CN115458429A - 测量晶体硅太阳能电池少子寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量晶体硅太阳能电池少子寿命的方法，通过泵浦光和探测光的组合以不同角度照射样品，根据不同频率下的光强度变化量，拟合计算获得少子寿命。本发明设置简单紧凑，对空间要求低，同时拟合过程也相对简单。

Description

测量晶体硅太阳能电池少子寿命的方法
技术领域
本发明属于晶体硅太阳能电池领域，涉及在晶体硅太阳能电池制备过程中测量其半成品电池片的少子寿命的方法。
背景技术
在小注入光照情况下，半导体中产生的非平衡载流子浓度(电子(Δn)和空穴(Δp)，Δn＝Δp)一般远小于其平衡时载流子浓度(n0和p0)，光照引起的多数载流子(简称多子)浓度变化很小，而引起的少数载流子(简称少子)浓度变化却很大。例如，在n型半导体中，平衡时多子(电子)浓度(n0)远大于其非平衡载流子电子浓度Δn，而平衡时少子(空穴)浓度(p0)远小于其非平衡载流子空穴浓度Δp，因此，小注入光照引起半导体的多子浓度变化很小，而少子浓度变化却非常大，所以n型半导体中的非平衡载流子寿命也就是指非平衡少数载流子(空穴)寿命，即少数载流子寿命(简称少子寿命)。在晶体硅太阳能电池的制备过程中，晶体硅中的少子寿命是评价硅材料品质的重要参数，它对晶体硅太阳能电池的光电转换效率有重要的影响，因此，如何准确测量晶体硅太阳电池少子寿命是光伏行业中的一个重要问题。
测量晶体硅太阳电池少子寿命的方法有接触式和非接触式两种，由于接触式测量方法需要制作电极，其一破坏的样品，其二电极会带来测量误差，因此，目前测量少子寿命主要采用非接触式的方法，这些方法主要包括微波光电导衰减(MW-PCD)、准稳态光电导(QSSPS)、表面光电压、电子束诱导电流等，其中微波光电导衰减和准稳态光电导是应用最广泛的量子测量方法。MW-PCD和QSSPS都依赖于闪光灯对样品的辐照，它们的不同之处在于辐照的时间尺度。在QSSPS的情况下，对样品进行辐照，直到达到稳定状态，光生载流子的产生率和复合率相等，此时从距离样品已知距离的射频线圈推断出光电导，从而推断出少子寿命。MW-PCD的主要区别在于其依赖于瞬态方法，辐照样品，测量随时间衰减的光电导变化，然后再推断出少子寿命。
采用MW-PCD和QSSPS测量少子寿命，需要对测量数据进行非常繁琐的理论模拟和拟合分析，才能最终获得少子寿命，同时，测试设备与被测样品之间通常要保持特定的距离。另外，MW-PCD和QSSPS一般只适用于测量原始的裸硅片的少子寿命的测量，然而，在晶体硅太阳能电池的制备过程中，需要对硅片进行制绒、扩散掺杂、表面钝化、抗反层和金属电极制备等工艺过程，如果能够测量从裸硅片到晶体硅太阳能电池生产过程半成品硅片的少子寿命，也就是对于在每个生产步骤都可以测试硅片的少子寿命，从而确保成品的最大效率，然而，采用MW-PCD和QSSPS测量这些经过加工处理后的半成品硅片的少子寿命存在较大的困难。
发明内容
本发明的目的是为了测量晶体硅太阳能电池生产过程半成品硅片的少子寿命，提出一种基于泵浦-探测机理的测量方法。
为此，本发明采用的技术方案是这样的：测量晶体硅太阳能电池少子寿命的方法，包括待测样品，其特征在于：样品正面设有光子能量大于1.12eV的泵浦光，直射样品；样品侧面设有光子能量小于1.12eV的探测光，以一定角度斜向照射样品；在探测光的反射路线上设置光电探测装置，探测并记录光强度变化量ΔIprobe；记探测光强度的周期性的衰减幅度为C0；持续改变泵浦光调制频率f，光强度变化量随调制频率的衰减幅度可以用式(1)表示：
Figure BDA0003877640540000021
根据上述式(1)，通过简单拟合探测光强度在不同泵浦光调制频率f下测量得到的变化量ΔIprobe，计算获得少子寿命τeff。
泵浦光是光子能量大于硅带隙(1.12eV)的激光，它照射到硅片以后，硅片价带中的电子被激发到导带，在导带中产生大量光生载流子。与此同时，采用光子能量小于硅片带隙的另一束激光(探测光)照射到硅片上，由于存在载流子复合，硅导带中光生载流子布居数随时间发生变化，导致硅片的吸收系数也随时间而变，因此可以探测从硅片透射或反射的探测光的强度也发生变化。
当泵浦光以设定频率进行调制时，导带中光生载流子的产生和复合将导致探测光强度在调制频率下经历周期性衰减。在足够大的范围内改变泵浦光的调制频率，观察每个频率处的探测光强度的衰减幅度，因此，通过把探测光的周期性强度衰减幅度作为频率的函数进行拟合，可以容易地确定载流子寿命，因为该拟合函数的特征时间尺度是少子寿命。
