CN103575703A - 利用反射光谱测量单晶硅基太阳能表面增透膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用反射光谱测量单晶硅基太阳能电池表面增透膜的方法，包括通过建模模拟计算分别得出包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率A与不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率B；基于所述总反射效率A和所述总反射效率B求出单晶硅基太阳能电池的相对反射比率R_cal；测量包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的反射比率R；将所述R_cal与所述R比较，模型中设定增透膜厚度及增透膜材料的光学常数或光学常数物理模型的系数为变量，通过数值回归的曲线拟合过程，计算得出膜厚与材料光学常数。本发明提高了反射率测量方法测量硅基太阳能样品薄膜特征的准确度，拓展了光谱反射仪的应用领域，使测量硬件结构更加简单，成本更低。

Description

利用反射光谱测量单晶硅基太阳能表面增透膜的方法

技术领域

本发明光学技术领域，特别涉及一种利用反射光谱测量单晶硅基太阳能电池表面增透膜的方法。

背景技术

光学方法测量薄膜厚度和光学常数（n&k）通常可采用垂直入射的反射率测量方法或椭圆偏振方法。相比较椭圆偏振仪理论上可以更好的测量均匀薄膜的厚度和光学常数，但是设备价格昂贵（例如：J.A.Woollam系列椭圆偏振仪）。采用垂直入射的反射率测量方法的膜厚仪，结构简单，对于层数较少的结构，测量精确，速度快（例如：Oceanopitcs NanoCalc系列）。

垂直入射的反射率测量方法通过首先测量已知反射率的参考样品的反射光谱，而后测量待测样品的反射光谱，通过参考样品和待测样品光谱的比计算出待测量样品的反射率；而后，通过薄膜结构建模（多层膜结构反射率模拟）和回归算法拟合，计算出待测样品表面薄膜结构和光学常数（n&k）。现有的多层膜结构反射率建模方法，都建立在均匀薄膜的基础上，如图1所示。当样品表面不规则时，如图2所示，反射光传播方向复杂，造成样品分析和测量两方面的困难：（1）待测样品反射率与光学系统采集的数值孔径（Numerical Aperture,N.A.）有关。数值孔径较大时，多方向的反射光将都可以被采集，会导致经历不同光学过程的反射信号同时被采集；数值孔径有限时，仅小角度内的反射光将被采集，信号较弱。（2）入射光相对于薄膜的入射角度分布范围复杂。当入射角度存在一定范围时，反射率的模拟建模与薄膜入射角度紧密联系，却存在多次反射的可能，无法准确的建模及计算出反射光谱。

太阳能电池作为环保绿色能源已被广泛使用，并将大量实施。太阳能电池生产过程中，为了减少太阳能电池的反射率，一般对硅基表面进行化学腐蚀处理，形成粗糙的表面。除此之外，其硅基表面还通过增加一层增透膜(减反膜，anti-reflective coating)来降低光束入射至太阳能电池表面的反射率，从而增加透射率。因此生产过程中，控制和测量硅基表面增透膜的厚度和光学特征（可表征吸收特征）成为硅基太阳能电池生产过程中的重要环节。由于硅的晶格特征，其腐蚀硅基表面具有一定的规律特征，可以通过改进建模方法和测量方法分析样品的特征。

当前技术中，有采用椭圆偏振仪测量的方法，如Thin Solid Films 518(2010)1830–1834中所述，将样品倾斜，利用侧壁的方向性测量。但是椭圆偏振仪价格较高，且倾斜的样品平台不易完成样品表面定位和扫描。还有采用垂直入射的反射率测量方法，通过积分球收集粗糙样品表面的反射光的反射仪。例如，用于测量太阳能衬底绒面的全光谱反射式膜厚测量仪SR（上海致东光电科技有限公司），使用积分球作为反射光收集系统解决了样品粗糙表面造成的光学散射问题。但由于样品表面粗糙，垂直入射时，光束入射薄膜时具有角度的多样性及可能存在的一次、二次、三次及个别多次反射造成的建模模式混合问题无法解决，导致积分球的采集的光学过程非常复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用反射光谱测量单晶硅基太阳能电池表面增透膜的方法，能够量测硅基太阳能电池表面增透薄膜厚度和材料光学常数。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用反射光谱测量单晶硅基太阳能电池表面增透膜的方法，包括通过建模模拟计算，分别得出包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率A与不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率B；基于所述总反射效率A和所述总反射效率B求出包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的相对反射比率R_cal；测量包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的反射比率R；将所述R_cal与所述R比较，设定增透膜厚度及增透膜材料的光学常数或光学常数物理模型的系数为变量，通过数值回归的曲线拟合过程，计算得出膜厚与材料光学常数。

