CN103929128A - 一种硅片与硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅片与硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测方法与系统。所述方法由正弦规律调制808nm半导体激光激励、短波红外探测器采集少数载流子辐射复合发光信号及发光信号锁相处理与少数载流子运输参数分析三个步骤组成；所述系统包括激光激励装置、函数发生器、短波红外探测器、锁相放大器及计算机。本发明应用短波红外探测技术与信号采集及锁相处理技术得到调制激光诱发半导体硅片与硅基太阳能电池的载流子辐射复合发光的频域响应特性，利用少数载流子辐射复合发光频响特性分析得到少数载流子传输特性参数，这是一种快速、准确及全面获取少数载流子传输特性参数的无损检测方法。

Description

一种硅片与硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测方法与系统

技术领域

本发明涉及一种硅片半导体材料与硅基太阳能电池的少数载流子传输参数的无损检测方法，尤其涉及一种基于调制激光激发少数载流子辐射复合发光检测硅片及硅基太阳能电池的少数载流子输运特性参数（少数载流子平均寿命τ、扩散系数D、前后表面复合速率S _f 、S _b ）的无损检测新方法。 

背景技术

随着新型半导体材料制备和先进太阳能电池制造技术的发展，高性能、高转化效率的太阳能电池需求不断增大，现代太阳能电池工业需求已达到GW量级。半导体材料制备与太阳能电池的制造和质量控制与评价已成为关键问题。众所周知，半导体材料或太阳能电池吸收光子产生少数载流子的传输特性参数（少数载流子平均寿命、扩散系数（率）及表面复合速率等）直接决定了太阳能电池的性能和效率。 

目前代表性的半导体硅片少数载流子平均寿命与扩散长度的检测方法主要有电致发光检测（EL）、光致发光检测（PL）、光电导衰减检测（PCD）及光热辐射检测（PTR）等。电致发光检测（EL）一般适用于硅基太阳能电池片的少数载流子平均寿命与少数载流子扩散长度的检测，该方法具有快速、准确等优点，但需要硅基太阳能电池片带有电极进行接触施加偏置电压，而易于对太阳能电池片造成破坏，且无法对半导体硅片的少数载流子传输特性进行检测。光电导衰减检测（PCD）是一种准确快速、非接触的检测半导体硅片少数载流子平均寿命的检测方法，该方法对待测样品形状、尺寸和电阻率有一定要求，PCD不能对太阳能电池的少数载流子传输特性参数进行检测，同时，当半导体硅片的少数载流子平均寿命较短时，需要采样频率更高的电子设备记录光脉冲和光电导衰减信号，其灵敏度较低。光致发光检测（PL）是一种快速、非接触检测半导体硅片的少数载流子寿命的检测方法，该方法可实现半导体硅片少数载流子寿命分布的快速检测，但该方法难于实现太阳能电池少数载流子传输特性参数的检测。光热辐射检测技术（PTR）是一种非接触的无损检测方法，可用于高温、强放射性等恶劣或危险环境下进行检测，用于半导体硅片少数载流子传输特性检测时计算量大，分析复杂，对少数载流子传输特性参数的检测灵敏度低。 

尽管目前存在了基本成熟的少数载流子传输特性参数的检测方法，这些方法各有所长，也各有其局限性。调制激光诱发少数载流子辐射复合发光检测技术具有非接触、分析简单、灵敏度高等优点，可实现半导体硅片与硅基太阳能电池的少数载流子传输特性参数的检测，不受样件形状、尺寸及电阻率的限制。因此，实现全面可靠的调制激光诱发少数载流子辐射复合发光检测硅片及硅基太阳能电池的少数载流子传输特性参数具有重要意义。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于调制激光诱发载流子辐射复合发光检测半导体硅片与硅基太阳能电池的少数载流子传输特性参数的无损检测方法，应用短波红外探测技术与信号采集及锁相处理技术得到调制激光诱发半导体硅片与硅基太阳能电池的载流子辐射复合发光的频域响应特性，利用少数载流子辐射复合发光频响特性分析得到少数载流子传输特性参数，这是一种快速、准确及全面获取少数载流子传输特性参数的无损检测方法。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种硅片及硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测方法，由正弦规律调制808nm半导体激光激励、短波红外探测器采集少数载流子辐射复合发光信号及发光信号锁相处理与少数载流子运输参数分析三个步骤组成，具体步骤如下：