具体地，泵浦光为光子能量大于1.12eV的激光，用来在待测样品(硅片)中激发产生非平衡光生载流子(Δn)。探测光为光子能量小于1.12eV的激光，当探测光入射到泵浦光照射的区域时，样品中产生的非平衡载流子会吸收探测光的光子，从而导致从样品中出射的探测光强度发生变化，探测光强度变化量(ΔIprobe)与样品中由泵浦光激发产生的非平衡光生载流子浓度(Δn和Δp，Δn＝Δp)成正比，即ΔIprobe∝Δn。因此，通过测量探测光的强度变化，可以监测样品中的非平衡载流子浓度的变化。
在MW-PCD和QSSPS测量方法中，是通过观测ΔIprobe随时间的变化来模拟计算少子寿命，但是本发明提出的方法检测ΔIprobe随电光调制器的调制频率的变化，进而推断少子寿命。由于光生载流子的激发产生时间非常短，一般在亚纳秒量级，调制频率为f的泵浦光以同样的频率f在样品中产生的光生载流子，因此，探测光ΔIprobe也经历了频率为f的周期性的衰减，这个衰减可以通过光电探测器和锁相放大器检测出来。定义光照引起的非平衡载流子在复合前存在的时间长度为τeff，如果τeff小于1/f，探测光强度将出现周期性的衰减幅度(C0)。如果τeff大于1/f，光生载流子还没有被完全复合掉，下一个周期的泵浦光又开始产生新的光生载流子，因此，探测光的周期性衰减幅度Ci小于C0。随着泵浦光调制频率f的增加，探测光的周期性衰减幅度见进一步减少，因此，C0>Ci>Ci+1>Ci+2>……。ΔIprobe随调制频率的衰减幅度可以表示如下：
Figure BDA0003877640540000031
根据上述表达式(1)，通过简单拟合探测光强度在不同泵浦光调制频率(f)下测量得到的变化量(ΔIprobe)，可以准确地获得少子寿命(τeff)。
式(1)的推导如下：
泵浦光被样品吸收后，产生的非平衡少子浓度(Δn(x,t))满足下面连续性方程：
Figure BDA0003877640540000032
在不考虑表面复合的情况下，τn≈τeff，并且满足边界条件：
Figure BDA0003877640540000033
上式中，Dn为少子扩散系数，τn为少子寿命，W为样品厚度。G(x,t)为产生率，其表达式可以写为
Figure BDA0003877640540000041
式中R为泵浦光的反射率，α为样品对泵浦光的吸收系数,。
Figure BDA0003877640540000042
为泵浦光的入射强度，由于受到频率为f的电光调制器调制，
Figure BDA0003877640540000043
为时间t的周期性函数，可写为，
Figure BDA0003877640540000044
由于泵浦光为频率为f的周期函数，泵浦光产生的Δn也是频率为f的周期函数，可写为
Figure BDA0003877640540000045
把式(5)和(6)带入连续性方程(2)中，可以获得
Figure BDA0003877640540000046
通过(7)式可以获得每个调制周期内的非平衡少子浓度(Δnm)，
Figure BDA0003877640540000047
其中Lm为有效扩散长度，
Figure BDA0003877640540000048
每个调制周期内，在整个样品内产生的非平衡少子浓度(ΔNm)为
Figure BDA0003877640540000049
因此，t时刻泵浦光在样品中激发的全部非平衡少子浓度(ΔN)为
Figure BDA00038776405400000410
泵浦光激发产生的非平衡少子浓度与非平衡多子浓度是相等的，产生的总的非平衡载流子浓度为2Δn。半导体的光吸收系数与载流子浓度成正比，因此载流子浓度的变化将引起吸收系数的变化，即Δα＝(σn+σp)ΔN，其中σn和σp为电子和空穴的俘获截面，从而最终导致探测光的强度发生变化(ΔIprobe)。
ΔIprobe＝I0(σn+σp)WΔN (12)
锁相放大器是通过内部解调器测量正交信号的平均值，因此锁相放大器测量到的ΔIprobe为
ΔIprobe＝I0(σn+σp)W|ΔN| (13)
其中|ΔN|为复数ΔN的模。
在泵浦光为小注入的情况下，同时探测光的强度远低于泵浦光，结合式(8)、(10)、(11)、(13)，最后求得ΔIprobe
Figure BDA0003877640540000051
其中
Figure BDA0003877640540000052
与调制频率无关。
以上分析可见，本发明设计的测量晶体硅太阳能电池生产过程半成品硅片少子寿命的方法，是一种真正的非接触式测量方法，其设置既简单又紧凑，只需要两个激光器、一个电光调制器、一个光电探测器和一个锁相放大器。本发明提出的方法对硬件没有尺寸要求，避免了QSSPC和MW-PCD对测试设备的刚性空间约束。泵浦和探测用激光器不需要与样品保持特定距离，可以放置在离样品任意位置，适用于在线测量。同时，与MW-PCD和QSSPS测量方法相比，本发明提出的方法对数据的拟合分析也是最简单的，提高了测量的精确度。