本发明提供的利用反射光谱测量单晶硅基太阳能电池表面增透膜的方法，提高了反射率测量方法测量硅基太阳能样品薄膜特征的准确度，拓展了光谱反射仪的应用领域，使测量硬件结构更加简单，成本更低。

附图说明

图1为垂直入射光束在平滑薄膜表面上反射的示意图；

图2为垂直入射光束在粗糙薄膜表面上反射的示意图；

图3a为单晶硅太阳能电池表面结构的示意图；

图3b为单晶硅太阳能电池表面结构的正视图；

图3c为电子显微镜下硅纹理表面的侧视图；

图4为垂直入射光束在单晶硅基太阳能电池表面的2次反射过程的示意图；

图5为近垂直入射光束在单晶硅太阳能电池表面的2次反射过程的示意图；

图6为近垂直入射光束在单晶硅基太阳能电池表面的3次反射过程的示意图；

图7为S光、P偏振光在入射角度为70.6度和0度时在硅基上的反射率的谱线图；其中，2表示P偏振光在入射角度为70.6度在硅基上的反射率谱线，3表示S偏振光、P偏振光在入射角度为0度时在硅基上的反射率的谱线，4表示s偏振光在入射角度为70.6度在硅基上的反射率谱线;

图8为S偏振光、P偏振光在入射角度为70.6度和0度时在包含增透膜的硅基上的反射率的谱线图；其中，5表示入射角度为70.6度时s偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率谱线，6表示入射角度为0度时S偏振光、P偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率的谱线，7表示入射角度为70.6度时P偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率谱线;

图9为80nm氮化硅镀膜单晶硅衬底太阳能片三次反射模型计算出的反射率与实际测量值的示意图；

图10为80nm氮化硅镀膜单晶硅衬底太阳能片三次反射模型计算出的氮化硅光学常数(n,k)的示意图；

图11为70nm、80nm和90nm氮化硅镀膜单晶硅衬底太阳能片的总反射比率光谱的示意图；

图12为80nm氮化硅镀膜单晶硅衬底太阳能片入射角度在15.9度附近+/-5度范围内时，其总反射率变化的示意图；

图13为测量单晶硅太阳能基板薄膜系统的结构示意图；

图14为图13所示太阳能基板薄膜系统中采用背散射光纤结构的光学探头的结构示意图；

图15a为七芯背散射光纤束的端口A截面的示意图；

图15b为七芯背散射光纤束的端口B截面的示意图；

图15c为七芯背散射光纤束的端口C截面的示意图；

图16为包含聚光单元的光学探头的结构示意图；

图17为包含光阑和聚光单元的光学探头的结构示意图；

图18为根据光谱仪狭缝的形状调整出射光纤子束光纤端口排布的示意图；

图19为空间光学探头的结构示意图。

具体实施方式

首先，对本发明的方法原理进行介绍，如图3a所示，单晶硅太阳能电池硅基的结构为以底面为四方型的金字塔型为单位结构相互平行的排列而成，金字塔型的单位结构的侧壁（<111>面）与水平底面（<100>面）的角度为α=54.7度。由于硅片晶格方向的选择，单晶硅太阳能电池硅基表面的单位结构的侧壁可按方向分为四组，每组内的平面互相平行，如图3b所示。因此，侧壁（<111>面）可分为4组，每组相对于硅基表面的方向和角度相同并且相互平行，如图3c所示。

光束近垂直入射至样品表面时主要包含以下3类反射后出射的过程：

（1）如图4所示，垂直入射时探测光经历两次反射：第一次反射，当光束以垂直于样品平面，即以a=54.7度入射至侧壁时，其经过两侧反射后，出射光线的角度为c=51.2度。因为51.2度非常接近54.7度，因此光束经历第三次反射的几率并不大。仅在两个相邻的侧壁连接处容易发生。即使经历第三次反射，其出射光线角度d=58.2度。由此可知，反射光束相对于样品水平面出射角度较小，需要数值孔径较大的光学系统才能收集。

