CN113922757A - 宽光谱光束诱导电流成像装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽光谱光束诱导电流成像装置及其应用，将太阳能电池表层缺陷深度分为四段，根据缺陷深度划分检测波长范围；使用白光光源，搭配不同波长的干涉滤光片，获取准单色光源。应用宽光谱光束诱导电流成像装置测试太阳能电池缺陷，依次测量四种波长扫描得到的电流，求解电流的累积分布函数图，通过累积分布函数图确定电流分布0.05分位数对应的分位点，根据分位点大小选择最优波长。本发明具有以下优点：（1）通过四次扫描，可以快速地选择合适的检测波长，使检测到的太阳能电池缺陷的数量最多，提高检测效率。（2）采用宽光谱光源，同时配备不同的干涉滤光片，降低了系统结构的复杂程度和更换光源带来的调试问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种光束诱导电流扫描成像装置，特别是一种宽光谱光束诱导电流成像装置及其应用。
背景技术
光束诱导电流成像(Light beam induced current mapping,LBIC mapping)技术是一种对半导体光伏器件内部缺陷和光电性能进行检测的方法，具有分辨率高、无损检测等优点，被广泛应用于太阳能电池缺陷检测。LBIC技术通过将测量光束聚焦成微小光斑，在样品表面进行扫描，同时检测太阳能电池样品输出电流，根据电流的变化来反映样品缺陷和光电性能。通过LBIC技术可以测量短路电流分布、量子效率分布、少数载流子扩散长度、P-N结结深、晶界、位错等信息。此外，通过改变探测光波长，可以探测不同深度的缺陷。
当前公开的光束诱导电流检测装置中，存在以下不足：(1)为了探测不同深度缺陷，通常需要配备不同波长的激光器，甚至还要配备不同的激光器电源，这种方法既低效，又增加了LBIC设备的结构复杂型，同时还增加了体积，并且在更换激光器后还需要重新调试光路。(2)关于光束波长的选择，仅是要求波长处于太阳能电池的吸收带内，没有提出选择方案。
发明内容
本发明目的在于提供一种应用宽光谱光束诱导电流成像装置测试太阳能电池缺陷的方法，可以快速地选择光束波长，更好地检测太阳能电池缺陷。
实现本发明的技术方案为：一种基于宽光谱光束诱导电流成像装置，包括LED光源、光纤输出准直镜头、扩束系统、干涉滤光片系统、分光镜、功率计、二维振镜扫描系统、F-theta镜头、电动升降滑台、源表、PC机；LED光源通过光纤跳线连接光纤输出准直镜头，共第一光轴依次设置光纤输出准直镜头、扩束系统、干涉滤光片系统、分光镜、二维振镜扫描系统，功率计设置在分光镜的反射光路上，二维振镜扫描系统上设有F-theta镜头，电动升降滑台上设有太阳能电池样品，源表连接太阳能电池样品，PC机同时与功率计、二维振镜扫描系统、源表连接。
所述的基于宽光谱光束诱导电流成像装置测试太阳能电池缺陷的方法，步骤如下：
步骤1、调节电动升降滑台，使太阳能电池样品位于F-theta镜头焦平面处，转入步骤2；
步骤2、对二维振镜扫描系统进行手眼标定，获取振镜理论坐标与实际坐标的转换关系，转入步骤3；
步骤3、打开LED光源，调节分光镜，使反射光与透射光的分光比为1:9。调节扩束系统，使入射到太阳能电池样品的光斑直径小于100um，转入步骤4；
步骤4、调节干涉滤光片系统，选择一个干涉滤光片，使输出准单色光束波长为850nm，转入步骤5；
步骤5、通过PC机控制二维振镜扫描系统作二维粗扫描，扫描步长大于100um，同时触发源表测量太阳能电池样品输出的电流I、并读取功率计输出的参考功率P，直到完成扫描，转入步骤6；
步骤6、扫描完成后，为了消除光源能量不稳定带来的误差，PC机对不同测量点的参考功率P进行归一化，得到Pnorm，并以归一化功率值为权重，对测量得到的电流I进行校正，得到校正后的电流Icorr，其中Icorr＝I×(1-Pnorm)，转入步骤7；
步骤7、绘制电流累积分布函数图，根据电流累积分布函数图，确定该电流累积分布函数下侧0.05分位数对应的分位点，转入步骤8；
步骤8、通过更换干涉滤光片，重新调整干涉滤光片系统，依次使输出的准单色光束波长在750nm到850nm之间、590nm到690nm之间以及470nm，分别返回步骤5，直至上述三种波长范围内均测量完毕，转入步骤9；
步骤9、重新调整干涉滤光片系统，选择上述四个分位点Inormi中最小分位点对应的波长，通过PC机控制二维振镜扫描系统作二维精细扫描，扫描步长小于100um，最后得到太阳能电池样品电流成像进行缺陷分析。
