CN102439467B - 大面积半导体器件的电气及光电子表征 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测试在生产中的大面积半导体器件的电气及/或光电子表征方法，该方法包括下述步骤：提供第一电极并将其设置成与半导体器件的导电层的接触区域电接触；提供可移动的电极组件，其包括保持电解质溶液和至少第二电极的容器，将所述第二电极浸没到所述电解质溶液中；放置电极组件使得电解质溶液设置成让第二电极与半导体器件的上表面电接触；在进行电气测量的同时，相对于半导体器件的上表面扫描所述可移动的电极组件。还涉及相应的电气及/或光电子表征装置，包括第一电极、具有容器的可移动电极组件以及扫描装置，其中所述容器保持电解质溶液和浸没在其中的第二电极。

Description

大面积半导体器件的电气及光电子表征
技术领域
本发明涉及一种用于大面积半导体器件的电气及光电子表征的方法和装置。尤其是，本发明涉及在工业生产线中的此类半导体器件的表征。
背景技术
薄膜太阳能电池制造商生产由很多堆叠薄层构成的昂贵产品。图1示出太阳能电池的一个例子，图1采用的形式是薄膜Cu(ln，Ga)(S，Se)2(下面称为CIGS)的结构的横截面。该结构的各个层依次沉积在玻璃基底11上。钼导电层12提供电接触到该结构的背侧。在钼的上面是光吸收p型半导体层13，该层可以从CIGS选出。在它的上面是半导体缓冲层14，该缓冲层可以从CdS选出，在该层上面是透明窗层15和16，其首先包括非故意掺杂的ZnO层15，以及故意掺杂的氧化锌层16。
所有的层都是重要的，需要精确控制沉积条件以从这些层获得需要的特性，以制造有效的太阳能器件。一个问题是在大面积上获得期望的控制，对于太阳能电池应用来说大面积通常是在一或更大平方米的量级上。
在继续完成堆叠的剩余部分以及因而完成太阳能器件之前，制造商很想证实半导体层已经被正确沉积。如果它们能够在所有区域上确定已沉积的半导体的光电子特性是否合适的话，他们将在他们的制造过程中提高产量并减少浪费。大规模制造的典型问题是沉积不一致或在退火期间加热不一致。
典型的太阳能电池生产过程在图2a到2f中示出。在第一步骤(a)中，用作背电极的钼导电层22被沉积在玻璃基底21(图2a)。在步骤(b)中，接着用P1划针(scribe)除去限定区域中的Mo层22(图2b)。在第三步骤(c)中，光吸收Cu(ln，Ga)(S，Se)2p型半导体层23被沉积(图2c)。此后，缓冲层例如硫化镉层24在步骤(d)中被沉积，如图2d所示。随后，在步骤(e)中包括非故意掺杂的氧化锌的透明窗层25被沉积在CdS缓冲层24上面(图2e)。在步骤(f)中使用最终P2划针除去所有沉积的层23至25，直到Mo导电层22在限定区域26中露出(图2f)。在图2中未示出的是，最终故意掺杂的氧化锌层可以加到堆叠上以连接两个单独的电池。
为了知道半导体层是否在太阳能器件中正确执行其功能，制造商目前使用间接测量来查明材料具有与特定性能特征相关的特定性质。已知两种吸收体层半导体材料质量间接测量方法：拉曼光谱和光致发光寿命。已经发现，Cu(ln，Ga)(S，Se)2的特征拉曼响应峰的宽度与该器件能产生的最大电压相关。还有，在用激光激励之后，吸收体层的光致发光的寿命与最终器件性能相关。另外，可以通过机械压抵吸收体层并测量其导电性来测量吸收体层的导电性。
目前没有直接的在线方法来确定该器件将产生多大的电流，该器件将吸收太阳光光谱的哪一部分(器件的能带隙)，以及完成的电池将具有多高的电压。当前，为了确定这些特性，半导体层必须实体地电接触前侧和背侧两者。P型半导体背侧一般沉积在提供在背面的接触的导电基板或导电层的上面。然而，考虑到测试，半导体前侧也必须要被接触到。
一种接触半导体前侧的途经是使用导电的方案，其本身可以被外部电极例如铂“接触”。该方案提供透明的电触点，调查用光可以通过所述透明电触点以询问(interrogate)半导体。此类技术一般被叫做光电化学，并在文献(DalePJ等人，2007ECStransactions6；及DuffyNW等人，2002J.Electroanal.Chem.532207-14)中介绍。一旦半导体被电接触，光线可以照射到其上，而确定该层的光电特性。关键的优点是，该方案提供一种非常容易除去(例如，洗掉就可以)的前侧接触，或者如果正确选择接触方案的话，可以形成电池制造过程的一部分。