（2）近垂直入射后，经历两次反射。如图5所示，当第一次反射后的光束平行于平面，即以35.3度入射至侧壁，a=70.6度时，其经过两次反射后，出射光线角度b为70.6度，仍需要较大数值孔径较大的光学系统才能收集。

（3）近垂直入射后，经历三次反射。如图6所示，当光束以近垂直入射至样品表面时，在一定入射角度范围内，普遍存在三次反射。有以下关系：

54.7+a2=a；

a2=90-a1；

b1+180-54.7×2+a2=180；

b=90-b1；

90-c1+2b+a1×2+a2=180;

c=54.7+90-c1;

可以得出：

a+c=148.2;

考虑探测光束和反射光束收集采用相同的光学系统，即当a=c=74.1度时，为测量要求的采集光学系统的最小和理论最佳数值孔径。

实际光学系统中，近垂直入射时，发散的入射光束会造成入射角相对于不同体积角有一定的不同，在10度以内；变化越大的部分将产生要求更大的NA（数值孔径）。

综合以上分析可以得出，当探测光束近垂直入射时，可能同时包含以上全部三种反射方式，每种反射方式下样品表面产生的总反射率不相同。因此，可以通过限制光学系统的数值孔径，使其仅收集三次反射模型所能对应的信号，即反射光相对于样品平面74.1度，相对于样品平面的入射角度15.9度出射的反射信号。在此情况下，单一的反射过程具有单一的总反射率，具有单一的建模方法，更加准确。数值孔径的控制通过调整垂直入射反射光谱仪中入射光的数值孔径实现，由此精确测量单一模式下的总反射率。从而准确的测量薄膜厚度和光学常数。

根据以上分析，本发明以近垂直入射光束在单晶硅基太阳能电池表面的3次反射过程为基础，通过建模模拟计算，得出包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的反射比率。而后，模拟值与实际测量的比值通过回归算法拟合，从而计算出模型中的薄膜相关参数。

由于通常宽带光源，例如氙灯、氘灯，所发出的光为自然光，经过偏振态影响较小的光学系统后，正交方向上的两个偏振态强度相同。采取此类光学系统和光源后，假定探测光束为完全非偏振光，即入射至样品表面的探测光束相对于任何入射面p偏振光和s偏振光的强度相同。

本发明实施例提供的一种利用反射光谱测量单晶硅基太阳能电池表面增透膜的方法，包括：

步骤10、通过建模模拟计算分别得出不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率A与包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率B。

如图6所示，当光束以15.9度入射样品平面（以54.7度入射硅片<111>面）时，光束反射后垂直入射于相邻<111>面（b=0），反射后原路返回，以15.9度出射样品。反射过程中，入射时的p偏振光相对于三次反射的平面皆为p偏振光，入射时的s偏振光相对于三次反射的平面皆为s偏振光，因此过程中，p偏振光和s偏振光的反射率独立计算。

具体地，不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率A包括以下步骤：

步骤11、计算p偏振光的反射率，即R_{p_Si}=R_{p_70.6_Si}×R_{p_0_Si}×R_{p_70.6_Si}；所述R_{p_70.6_Si}是入射角度为70.6度的p偏振光在硅基上的反射率；所述R_{p_0_Si}是入射角度为0度的p偏振光在硅基上的反射率；

步骤12、计算s偏振光的反射率，即R_{s_Si}=R_{s_70.6_Si}×R_{s_0_Si}×R_{s_70.6_Si}；所述R_{s_70.6_Si}是入射角度为70.6度的s偏振光在硅基上的反射率；所述R_{s_0_Si}是入射角度为0度的s偏振光在硅基上的反射率；

步骤13、计算总反射效率A=(R_{s_Si}+R_{p_Si})/2*r_{fibercollection}*I，所述r_{fibercollection}为光纤采集率，I为入射光强。

偏振光在不含增透膜的硅基上的总反射率谱线如图7所示。其中、2表示R_{p_70.6}的谱线、由于R_{s_0}等于R_{p_0}，其谱线在图中用3表示，4表示R_{s_70.6}的谱线。