首先，将函数发生器的输出端通过信号线与半导体激光器电源的弱信号输入端相连，实现半导体激光器输出的激光光强按照正弦规律变化，通过聚焦镜和反射镜使半导体激光器输出的调制激光在激发离轴抛物镜的焦点位置聚焦，并激发焦点位置处的硅片或硅太阳能电池产生非平衡少数载流子密度波，同时非平衡少数载流子通过辐射复合而发光。

其次，将1000nm长通滤波片放置在短波红外探测器的前端，短波红外探测器固定在三维微位移调节台上，调节三维微位移台的水平与垂直运动，使短波红外探测器移至采集离轴抛物镜的焦点位置。激发离轴抛物镜将非平衡少数载流子辐射复合发出的光反射到采集离轴抛物镜并聚焦，激发离轴抛物镜轴线与采集离轴抛物镜轴线完全重合，且采集离轴抛物镜的直径大于激发离轴抛物镜的直径。非平衡少数载流子辐射复合发出的光聚焦后通过1000nm长通滤波片被短波红外探测器收集。 

最后，短波红外探测器将光电转换信号放大后通过信号线与锁相放大器的测量输入端相连，函数发生器输出端用信号线与锁相放大器参考信号输入端相连，由锁相放大器完成正弦调制半导体激光光强激励下的非平衡少数载流子辐射复合发光的幅值与相位计算，通过对非平衡少数载流子辐射复合发光的频响特性进行分析，计算少数载流子输运参数（少数载流子平均寿命τ、扩散系数D、前后表面复合速率S _f 、S _b ）。 

本发明中，采用波长808nm的半导体激光器作为激励源，最大调制频率为200KHz，调制激光经过聚焦镜与反射镜聚焦到激发离轴抛物镜的焦点，并激发样件产生非平衡少数载流子密度波。 

本发明中，采用短波红外探测器，波长响应范围为900nm-1700nm，在红外探测前端加一个1000nm长通滤波片阻止样件反射的激光进入红外探测器。红外探测器固定在三维微位移台上，通过调节微位移台的水平与垂直运动，使红外探测器处于采集离轴抛物镜的焦点位置。 

本发明中，调制激光通过激发离轴抛物镜的加工小孔聚焦到激发离轴抛物镜的焦点。 

本发明中，采用计算机编程完成函数发生器与数字锁相放大器参数设置、计算结果的采集与保存及少数载流子传输特性参数分析，实现硅片及硅基太阳能电池的少数载流子传输特性的无损检测。 

一种硅片及硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测系统，包括激光激励装置、函数发生器、短波红外探测器、锁相放大器及计算机，其中： 

所述激光激励装置用以实现激光激发半导体产生少数载流子，它包括半导体激光器、聚焦镜、反射镜、激发离轴抛物镜与采集离轴抛物镜，所述半导体激光器输出激光通过聚焦镜和反射镜聚焦在激发离轴抛物镜焦点位置，采集离轴抛物镜与激发离轴抛物镜保持同轴，且采集离轴抛物镜直径大于激发离轴抛物镜直径；

所述函数发生器用以产生调制激励信号；

所述短波红外探测器前端带有1000nm长通滤波片用以探测少数载流子辐射复合发光信号，1000nm长通滤波片用以消除激励激光的影响；

所述锁相放大器用以进行调制激励信号与少数载流子辐射复合发光信号的锁相运算，得到少数载流子辐射复合发光信号的幅值与相位；

所述计算机用以编程分析少数载流子辐射复合发光信号的幅频与相频响应特性，计算得到少数载流子传输参数。

本发明利用调制激光诱发少数载流子辐射复合发光的频响特性实现半导体硅片及硅基太阳能电池的少数载流子传输特性的无损检测的方法，该方法是一种利用锁相运算提取调制激光诱发少数载流子辐射复合发光的幅频与相频响应特性对少数载流子传输特性并进行分析的方法，它结合了微弱信号处理技术与信息处理技术的长处，可直接检测半导体硅片与硅基太阳能电池的少数载流子传输参数。 