本发明与现有技术相比其显著的优点是：(1)通过四次扫描，可以快速地选择合适的检测波长，使检测到的太阳能电池缺陷的数量更多，从而提高检测效率。(2)采用宽光谱光源，同时配备不同的干涉滤光片，避免配备多种不同波长的激光器，降低了系统结构的复杂程度和更换激光器带来的调试问题。
附图说明
图1是根据本发明所述的一种宽光谱光束诱导电流成像装置。1-LED光源，2-光纤输出准直镜头，3-扩束系统，4-干涉滤光片系统，5-分光镜，6-功率计，7-二维振镜扫描系统，8-F-theta镜头，9-太阳能电池样品，10-电动升降滑台，11-源表，12-PC机。
图2是第二段缺陷深度有效检测波长范围交集示意图。
图3是第三段缺陷深度有效检测波长范围交集示意图。
图4为归一化电流累积分布函数图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体结构作进一步详细描述。以下实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
结合图1，本发明所述的一种基于宽光谱光束诱导电流成像装置，包括LED光源1、光纤输出准直镜头2、扩束系统3、干涉滤光片系统4、分光镜5、功率计6、二维振镜扫描系统7、F-theta镜头8、电动升降滑台10、源表11、PC机12。LED光源1通过光纤跳线连接光纤输出准直镜头2，共第一光轴依次设置光纤输出准直镜头2、扩束系统3、干涉滤光片系统4、分光镜5、二维振镜扫描系统7，功率计6设置在分光镜5的反射光路上，二维振镜扫描系统7上设有F-theta镜头8，电动升降滑台10上设有太阳能电池样品9，源表11连接太阳能电池样品9，PC机12同时与功率计6、二维振镜扫描系统7、源表11连接。
LED光源1输出波长为470nm到850nm的连续白光，经光纤输出准直镜头2后输出功率在0.3mW到1.2mW的光束，光束经扩束系统3后输出光束，其光斑直径大于8mm，扩束后的光束经干涉滤光片系统4变为准单色光束，准单色光束入射至分光镜5，功率计6对分光镜5的反射光进行测量，获取参考功率，经分光镜5透射的光经二维振镜扫描系统7和F-theta镜头8后，准单色光束聚焦到太阳能电池样品9上，聚焦光斑直径小于100um，源表11测量太阳能电池样品9的输出电流，PC机12读取功率计6、源表11的测量值，同时PC机12控制二维振镜扫描系统7，使准单色光束移动到太阳能电池样品9上的下一个测量点。扫描整个太阳能电池样品9后，PC机12对不同测量点的参考功率进行归一化，并以归一化功率值为权重，对测量得到的电流值进行校正，最后PC机12得到太阳能电池样品9的电流分布图像，根据电流分布图像，判断太阳能电池样品9上是否有缺陷。
扩束系统3、分光镜5、F-theta镜头8都采用宽带型号。
干涉滤光片系统4包括多种干涉滤光片，通过旋转部件切换不同波长的干涉滤光片。
分光镜5为分光镜入射角为45度，分光比为1:9，反射光为10％。
二维振镜扫描系统7包括两个轴向相互垂直的振镜，振镜所用振镜片反射波长为400nm到900nm。F-theta镜头8焦距为100mm。
本发明可测量太阳能电池样品9表层缺陷，可测量缺陷深度小于18um。将缺陷深度分为四段：第一段缺陷深度范围为小于0.3um，检测波长为470nm；第二段缺陷深度范围为[0.3um,2.4um)，检测波长范围为[590nm,690nm]；第三段缺陷深度范围为[2.4um,9.3um)，检测波长范围为[750nm,850nm)；第四段缺陷深度范围为[9.3um,18um)，检测波长为850nm。
下面结合表1、图2、图3，做进一步详细描述。在第一段内，缺陷检测峰值波长都是470nm，如表1所示，采用470nm作为检测波长能够得到更明显的缺陷信号。在第二段内，不同深度缺陷有效检测波长范围的交集是590nm到690nm，如图2所示，采用590nm到690nm范围内的检测波长，能够检测的缺陷深度范围最大。在第三段内，不同深度缺陷有效检测波长范围的交集是750nm到850nm，如图3所示，采用750nm到850nm范围内的检测波长，能够检测的缺陷深度范围最大。在第四段内，缺陷检测峰值波长都是850nm，如表1所示，采用850nm作为检测波长能够得到更明显的缺陷信号。
表1为不同深度缺陷有效检测波长
本发明所述的一种应用宽光谱光束诱导电流成像装置测试太阳能电池缺陷的方法，方法步骤如下：
步骤1、调节电动升降滑台10，使太阳能电池样品9位于F-theta镜头8焦平面处，转入步骤2。