具体地，包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率B包括：

步骤15、计算p偏振光的反射率，即R_{p_fosi}=R_{p_70.6_fosi}×R_{p_0_fosi}×R_{p_70.6_fosi}；所述R_{p_70.6_fosi}是入射角度为70.6度的p偏振光在包含增透膜的硅基上的理论反射率；所述R_{p_0_fosi}是入射角度为0度的p偏振光在包含增透膜的硅基上的理论反射率；

步骤16、计算s偏振光的反射率，即R_{s_fosi}=R_{s_70.6_fosi}×R_{s_0_fosi}×R_{s_70.6_fosi}；所述R_{s_70.6_fosi}是入射角度为70.6度的s偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率；所述R_{s_0_fosi}是入射角度为0度的s偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率；

步骤17、计算总反射效率B=(R_{s_fosi}+R_{p_fosi})/2*r_{fibercollection}*I。

R_{s_70.6_fosi}、R_{p_70.6_fosi}和R_{s_0_fosi}、R_{p_0_fosi}谱线如图8所示，其中，5表示R_{s_70.6_fosi}的谱线，6表示R_{s_0_fosi}和R_{p_0_fosi}的谱线，7表示R_{p_70.6_fosi}的谱线，这里s偏振光和p偏振光的反射率随增透膜的厚度及光学常数的变化而变化。

步骤20、基于所述总反射效率A和所述总反射效率B求出包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的相对反射比率R_cal，即 $R_{\mathrm{cal}}=\frac{B}{A}=\frac{R_{s\_\mathrm{foSi}}+R_{p\_\mathrm{foSi}}}{R_{s\_\mathrm{Si}}+R_{p\_\mathrm{Si}}}.$

步骤30、测量包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的反射比率R。该步骤具体包括：

步骤301、测量光谱仪暗数值I_d。

步骤302、探测光垂直入射不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池参考样品，测量参考样本反射光谱I_r。

步骤303、测量包含增透膜的单晶硅基太阳能电池，并获得反射光谱I。

步骤304、计算包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的相对反射比率R=(I-I_d)/(I_r-I_d)。

参考样品反射光谱的获得可通过测量设置的标准样品。由于单晶硅基太阳能电池非镀膜面也具有标准的结构，故可以直接测量待测样品的背面反射光谱作为参考光谱。注意，此处与通常膜厚仪或椭圆偏振仪中所述反射率不同，通常所述反射率为样品的绝对反射率，此处所述反射比率为相对参考样品的反射率之比。

步骤40、将所述Rcal与所述R比较，模型中设定增透膜厚度及光学常数为变量，通过数值回归的曲线拟合过程，计算得出膜厚与材料光学常数。建模是指在给定薄膜结构，例如：薄膜层数及每层的厚度，薄膜在波长上的光学常数（N&k）,的情况下，通过电磁波反射和透射理论，计算出薄膜结构在波长上的反射率和透射率的过程。具体建模过程可参考书名为“Spectroscopic Ellipsometry Principles and Applications”（出版日期为2007年，作者为Hiroyuki Fujiwara）中的介绍，不再赘述。样品表面粗糙度虽也可为模型一部分，但通常在没有测量的情况下皆为未知量。此处所述模型不包括粗糙度信息。以80nm氮化硅增透膜单晶硅基太阳能片为例，如图9所示，标号8为三次反射模型计算出的理论模型计算的反射比率，标号9为反射比率实际测量值，曲线符合较好。

图10所示为计算出的氮化硅光学常数(n，k)。

当入射角度在15.9度附近+/-5度范围内时，其综合反射率变化几乎无法区分，与厚度变化存在明显差异，确保了测量准确性，如图11所示，为厚度为70nm、80nm和90nm三种情况的总反射比率光谱，可见本发明对厚度存在较好敏感性。图12示出了80nm的包含增透膜的单晶硅基太阳能电池在入射角度为15.9度附近+/-5度范围变化时，其总反射率的变化，其中，-5度与+5度经历完全相同的三个角度，只是反射先后顺序不同，在此并未示出。因此，上述测量过程还包括对入射光的数值孔径进行调整。入射光孔径角的一半的调整范围是10.9度~20.9度。优选地，入射光孔径角的一半是15.9度。

本发明还进一步包括优化粗糙表面的建模方法。即，由于样品表面仍会存在一定缺陷和与波长关联的散射，以及测量时焦距变化可能造成的误差，可将测量反射率R与建模设定情况下计算出的理论反射率R_cal关系设定为：