附图说明

图1为少数载流子传输特性检测示意图； 

图2为调制激光聚焦调整示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明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，均应涵盖在本发明的保护范围中。 

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式提供的半导体硅片及硅基太阳能电池的少数载流子传输参数的无损检测方法是利用计算机软件采集并处理调制激光诱发少数载流子辐射复合发光的频响特性而实现少数载流子传输特性检测的。图中，函数发生器14的输出端与半导体激光器1的电源弱信号输入端通过数据线10相连，使半导体激光器1输出的激光光强按照正弦规律变化，同时通过聚焦镜2和反射镜3使调制激光在激发离轴抛物镜4的焦点位置聚焦，并激发焦点位置处的硅片或硅太阳能电池5产生非平衡少数载流子密度波。1000nm长通滤波片6放置在短波红外探测器7的前端，短波红外探测器7固定在三维微位移调节台8上，调节三维微位移台8的水平与垂直运动，使短波红外探测器7移至采集离轴抛物镜9 的焦点位置。激发离轴抛物镜4将非平衡少数载流子辐射复合发出的光反射到采集离轴抛物镜9并聚焦，保证激发离轴抛物镜4轴线与采集离轴抛物镜9轴线完全重合，且采集离轴抛物镜9的直径大于激发离轴抛物镜4的直径。非平衡少数载流子辐射复合发出的光聚焦后通过1000nm长通滤波片6被短波红外探测器7收集并将光电转换信号放大后输入到锁相放大器13的测量输入端，同时函数发生器14输出信号输入到锁相放大器13的参考信号输入端，锁相放大器13完成正弦调制半导体激光光强激励下的非平衡少数载流子辐射复合发光的幅值与相位计算，通过对非平衡少数载流子辐射复合发光的频响特性进行分析，计算少数载流子传输特性参数，实现对半导体硅片及硅基太阳能电池少数载流子传输特性的可靠准确检测。 

具体实施方式二：本实施方式结合图1-2对半导体硅片及硅基太阳能电池的少数载流子传输参数的无损检测方法进行阐述。所述检测方法具体实施包括三个部分：正弦规律调制808nm半导体激光激励、短波红外探测器采集少数载流子辐射复合发光信号和发光信号锁相 运算处理与少数载流子传输参数分析，具体步骤如下： 

一、正弦规律调制808nm半导体激光激励步骤 

步骤1：将函数发生器14输出端与半导体激光器1电源的控制端口连接； 

步骤2：调制激光经过聚焦镜2在反射镜3处聚焦； 

步骤3：聚焦后调制激光经过加工孔到达激发离轴抛物镜4的焦点处激发少数载流子(如图2所示)。 

二、短波红外探测器采集少数载流子辐射复合发光信号步骤 

步骤1：调制激光诱发的少数载流子辐射复合发光经过激发离轴抛物镜5采集后转移到采集离轴抛物镜9，并聚焦在采集离轴抛物镜9的焦点位置； 

步骤2：1000nm长通滤波片6放置在短波红外探测器7的前端； 

步骤3：短波红外探测器7固定在三维微位移台8上，调整三维微位移台8的水平与垂直运动，使短波红外探测器7位于采集离轴抛物镜9的焦点位置探测少数载流子辐射复合发光信号。 