步骤2、对二维振镜扫描系统7进行手眼标定，获取振镜理论坐标与实际坐标的转换关系，转入步骤3。
步骤3、打开LED光源1，调节分光镜5，使反射光与透射光的分光比为1:9。调节扩束系统3，使入射到太阳能电池样品9的光斑直径小于100um，转入步骤4。
步骤4、调节干涉滤光片系统4，选择一个干涉滤光片，使输出准单色光束波长为850nm，转入步骤5。
步骤5、通过PC机12控制二维振镜扫描系统7作二维粗扫描，扫描步长大于100um，同时触发源表11测量太阳能电池样品9输出的电流I、并读取功率计6输出的参考功率P，直到完成扫描，转入步骤6。
步骤6、扫描完成后，为了消除光源能量不稳定带来的误差，PC机12对不同测量点的参考功率P进行归一化，得到Pnorm，并以归一化功率值为权重，对测量得到的电流I进行校正，得到校正后的电流Icorr，其中Icorr＝I×(1-Pnorm)，转入步骤7。
步骤7、绘制电流累积分布函数图，根据电流累积分布函数图，确定该电流累积分布函数下侧0.05分位数对应的分位点，如图4所示，计算过程如下：
7-1)对校正后的电流Icorr进行归一化，得到归一化电流Inorm，使不同波长光束诱导的电流值具有可比性。
7-2)对Inorm进行直方图统计。
7-3)根据直方图统计结果，即概率密度函数，计算得到Inorm的累积分布函数F(Inorm)。
7-4)令F(Inormi)＝0.05，求解0.05分位数对应的分位点Inormi，Inormi越小，说明Inorm峰值向电流变小方向移动，说明检测出来的缺陷数量增加。其中，不同波长序号i＝1，2，3，4；转入步骤8。
步骤8、通过更换干涉滤光片，重新调整干涉滤光片系统4，依次使输出的准单色光束波长在750nm到850nm之间、590nm到690nm之间以及470nm，分别返回步骤5，直至上述三种波长范围内均测量完毕，转入步骤9。
步骤9、重新调整干涉滤光片系统4，选择上述四个分位点Inormi中最小分位点对应的波长，通过PC机12控制二维振镜扫描系统7作二维精细扫描，扫描步长小于100um。最后得到太阳能电池样品9电流成像进行缺陷分析。
实施例1
在本实施例中，太阳能电池样品9长宽高为20mm*20mm*200um，入射到太阳能电池样品表面9的光斑尺寸为30um。调节干涉滤光片系统4，选择一个干涉滤光片，使输出准单色光束波长为850nm。通过PC机12控制二维振镜扫描系统7作二维粗扫描，扫描步长为100um，同时触发源表11测量太阳能电池样品9输出的电流、并读取功率计6输出的参考功率，直到完成扫描。扫描完成后PC机12对测量得到的电流值进行校正。绘制校正后的电流累积分布函数图，根据电流累积分布函数图，确定该电流累积分布函数下侧0.05分位数对应的分位点。通过更换干涉滤光片，重新调整干涉滤光片系统4，依次使输出的准单色光束波长为780nm、650nm、470nm，分别重复上述步骤，直至上述三种波长范围内均测量完毕。重新调整干涉滤光片系统4，选择上述四个分位点中最小分位点对应的波长，通过PC机12控制二维振镜扫描系统7作二维精细扫描，扫描步长为10um。最后得到太阳能电池样品9电流成像进行缺陷分析。
Claims (7)
1.一种基于宽光谱光束诱导电流成像装置，其特征在于：包括LED光源(1)、光纤输出准直镜头(2)、扩束系统(3)、干涉滤光片系统(4)、分光镜(5)、功率计(6)、二维振镜扫描系统(7)、F-theta镜头(8)、电动升降滑台(10)、源表(11)、PC机(12)；LED光源(1)通过光纤跳线连接光纤输出准直镜头(2)，共第一光轴依次设置光纤输出准直镜头(2)、扩束系统(3)、干涉滤光片系统(4)、分光镜(5)、二维振镜扫描系统(7)，功率计(6)设置在分光镜(5)的反射光路上，二维振镜扫描系统(7)上设有F-theta镜头(8)，电动升降滑台(10)上设有太阳能电池样品(9)，源表(11)连接太阳能电池样品(9)，PC机(12)同时与功率计(6)、二维振镜扫描系统(7)、源表(11)连接。