$R=\underset{\&CenterDot;}{\mathrm{\&alpha;}}\&times;R_{\mathrm{cal}},$

这里

可以进一步表示为波长的关系式：

α＝M+Nλ。

如此，除设定增透膜厚度及光学常数为变量，同时将系数M、N设定为变量，通过数值回归的曲线拟合过程，可计算得出膜厚与材料光学常数及相应的系数M和N。

下面结合2个实施例对本发明利用反射光谱测量单晶硅基太阳能电池表面增透膜的方法的具体实现方法进行说明。

实施例一

图13为本发明实施例一采用测量反射率的光学探测头测量单晶硅基太阳能电池增透膜系统的示意图。该测量系统包括：反射率测量探头101和样品承载台102。测量时，反射率测量探头101发出的宽光谱光束垂直入射至单晶硅样品表面（承载台102平面），样品表面的反射光束入射至反射率测量探头101，获得反射光谱。测量时，在z方向扫描，获得最强反射光谱。

首先，将不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池作为参考样品，测量参考样品反射光谱，可以使用标准样品作为参考样品，也可使用待测样品背面做为作为参考样品。当承载台102表面仅包含放置样品的区域103时，测量参考样品反射光谱时须将参考样品放置在样品承载台102上。承载台102表面还可包含长期放置标准样品的区域103’；如此，参考样品反射光谱的采集仅需标定标准样品固定的空间坐标（x、y、z），需获取参考光谱时仅需在此点测量即可。

本实施例中所述反射率探测头101可采用光纤束结构，如专利申请201010593609.6和201110005913.9中所述。现简单介绍其中一种形式。如图14所示，反射率探测头101由光纤束1101、光源1102、探测器1103组成。光纤束1101由一定数量的独立光纤捆绑组成；分为三个端点，端点A包含光纤束1101全部通路，端点B和端点C各包含光纤束1101的部分通路。其中，端点B包含光纤束1101中入射子光纤束部分的端口，端点C包含光纤束1101中出射子光纤束部分的端口。光源1102与光纤束端点B连接，发出的探测光束经端点B所包含的光纤通路在A端端口入射至样品1104，其反射光束入射至光纤束1101端点A；部分样品反射光入射端点C所包含光纤通路在A端的端口，最终入射至探测器1103。

本实施例中，光纤束1101可选用反射/背散射光纤束，如图15a-15c所示，为该光纤束的三个光纤端口。光纤束光路分为两组；一组为包含六个光纤芯的虚线光纤芯，和一组包含一个光纤芯的实线光纤芯；分别形成两个单独的光通路，在本实施例中形成入射通路和反射通路。在光纤束A端，两路光通路共用一个光纤接口；在光纤B端和C端，两个光通路分别为独立光纤接口。本实施例中端口B与光源连接，端口C与探测器连接。此类光纤，如Oceanoptics QR230-7-XSR/BX，光纤芯直径230μm，光谱范围可达180-900nm。本实施例中，聚光单元也可以集成至入射子光纤和/或出射子光纤中。

优选地，本技术方案中，光纤束由一根中心光纤和环绕中心光纤的若干根分支光纤构成，若干根分支光纤横截面上的圆心位于中心光纤的同心圆环上，并等分此圆环；中心光纤作为入射光纤子束，若干根分支光纤作为出射光纤子束；或中心光纤作为出射光纤子束，若干根分支光纤作为入射光纤子束。

控制此光学系统的数值孔径，仅需具有合适光学数值孔径的光纤束即可。本发明优选数值孔径为0.28以下。

优选地，如图16，采用光纤束结构的反射率探测头1101还包括聚光单元1105，该聚光单元1105位于光纤束1101的A端与样品1104之间。光纤束1101的A端发出的探测光束经聚光单元1105会聚后探测光束垂直入射至样品1104表面，其反射光束经聚光单元1105会聚后入射至光纤束1101端点A；部分样品反射光入射端点C所包含光纤通路在A端的端口，最终入射至探测器1103。如果样品所处位置为端口A所对应的焦平面，当样品为非粗糙表面时，反射光束将绝大部分返回光纤束光源端口。当通过移动样品平面至微小尺度离焦位置时，部分反射光耦合进入端口A中的边缘光纤通道后从C端出射。对于表面粗糙度较高的薄膜，如太阳能电池。在聚焦状态下，样品表面反射光可直接进入连接探测器的光纤芯中。控制此光学系统的数值孔径，仅需在光学过程中加入光阑限制光束的发散角度，如图17中所示，为利用曲面反射镜1106作为聚光单元的光学探头结构，其中光阑1107可以用来控制光束的发散角度，优选反射光发散角度设定在15.9度以内。