然而，上面描述的光电化学技术仅限于实验室规模(例如1×1cm2)，而不能用在较大面积例如平方米规模上，后者是工业生产过程中实际使用的大小。
本发明目的在于克服或至少减轻已知的现有技术表征方法和装置的缺点。本发明还意图提供一种电气及/或光电子表征方法，该方法可以在大面积半导体器件的制造过程中使用。
发明内容
根据第一方面，本发明提出一种用于测试在生产中的大面积半导体器件的电气及/或光电子表征方法，该方法包括下述步骤：
提供第一电极并将其设置成与半导体器件的导电层的接触区域电接触；
提供可移动的电极组件，其包括保持电解质溶液和至少第二电极的容器，将所述第二电极浸没到所述电解质溶液中，
放置电极组件使得电解质溶液设置成让第二电极与半导体器件的上表面电接触；
在进行电气测量的同时，相对于半导体器件的上表面扫描所述可移动的电极组件。
该方法还包括下述步骤：提供光波导，将所述光波导浸没到电解质溶液中，将它置于半导体器件的上表面附近。
该方法还包括步骤：提供脉冲照射到光波导。
所述方法还包括：提供第三电极，将第三电极浸没到电解质溶液中，所述电介质溶液使第三电极与半导体器件的上表面电接触。
所述电气测量包括光电测量。
该电解质溶液为铕溶液。
所述相对于半导体器件的表面扫描所述可移动的电极组件的步骤可包括移动所述可移动电极组件。
所述相对于半导体器件的表面扫描所述可移动的电极组件的步骤可包括移动第一电极连同电极组件。
根据本发明的第二方面，一种用于对生产中的半导体器件进行电气及/或光电子表征的装置，包括：
第一电极，其适于被设置成与半导体器件的导电层的接触区域电接触；
可移动的电极组件，其包括保持电解质溶液和至少第二电极的容器，所述第二电极被浸没到所述电解质溶液中以便使第二电极设置成与半导体器件的上表面电接触；
扫描装置，所述扫描装置适于在进行电气测量的同时，相对于半导体器件的表面移动所述电极组件。
所述可移动的电极组件可还包括光学连接到光源上的光波导。
所述可移动的电极组件可还包括第三电极，所述第三电极被浸没到电解质溶液中以便使第三电极设置成与半导体器件的上表面电接触。
所述光波导可从光源接收脉冲照射。
所述电解质溶液可以是铕溶液。
在扫描半导体器件的上表面时，第一电极可适于与电极组件一起移动。
第一电极可以是机械划针或跟在划针之后的单独的电极之一。
附图说明
图1示出Cu(ln，Ga)(S，Se)2薄膜太阳能电池结构的示意性横截面。
图2示出典型的Cu(ln，Ga)(S，Se)2的生产过程。
图3示出本发明的第一实施例。
图4A到4C示出电极组件的有利实施例。
图5A到5D示出第一电极的有利实施例。
图6A和6B示出用于关于半导体器件的表面移动电极组件的装置的有利实施例。
图7示出用于生产线中的半导体器件的光电子表征的优选的完整架构。
具体实施方式
本发明提出使用光电化学来表征大面积的太阳能电池，其已知作为用于在制造过程期间的电气及/或光电子表征的模块。
图3示意性示出根据本发明如何在生产过程中间测试模块。到第一导电层32的背接触通过接触区域或接触窗36由第一电极1实现，在所述接触窗中可直接访问导电层。有利地，该接触窗36可以是钼P2划针路径，或者通过利用机械划针本身作为第一电极1，或者通过使用之后的专用电极1。电解质溶液4保持在管或容器6内，所述管或容器还包括第二电极2。管6被放在半导体器件的表面的上面，从而电解质溶液4在半导体器件30的上表面35和第二电极2之间提供电接触。然后，顶电极组件5可以在平行于其上表面35的平面内扫描越过半完成的模块30的表面35，以表征其电气性能。
本发明提出用于在生产中测试半导体器件的电气及/或光电子表征方法。该半导体器件包括导电层32。该导电层可以或者是第一金属导电层，例如Mo，或者是导电基底。该半导体器件还包括沉积在该导电层上的至少一个半导体层35。提供至少一个第一接触区域或接触窗36’，从而可以电接触半导体器件的所述导电层32。应该理解，本发明同样可以应用到包括几层的半导体器件上。
在图3和图4A中示出的电极组件5，在提供大面积的扫描的同时，允许测量电流-电压特性。
允许执行光电子测量的一种更有利的电极组件5’，在图4B中示出。除了第二电极2以外，提供了光波导7，从而其近端能被耦合到光源8上。波导7的远端位于包含电解质溶液的管6中低的位置，并让光线能够照射到半导体层45的上表面。尽管光源8可提供连续光，优选地在进行对半导体器件的光电子表征时通常使用脉冲光源。当光源8提供脉冲辐射时(例如通过使用斩光器74)，可以进行光电测量。所述测量可以包括但不限于：暗电流、作为波长或光强的函数的光致电流。
