CN1540735A - 太阳电池少数载流子寿命分析仪 - Google Patents

Abstract

一种太阳电池少数载流子寿命分析仪，微波系统由微波源、隔离器、衰减器、魔T、短路活塞、微波晶体检波器、变容二级管、面天线组成，数据采集及处理系统由数据采集器、计算机组成，采用四矩形微带面天线实现微波信号向被测样品的输出和对发射微波的接收，专用的信号调理与放大电路对微波晶体检波器输出的信号进行隔直、差分、放大、屏蔽、滤波，再进入数据采集器，获得光电导衰退曲线的数字量。本发明采用微波反射法耦合光电导信号，通过测量微波反射功率的变化来测量光电导的变化，从光电导衰退曲线计算被测硅片和太阳电池的少子寿命，实现了对太阳电池器件和材料进行在线微波反射无损非接触测量。

Description

太阳电池少数载流子寿命分析仪

技术领域：

本发明涉及一种太阳电池少数载流子寿命分析仪，是一种对太阳电池及其原料硅片测量非平衡少数载流子(少子)寿命的测试仪，属于太阳电池微观参数测试技术领域。

背景技术：

太阳电池工艺是比较复杂的半导体工艺，前后有二十几道工艺过程，例如：清洗、腐蚀、扩散、丝网印刷、烧结、等离子刻蚀，PECVD(化学气相沉积)等。在每一道工序中，在太阳电池的研究和生产中，一般是在理论的指导下确定一定的工艺条件，改变工艺中某一道工艺的工艺参数，对比实验，以最后太阳电池的IV性能来衡量几种总的工艺的优劣，然后比较几种总的工艺，分析工艺中某一环节的工艺参数的优劣，这样会非常耗时耗力，最后还很难摸到最佳的工艺参数。如果有一套对在线检测工艺效果的检测方法，对每一步的工艺过程起到监测、控制的作用，使每一道工艺的优劣得到及时评价，将有利于提高工艺水平，使每一道工艺最优化，最后生产出来的太阳电池也一定是性能最优的。评价每一道工艺优劣的最重要参数指标是少子寿命，该指标直接影响到最后制造出来的太阳电池的输出电性能，也就是光电转换效率。有了一套在线少子寿命监测分析装置，太阳电池的工艺改进和提高就有据可依，并可通过及时快速调整工艺，提高寻找最佳工艺的速度，大大节省时间，也大大节省人力物力财力。现有测量少子寿命的技术主要是针对半导体材料的，相关的测试装置已应用于生产线，针对太阳电池器件和材料的少子寿命测试技术却是比较新的一门技术，对比技术有Semilab公司的WT-2000。但是，现有技术采用的大都为高频耦合PCD(光电导衰退)方法，采用微波反射法的PCD技术的只有Semilab公司的技术，该技术没有解决微波反射功率电平的稳态分量问题，采用的微波耦合的天线反射系数比较小，不利于小微波信号测量，没有解决被测样品在小注入条件下小信号测量的抗干扰问题。现有常用的常规喇叭口天线和矩形微带天线很难做到与波导阻抗匹配，发射和反射微波的功率有限，不适合用于太阳电池少数载流子寿命分析仪。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计提供一套太阳电池少数载流子寿命分析仪，实现微波在被测样品上发射和反射的良好耦合，能对太阳电池器件和材料进行在线微波反射无损非接触测量，获得准确的少子寿命信息。

为了实现上述目的，本发明设计的测量硅片和太阳电池少子寿命分析仪，采用微波反射法耦合光电导信号，通过测量微波反射功率的变化来测量光电导的变化，从光电导衰退曲线计算被测硅片和太阳电池的少子寿命。

本发明的少子寿命分析仪主要由脉冲激光系统、微波系统、数据采集及处理系统三大部分组成，脉冲激光系统产生激励激光，照射到被测样品上，少子寿命的激励源是10纳秒的脉冲激光，引起被测样品的光电导变化，该光电导的变化在一定范围里与耦合微波的反射功率成正比，微波反射功率的衰退曲线就反映了光电导衰退曲线，从微波反射功率的衰退曲线中就可以计算出少子寿命；微波系统主要由微波源、隔离器、衰减器、魔T、短路活塞、微波晶体检波器、变容二级管、面天线等几部分组成；数据采集及处理系统主要由数据采集器、计算机等部分组成。

本发明采用四端口互易元件——魔T作为微波差分元件，微波源发出的微波经隔离器和衰减器到达魔T，该微波能量被分成两部分，一部分经面天线到被测样品，另一部分到达短路活塞，被测样品和面天线对入射微波产生反射，反射微波能量又返回到魔T，短路活塞对入射微波也产生反射，反射微波能量也返回到魔T，这两部分反射能量汇聚到魔T后，会相互抵消，做减法，两路反射微波能量的差不会回到衰减器，只会到达微波晶体检波器，调节短路活塞，就能在稳态(脉冲激光器不对被测样品产生激发)下使上述两路反射微波能量的差值为零，这样，脉冲激光器激发被测样品使其电导率变化，从而引起反射微波功率的变化，该变化被微波晶体检波器检测到，不含稳态分量，只有变化量，这就对后续信号的调理打好坚实基础。