所述聚光单元1105还可以是单一透镜或透镜组。在光源为宽光谱情况下，透镜会造成色散；在垂直入射情况下，尽管不影响测量结果准确性，但会影响精确度。实际中可选用色散矫正能力较佳的透镜组实现最大化的矫正色散造成的焦距不同的影响。透镜例如，校正三片镜组件，三胶合透镜或双胶合透镜。现以紫外到红外校正三片镜组件为例，如Edmund Optics，NT64-837和NT64-840。必要时，可设计包含平行光过程及偏振保持的聚光单元，以便在其中加入偏振器，进而可以测量各向异性的薄膜。

优选地，出射光纤子束的若干根分支光纤的多个端口排列为与所述光探测器入光口形状对应的形状，以提高光探测器的采光效率。本实施例中，若光纤束1101端口C连接至光谱仪时。根据光谱仪狭缝的结构，可将光纤束1101端口C端多光纤芯一字排列，以获得更高的光耦合效率。图18为本发明实施例一采用光纤束分光的垂直入射宽带光谱仪中根据光谱仪狭缝的形状调整出射光纤子束光纤端口排布的示意图。

晶片承载台可以是可调整XYZ的平移台，可通过调整位置，对整个样品表面进行扫描，形成表面厚度分布图。

本实施里还可增加视觉系统，对有图案的样品表面生成分布图案，并测量指定位置。

本发明中，所述光源可以为包含多重波长的光源。具体地说，所述光源的光谱可以在真空紫外至近红外光范围内，即，在150nm至2200nm波长范围内。光源可以是氙灯、氘灯、钨灯、卤素灯、汞灯、包含氘灯和钨灯的复合宽带光源、包含钨灯和卤素灯的复合宽带光源、包含汞灯和氙灯的复合宽带光源、或者包含氘钨卤素的复合宽带光源，通常此类光源的光束为自然光。此类光源的例子包括Oceanoptics公司产品HPX-2000、HL-2000和DH2000，以及Hamamatsu公司产品L11034、L8706、L9841和L10290。光源也可为利用消偏振器将部分偏振光或偏振光转化后形成的自然光。例如，消偏振器可以是Lyot消偏振器（美国专利No.6667805）。所述探测器103可以是光谱计，具体地说，可以是包含光栅，反射镜，和电荷耦合器件（CCD）或光电二极管阵列（PDA）的光谱计，例如，OceanOptics QE65000光谱计或B&W Teck Cypher H光谱计。

所述系统还包括计算单元，该计算单元用于通过反射率数学模型计算和曲线回归拟合，计算样品的结构、厚度和光学常数。

实施例二

本实施例中所述反射率探测头101可采用光学元件（透镜和反射镜等）结构，如图19所示。光源1202出射发散光经透镜1205后，平行入射透射通过分光器1201，经透镜1206会聚后聚焦至样品1204表面；样品1204表面的反射光经透镜1206反射后，垂直入射分光器1201；经分光器1201反射后经透镜1207会聚，入射至探测器1203，获得样品表面的反射光谱。系统可在透镜1206与样品1204之间，或者在透镜1207与探测器1203之间增加光阑用以限制光束传播角度，优选反射光发散角度设定在15.9度以内。采用光学元件结构的优点为1）通过选用晶体可实现更宽光谱的量测，如CaF2、Fuzed Silica、MgF2等。2）可通过增加偏振控制单元，用于测量独立的测量p光和s光。

在光源为宽光谱情况下，透镜会造成色散；在垂直入射情况下，尽管不影响测量结果准确性，但会影响精确度。实际中可选用色散矫正能力较佳的透镜组实现最大化的矫正色散造成的焦距不同的影响。透镜例如，校正三片镜组件，三胶合透镜或双胶合透镜。现以紫外到红外校正三片镜组件为例，如Edmund Optics，NT64-837和NT64-840。