附图说明
图1是本实施例所用的实验装置示意图。
具体实施方式
参见附图。样品正面设有泵浦光源，通过扩束镜、衰减片、电光调制器后直射样品；样品侧面设有探测光，通过衰减片以一定角度斜向照射样品；在探测光的反射路线上设置光电探测装置，具体包括高通滤光片、聚焦透镜、光电探测器、锁相放大器和计算机，对反射光进行探测计算；在电光调制器和锁相放大器之间还通过函数信号发生器相连，以协调两者频率。
上述所使用的实验设施具体如下：
1.测试样品：适用于本发明提出的少子寿命测试方法的待测样品可以为，经过晶体硅太阳能电池的制备过程中的每道工序处理后的半成品硅片，如表面制绒后的硅片、高温扩散掺杂后的硅片、表面钝化后的硅片、生长有抗反层和金属电极的硅片、未经过处理的原始硅片等。
2.样品控制台：通过步进电机控制，实现待测样品在三维方向上位移的自动调整，重复定位精度小于10μm。
3.泵浦光源：光子能量大于硅带隙(1.12eV)的激光，可以选取波长为1064nm的钕掺杂YAG激光器，激光功率为5～20W。
4.探测光源：光子能量小于1.12eV的激光，可以选取波长为1550nm的铒镱共掺的YAB激光器，激光功率为1～10mW。
5.衰减片：中性密度滤光片，连续可调，透过率为0.1％～90％。
6.电光调制器：本测试方法用到的是强度调制，也就是激光强度随调制信号规律而变化，工作波段为泵浦光的波长，如1064nm波段
7.函数信号发生器：本测试方法用到的是正弦波信号，频率范围为20Hz～1.0MHz。
8.高通滤光片：比泵浦激光波长(如1064nm)长的光通过，比该波长短的光被截止。
9.光电探测器：测量探测光的强度变化，可以采用铟镓砷(InGaAs)探测器，光谱响应范围为800～2600nm，速响应时间低于1ns。
10.锁相放大器：通过相敏检测技术，锁相放大器可以测量非常微弱的连续周期性信号。相对于噪声，连续周期性信号具有固定的频率和相位，相敏检测技术针对这个特性，利用具有同样频率的参考信号来抽取目标的周期性信号，从而极大地降低噪声的影响。在本测试方法中，采用函数信号发生器产生一个具有特定频率f的参考信号作为载波，并用此信号对探测光进行调制，使光电探测器获得的信号具有相同的频率。
11.计算机：用于对整个测试设备的自动化控制、数据采集、数据模拟分析等。
本实施例的具体测量步骤如下：
1.待测样品放置在样品控制台，并固定
2.打开泵浦激光的光源，激光波长为1064nm，激光功率调节至10W，正入射到样品。
3.在泵浦光光路中插入扩束镜，照射到样品上的光斑直径为10～20mm；其次，插入衰减片，激光的透过强度为0.5％～50％。
4.在泵浦光光路中插入电光调制器，并与函数信号发生器相连接，用来调制泵浦光强度的周期性变化。
5.打开探测激光的光源，激光波长为1550nm，激光功率调节至5mW，斜入射到样品上，探测光的光斑要保证在泵浦光光斑之内。然后，插入衰减片，激光的透过强度为5％～50％。
6.在从样品表面反射出来的探测光路中放置高通滤光片，把泵浦激光全部滤掉，只让探测激光通过。
7.在反射光路中放置聚焦透镜和铟镓砷探测器，让探测光汇聚到光电探测器。
8.锁相放大器与函数信号发生器相连接，使得电光调制器的频率与锁相放大器的频率实时同步。
9.调节泵浦光和探测光的强度、电光调制器的频率，观察锁相放大器上的测试信号的强弱变化情况；其次，通过计算机记录探测光强度变化量(ΔIprobe)与电光调制器的频率(f)变化的测量数据；最后，利用公式(1)，通过简单拟合探测光强度在不同泵浦光调制频率(f)下测量得到的变化量(ΔIprobe)，获得样品的少子寿命(τeff)。
10.通过计算机自动调节样品控制台的位置，然后获得样品少子寿命的二维平面分布图。

Claims (1)

1.测量晶体硅太阳能电池少子寿命的方法，包括待测样品，其特征在于：样品正面设有光子能量大于1.12eV的泵浦光，直射样品；样品侧面设有光子能量小于1.12eV的探测光，以一定角度斜向照射样品；在探测光的反射路线上设置光电探测装置，探测并记录光强度变化量ΔIprobe；记探测光强度的周期性的衰减幅度为C0；持续改变泵浦光调制频率f，光强度变化量随调制频率的衰减幅度可以用式(1)表示：
Figure FDA0003877640530000011
根据上述式(1)，通过简单拟合探测光强度在不同泵浦光调制频率f下测量得到的变化量ΔIprobe，计算获得少子寿命τeff。
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