图4C示出电极组件5”的优选实施例，其中除了第二电极2和光波导7贻害，在管6中布置了第三电极3。包含在管6中的电解质溶液4同样在电极3和半导体层45的上表面之间建立电接触。有利地，第三电极3可用于影响在半导体器件的表面处的电势。
有利地，例如经由氧化还原电位来确认合适的电解质4。对于CIGS、CdS和i-ZnO表面，优选的电解质溶液是铕。更有利地，电解质应能够容易地从半导体表面上去除。
如果可应用的话，电解质4可优选包含与下面的半导体层中使用的那些离子相同的离子。
本发明预见到第一电极1与导电层52的第一接触区域56形成电接触。图5A到5D示出如何建立电接触的例子。
在图5A中，导电层52沉积在非导电基底51的上面。接触窗56设置在沉积在导电层52上面的至少一个半导体层55中。在接触窗56边界内，第一电极1建立了到导电层52的电接触。
图5B示出非常相似的半导体，其中非导电基底51’、导电层52’和至少一个半导体层55’和参考图5A所描述的那些一样。然而，接触区域56’是细长的，并允许第一电极沿导电层52’的露出部分移动。
在图5C中示出导电基底52”，至少一个半导体层55”沉积在所述基底上面。接触区域56”露出导电层52”的上表面，所述上表面被第一电极1”接触。
在图5D中示出另一实施例，其中非导电基底51”’载有导电层52”’，该导电层的上表面在接触区域56”’中露出。至少一个半导体层55”’沉积在导电层52”’的上面。机械连接到并且跟在第一电极1后的机械划针9，在细长的接触区域56中沿导电层52的露出表面移动。
如图6A的实施例所示出的那样，相对于半导体器件的表面扫描所述可移动电极组件的步骤可以包括，例如经由适当控制的X-Y台69，移动所述可移动电极组件。然后半导体器件被保持在适当位置，同时电极组件移动越过它的顶层65。当电极组件5可移动时，它的电气和光学连接部需要设置成柔性形式，以允许移动。
如图6B中所示，另一实施例提供经由例如适当控制的X-Y台69’移动半导体器件。结果是相同的：半导体器件相对于电极组件5移动。
在图6A和6B中示出的实施例中，直线式位移装置可能是足够用的，然而，X-Y台或者其他任何允许至少两个维度上的移动的装置是优选的手段，以用于实现越过半导体器件扫描电极组件5所需要的移动。
图7示出优选的完整架构，该架构用于参考图2讨论的在工业生产过程中的大面积半导体器件20的光电子表征。第一电极1用于建立到设置在第一导电层22上面的接触窗26的稳定电接触。到半导体层22的接触可以是例如通过钼P2划针路径实现，或者通过使用机械划针本身作为第一电极1或者通过在其后提供专用电极1。
半导体器件20还包括光吸收层23和缓冲层24。透明窗层25沉积在半导体器件20的上面。
电解质溶液4保持在管内，所述管还包含光波导和第二及第三电极2和3。对于CIGS系统，电极从铕选出。电极组件5可以扫描越过半完成的模块20的表面，以表征其性能。扫描运动在与半导体器件的上表面平行的平面内，并保持电极组件5和所述上表面之间的接触。
该实施例还包括锁定放大器71、稳压器72和用于控制测量的计算机73。光源8发出的光线通过斩光器74，该斩光器又连接到放大器71中的锁。然后脉冲化的光线通过波导7并照射到半导体器件的顶部上。使用X-Y台69来相对于半导体器件20移动电极组件5。在图7所示的实施例中，保持在静止位置的是电极组件5，而半导体器件20被X-Y台69移动。
在替代实施例中，半导体器件可以被移动而电极组件则保持在固定位置。
优点
根据本发明的大面积半导体器件的电气及/或光电子表征可便于获得信息，这些信息是先前已知的间接方法所无法获得的，即：
1.作为波长的函数的量子效率数据，该数据允许
a.器件的短路电流的计算
b.吸收体层能带隙的计算
c.电载流子寿命的估算
d.如果测量的是CdS层，则对CdS厚度估算
2.对横过连接处产生的电压的测量，所述电压指示出能够实现的电池电压
3.暗电流的大小指示出小孔/导电亚相(conductingsubphases)