更加具体的利用反射镜替代透镜的反射率探测头101可与专利申请201010270454.2、专利申请201110032744.8中相同。此专利中所述的利用全反射的光学系统可以避免色散，形成宽光谱下光斑直径小于50微米的小光斑；并且，其保持偏振的特性可以保证探测光束经反射后垂直入射至样品前仍为自然偏振光。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种利用反射光谱测量单晶硅基太阳能电池表面增透膜的方法，其特征在于，包括：

通过建模模拟计算分别得出不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率A与包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率B；

基于所述总反射效率A和所述总反射效率B求出包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的相对反射比率Rcal；

测量包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的的反射比率R；

将所述Rcal与所述R比较，设定增透膜厚度及增透膜材料的光学常数或光学常数物理模型的系数为变量，通过数值回归的曲线拟合过程，计算得出膜厚与材料光学常数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述得出不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率A包括：

计算p偏振光的反射率，即R_{p_si}=R_{p_70.6_si}×R_{p_0_si}×R_{p_70.6_si}；所述R_{p_70.6_Si}是入射角度为70.6度的p偏振光在硅基上的理论反射率；所述R_{p_0_si}是入射角度为0度的p光在硅基上的理论反射率；

计算s偏振光的反射率，即R_{s_Si}=R_{s_70.6_Si}×R_{s_0_Si}×R_{s_70.6_Si}；所述R_{s_70.6_Si}是入射角度为70.6度的s偏振光在硅基上的理论反射率；所述R_{s_0_Si}是入射角度为0度的s偏振光在硅基上的理论反射率；

计算所述总反射效率A=(R_{s_Si}+R_{p_Si})/2*r_{fibercollection}*I，所述r_{fibercollection}为光纤采集率，I为入射光强。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述得出包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的总反射效率B包括：

计算p偏振光的反射率，即R_{p_fosi}=R_{p_70.6_fosi}×R_{p_0_fosi}×R_{p_70.6_fosi}；所述R_{p_70.6_fosi}是入射角度为70.6度的p偏振光在包含增透膜的硅基上的理论反射率；所述R_{p_0_fosi}是入射角度为0度的p偏振光在包含增透膜的硅基上的理论反射率；

计算s偏振光的反射率，即R_{s_fosi}=R_{s_70.6_fosi}×R_{s_0_fosi}×R_{s_70.6_fosi}；所述R_{s_70.6_fosi}是入射角度为70.6度的s偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率；所述R_{s_0_fosi}是入射角度为0度的s偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率；

计算所述总反射效率B=(R_{s_fosi}+R_{p_fosi})/2*r_{fibercollection}*I，所述r_{fibercollection}为光纤采集率，I为入射光强。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述基于所述总反射效率A和所述总反射效率B求出单晶硅基太阳能电池的相对反射比率 $R_{\mathrm{cal}}=\frac{B}{A}=\frac{R_{s\_\mathrm{foSi}}+R_{p\_\mathrm{foSi}}}{R_{s\_\mathrm{Si}}+R_{p\_\mathrm{Si}}}.$

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的反射比率R包括：

测量光谱仪暗数值I_d；

探测光垂直入射不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池参考样品，测量参考样本反射光谱I_r；

测量包含增透膜的单晶硅基太阳能电池，并获得反射光谱I；

计算包含增透膜的单晶硅基太阳能电池相对于不包含增透膜的单晶硅基太阳能电池的相对反射比率R=(I-I_d)/(I_r-I_d)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述不包含增透膜的单晶硅基太阳能参考样品为腐蚀处理后未镀膜的单晶硅硅片或抛光后的单晶硅片。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

设定所述相对反射比率R_cal与所述反射比率R之间的关系为R=α*R_cal，所述α＝M+Nλ，所述λ为波长；

设定增透膜厚度及光学常数或光学常数物理模型的系数为变量，同时将系数M、N设定为变量，通过数值回归的曲线拟合过程，计算得出膜厚与材料光学常数及相应的系数M和N。

8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

控制反射光谱仪中的数值孔径；所述数值孔径≤0.28。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过光阑或选择光纤控制光学系统的数值孔径。

10.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

控制入射光孔径角；所述入射光孔径角为10.9度~20.9度。

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