2.根据权利要求1所述的基于宽光谱光束诱导电流成像装置，其特征在于：LED光源(1)输出波长为470nm到850nm的连续白光，经光纤输出准直镜头(2)后输出功率在0.3mW到1.2mW的光束，光束经扩束系统(3)后输出光束，其光斑直径大于8mm，扩束后的光束经干涉滤光片系统(4)变为准单色光束，准单色光束入射至分光镜(5)，功率计(6)对分光镜(5)的反射光进行测量，获取参考功率，经分光镜(5)透射的光经二维振镜扫描系统(7)和F-theta镜头(8)后，准单色光束聚焦到太阳能电池样品(9)上，聚焦光斑直径小于100um，源表(11)测量太阳能电池样品(9)的输出电流，PC机(12)读取功率计(6)、源表(11)的测量值，同时PC机(12)控制二维振镜扫描系统(7)，使准单色光束移动到太阳能电池样品(9)上的下一个测量点；扫描整个太阳能电池样品(9)后，PC机(12)对不同测量点的参考功率进行归一化，并以归一化功率值为权重，对测量得到的电流值进行校正，最后PC机(12)得到太阳能电池样品(9)的电流分布图像，根据电流分布图像，判断太阳能电池样品(9)上是否有缺陷。
3.根据权利要求2所述的基于宽光谱光束诱导电流成像装置，其特征在于：干涉滤光片系统(4)包括多种干涉滤光片，通过旋转部件切换不同波长的干涉滤光片。
4.根据权利要求3所述的基于宽光谱光束诱导电流成像装置，其特征在于：分光镜(5)为分光镜入射角为45度，分光比为1:9，反射光为10％。
5.根据权利要求4所述的基于宽光谱光束诱导电流成像装置，其特征在于：所述装置测量的太阳能电池样品(9)表层缺陷深度小于18um，将缺陷深度分为四段：第一段缺陷深度范围为小于0.3um，检测波长为470nm；第二段缺陷深度范围为[0.3um,2.4um)，检测波长范围为[590nm,690nm]；第三段缺陷深度范围为[2.4um,9.3um)，检测波长范围为[750nm,850nm)；第四段缺陷深度范围为[9.3um,18um)，检测波长为850nm。
6.基于权利要求1-5中任意一项所述的基于宽光谱光束诱导电流成像装置测试太阳能电池缺陷的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、调节电动升降滑台(10)，使太阳能电池样品(9)位于F-theta镜头(8)焦平面处，转入步骤2；
步骤2、对二维振镜扫描系统(7)进行手眼标定，获取振镜理论坐标与实际坐标的转换关系，转入步骤3；
步骤3、打开LED光源(1)，调节分光镜(5)，使反射光与透射光的分光比为1:9。调节扩束系统(3)，使入射到太阳能电池样品(9)的光斑直径小于100um，转入步骤4；
步骤4、调节干涉滤光片系统(4)，选择一个干涉滤光片，使输出准单色光束波长为850nm，转入步骤5；
步骤5、通过PC机(12)控制二维振镜扫描系统(7)作二维粗扫描，扫描步长大于100um，同时触发源表(11)测量太阳能电池样品(9)输出的电流I、并读取功率计(6)输出的参考功率P，直到完成扫描，转入步骤6；
步骤6、扫描完成后，为了消除光源能量不稳定带来的误差，PC机(12)对不同测量点的参考功率P进行归一化，得到Pnorm，并以归一化功率值为权重，对测量得到的电流I进行校正，得到校正后的电流Icorr，其中Icorr＝I×(1-Pnorm)，转入步骤7；
步骤7、绘制电流累积分布函数图，根据电流累积分布函数图，确定该电流累积分布函数下侧0.05分位数对应的分位点，转入步骤8；
步骤8、通过更换干涉滤光片，重新调整干涉滤光片系统(4)，依次使输出的准单色光束波长在750nm到850nm之间、590nm到690nm之间以及470nm，分别返回步骤5，直至上述三种波长范围内均测量完毕，转入步骤9；
步骤9、重新调整干涉滤光片系统(4)，选择上述四个分位点Inormi中最小分位点对应的波长，通过PC机(12)控制二维振镜扫描系统(7)作二维精细扫描，扫描步长小于100um，最后得到太阳能电池样品(9)电流成像进行缺陷分析。
7.根据权利要求6所述的基于宽光谱光束诱导电流成像装置测试太阳能电池缺陷的方法，其特征在于：步骤7中，绘制电流累积分布函数图，根据电流累积分布函数图，确定该电流累积分布函数下侧0.05分位数对应的分位点，具体如下：
7-1)对校正后的电流Icorr进行归一化，得到归一化电流Inorm；
7-2)对Inorm进行直方图统计；
7-3)根据直方图统计结果，即概率密度函数，计算得到Inorm的累积分布函数F(Inorm)；
7-4)令F(Inormi)＝0.05，求解0.05分位数对应的分位点Inormi，i表示不同波长序号，i＝1，2，3，4；Inormi越小，说明Inorm峰值向电流变小方向移动，说明检测出来的缺陷数量增加。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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