对于制造商来说，在确定是否该材料适于在全部器件中完成时，所有这些信息都是有用的，并且可以制作为在模块上的位置的函数。根据本发明的电气表征可用作对制造商的早期警告，警告他们在他们的生产过程中存在的问题。此类表征适用于包括基于CdTe、CulnS2的器件在内的所有类型的薄膜无机太阳能电池。
本发明允许进行电气及/或光电子测量，并且该表征适于用在半导体生产线中。
如果使用划针，有利地，可以连同划针移动第一电极1。当划针是机械划针并且导电时，该机械划针可用作第一电极1。
当第一电极1与电极组件5一起移动同时进行电气测量时，将表现出另一优点。
尽管基于CIGS太阳能电池描述本发明，应该意识到，本发明不限于上述情况。本发明同样可以应用到其他太阳能电池及/或其他材料系统。类似地，可以使用其他电气表征方法。
毋须怀疑，本领域技术人员可以想到许多其他的有效的替代方案。应该理解，本发明不限于所描述的实施例而是包括落在所附权利要求的精神和范围内的对本领域技术人员而言显而易见的那些变型。

Claims (15)

1.一种用于测试在生产中的大面积半导体器件的电气及/或光电表征方法，该方法包括下述步骤：
提供第一电极(1)并将其设置成与半导体器件(30)的导电层(32)的接触区域(36)电接触；
提供可移动的电极组件(5)，其包括保持电解质溶液(4)和至少第二电极(2)的容器(6)，将所述第二电极(2)浸没到所述电解质溶液(4)中，
放置电极组件(5)使得电解质溶液(4)设置成让第二电极(2)与半导体器件的上表面(35)电接触；
在进行电气测量的同时，相对于半导体器件(30)的上表面(35)扫描所述可移动的电极组件(5)。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括下述步骤：
提供光波导(7)，将所述光波导(7)浸没到电解质溶液(4)中，将光波导(7)置于半导体器件的上表面附近。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括步骤：提供脉冲照射到光波导(7)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述电气测量包括光电测量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中电解质溶液为铕溶液。
6.根据权利要求1所述的方法，其中相对于半导体器件的表面扫描所述可移动的电极组件(5)的步骤包括移动所述可移动电极组件(5)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中相对于半导体器件的表面扫描所述可移动的电极组件(5)的步骤包括连同电极组件(5)一起移动第一电极(1)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其中所述方法还包括：
提供第三电极(3)，将第三电极(3)浸没到电解质溶液(4)中，用于放置第三电极与半导体器件的上表面电接触。
9.一种用于对生产中的半导体器件进行电气及/或光电表征的装置，包括：
第一电极(1)，所述第一电极适于被设置成与半导体器件的导电层的接触区域电接触；
可移动的电极组件(5)，所述可移动的电极组件包括保持电解质溶液(4)和至少第二电极(2)的容器(6)，所述第二电极(2)被浸没到所述电解质溶液(4)中以便将第二电极(2)放置成与半导体器件的上表面电接触；
扫描装置(69，69’)，所述扫描装置适于在进行电气测量的同时，在半导体器件(30)的表面上移动所述可移动的电极组件(5)。
10.根据权利要求9所述的装置，其中可移动的电极组件(5)还包括光学连接到光源的光波导(7)。
11.根据权利要求10所述的装置，其中光波导(7)从光源接收脉冲照射。
12.根据权利要求9-11任一项所述的装置，其中可移动的电极组件(5)还包括第三电极(3)，所述第三电极(3)被浸没到电解质溶液(4)中，用于将第三电极放置成与半导体器件的上表面电接触。
13.根据权利要求9所述的装置，其中电解质溶液(4)是铕溶液。
14.根据权利要求9所述的装置，其中在扫描半导体器件的上表面时，第一电极(1)适于与电极组件(5)一起移动。
15.根据权利要求9所述的装置，其中第一电极是机械划针或跟在划针之后的单独的电极之一。
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