三、发光信号锁相运算处理与少数载流子传输参数分析步骤 

步骤1：短波红外探测器7的信号输出端通过第一信号线11与锁相放大器13的测量信号输入端相连；

步骤2：函数发生器14的信号输出端用第二信号线12与锁相放大器13的参考信号输入端相连；

步骤3：锁相放大器13完成少数载流子辐射复合发光信号的幅值与相位的计算；

步骤4：利用计算机15编程对锁相放大器13的计算结果进行采集与保存及少数载流子传输特性参数进行分析。

四、输运参数测量实例 

为了说明该方法的实际检测效果，进行了硅片的少数载流子平均寿命的检测。

单晶硅片少数载流子平均寿命检测：采用尺寸为Ф40mm的硅片，激光光源激励参数：功率60mW，激光光斑直径0.2mm，调制频率范围10Hz-100KHz；锁相放大器时间常数1s，延时时间5s。 

检测结果为： 

通过本实施方式提供的方法检测硅片的少数载流子平均寿命τ=6.56μs，利用Sinton WCT-120少数载流子寿命探测器检测的该硅片的少数载流子平均寿命τ=6.72μs，二者偏差＜3%。

Claims (7)

1.一种硅片与硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测方法，其特征在于所述方法步骤如下：

首先，将函数发生器的输出端通过信号线与半导体激光器电源的弱信号输入端相连，实现半导体激光器输出的激光光强按照正弦规律变化，通过聚焦镜和反射镜使半导体激光器输出的调制激光在激发离轴抛物镜的焦点位置聚焦，并激发焦点位置处的硅片或硅太阳能电池产生非平衡少数载流子密度波，同时非平衡少数载流子通过辐射复合而发光；

其次，将1000nm长通滤波片放置在短波红外探测器的前端，短波红外探测器固定在三维微位移调节台上，调节三维微位移台的水平与垂直运动，使短波红外探测器移至采集离轴抛物镜的焦点位置；激发离轴抛物镜将非平衡少数载流子辐射复合发出的光反射到采集离轴抛物镜并聚焦；非平衡少数载流子辐射复合发出的光聚焦后通过1000nm长通滤波片被短波红外探测器收集；

最后，短波红外探测器将光电转换信号放大后通过信号线与锁相放大器的测量输入端相连，函数发生器输出端用信号线与锁相放大器参考信号输入端相连，由锁相放大器完成正弦调制半导体激光光强激励下的非平衡少数载流子辐射复合发光的幅值与相位计算，通过对非平衡少数载流子辐射复合发光的频响特性进行分析，计算少数载流子输运参数。

2.根据权利要求1所述的硅片与硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测方法，其特征在于所述激发离轴抛物镜轴线与采集离轴抛物镜轴线完全重合，且采集离轴抛物镜的直径大于激发离轴抛物镜的直径。

3.根据权利要求1所述的硅片与硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测方法，其特征在于所述半导体激光器的波长为808nm，最大调制频率为200KHz。

4.根据权利要求1所述的硅片与硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测方法，其特征在于所述短波红外探测器的波长响应范围为900nm-1700nm。

5.一种硅片及硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测系统，其特征在于所述系统包括激光激励装置、函数发生器、短波红外探测器、锁相放大器及计算机，其中：

所述激光激励装置用以实现激光激发半导体产生少数载流子；

所述函数发生器用以产生调制激励信号；

所述短波红外探测器前端带有1000nm长通滤波片用以探测少数载流子辐射复合发光信号，1000nm长通滤波片用以消除激励激光的影响；

所述锁相放大器用以进行调制激励信号与少数载流子辐射复合发光信号的锁相运算，得到少数载流子辐射复合发光信号的幅值与相位；

所述计算机用以编程分析少数载流子辐射复合发光信号的幅频与相频响应特性，计算得到少数载流子传输参数。

6.根据权利要求5所述的硅片及硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测系统，其特征在于所述激光激励装置包括半导体激光器、聚焦镜、反射镜、激发离轴抛物镜与采集离轴抛物镜，所述半导体激光器输出激光通过聚焦镜和反射镜聚焦在激发离轴抛物镜焦点位置，采集离轴抛物镜与激发离轴抛物镜保持同轴。

7.根据权利要求6所述的硅片及硅基太阳能电池的少数载流子传输特性检测系统，其特征在于所述采集离轴抛物镜直径大于激发离轴抛物镜直径。