峰的信號計數(shù)優(yōu)于1000 (1秒積分時間)
• 光譜重復(fù)性：單晶硅校準后，≤520±0.02cm-1
• 光柵刻線數(shù)：≤2400 gr/mm；≤1800 gr/mm

展望未來，拉曼光譜法將在太陽能電池技術(shù)的發(fā)展中繼續(xù)發(fā)揮重要作用。通過與美能晶化率測試儀等先進設(shè)備的結(jié)合，研究人員可以更高效地優(yōu)化薄膜沉積工藝，進一步提升太陽能電池的性能和穩(wěn)定性。