本发明设计了专门的微带天线-面天线，面天线在本发明的分析仪中是非常重要的元件，采用双面覆铜树脂板，底层铜板留出宽边，而且厚度比上层铜板厚，上层铜板经腐蚀形成一定形状的四块矩形铜板，互相连线，中间连线点与同轴馈线相连，微带天线实现了微波信号向被测样品的输出和对发射微波的接收。

本发明设计了专用的信号调理与放大电路对微波晶体检波器输出的信号进行隔直、差分、放大、屏蔽、滤波，再进入数据采集器，获得PCD曲线的数字量。

晶体检波器把微波反射功率的变化转换成输出电压的变化，该电压信号存在一定的直流成分，有时直流成分甚至远远超过该电压信号的交流成分，同时该信号还存在高频干扰成分，在信号放大之前，先通过一个低通滤波电路，去除高频成分，然后经过隔直电路去除直流分量，再经过差分放大电路，这样获得的信号就是晶体检波器所测的输出电压的变化波形，但高频干扰较大，通过指数运算电路变化形成指数变化波形，再通过带通滤波电路进行滤波，获得调理波形，然后经过自然对数运算电路，获得晶体检波器的输出信号的调理信号，该电压调理信号的变化波形经过神经网络运算就准确地转化成被测样品的光电导衰退(PCD)曲线，经输出变送电路送到数据采集器。本发明设置了屏蔽层对所有电路进行屏蔽，屏蔽层采用被动屏蔽，所有电路在一个封闭的金属盒内封装，该电路的输入输出导线采用50欧姆同轴屏蔽线，接插件采用BNC(同轴电缆接插件)接头，BNC的接头的外壳层与金属盒电气连接，而金属盒良好接地，这样外界干扰几乎不对盒内电路产生影响。

本发明的太阳电池少数载流子寿命分析仪采用微波系统作为少子寿命信息的载体，少子寿命信息转换成微波功率和反射率信息，分析这些信息就能获得准确的少子寿命信息。静态时(没有激发脉冲光时)输出为零，动态时(有激发脉冲光时)的输出就是表征少子寿命的光电导衰退曲线的微波功率变化，设计的微波面天线实现了微波在被测样品上发射和反射的良好耦合。本发明实现了对太阳电池器件和材料进行在线微波反射无损非接触测量，可用于太阳电池生产过程各道工艺环节中的在线检测。

附图说明：

图1为本发明太阳电池少数载流子寿命分析仪原理结构框图。

图2为本发明的四矩形微带天线的结构示意图。

图2中，1为底层铜板，2为环氧树脂介质，3为矩形上层铜板，4为十字连线，5同轴馈线连接点。

图3为本发明的信号调理与放大电路原理图。

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详细描述。

本发明的原理结构框图如图1所示，脉冲激光器发出6-10ns的激光照射到被测样品上，面天线、微波源、隔离器、衰减器、魔T、短路活塞、微波晶体检波器、变容二极管等构成微波系统，微波源通过BJ-100微波波导与隔离器相接，隔离器是波导型的，与波导型衰减器相接。本发明采用四端口互易元件——魔T作为微波差分元件，衰减器通过波导同魔T的一个平分臂相连，魔T的另一个平分臂通过弯波导同微波晶体检波器相连，魔T的E臂与短路活塞相连，魔T的H臂同面天线相连，变容二极管通过电路与微波源相连；微波晶体检波器通过BNC接头的同轴线与信号调理与放大电路相连，信号调理与放大电路通过BNC接头的同轴线同数据采集器相连，数据采集器通过数据线与计算机相连，计算机通过变容二极管与微波源相连。

本发明的微波系统中一个元件——四矩形微带天线具体描述如图2所示，四矩形微带天线采用双面覆铜树脂板，底层铜板1留出宽边，而且厚度比上层铜板3厚，上层铜板3为四矩形铜板，经腐蚀形成，四矩形由十字连线4互相连接，十字连线4的中间交叉点为同轴馈线连接点5，同轴馈线连接点5通过一个环氧树脂介质层2和底层铜板1的中空小洞与微波同轴导线相连，传输微波信号。四矩形上层铜板3的每个矩形边长为b＝λ/2，两矩形之间的间距为λ/2，其中λ为微波信号波长3cm。环氧树脂介质2的厚度h为5mm，底层铜板1厚度h2为2mm。

本发明的面天线能很好的发射和传输微波信号，满足本发明分析仪对天线的要求。

本发明的信号调理与放大电路如图3所示，由低通滤波器、隔直电路、差分放大电路、指数运算电路、带通滤波电路、自然对数运算电路、输出变送电路及屏蔽层等部分构成，低通滤波电路与隔直电路在印刷电路板上相连，隔直电路与差分放大电路的差分信号输入端相连，差分放大电路的输出与指数运算电路相连，指数运算电路的输出信号经带通滤波电路送到自然对数运算电路，得到原始信号的调理信号，经输出变送电路送到数据采集器。屏蔽层把所有电路板双层包裹，并接大地，其中差分放大电路的地端也接屏蔽层。本发明的信号调理与放大电路的输入输出导线采用50欧姆同轴屏蔽线，接插件采用BNC接头，BNC的接头的外壳层与金属盒屏蔽层电气连接，金属盒屏蔽层良好接地。

Claims (3)

1、一种太阳电池少数载流子寿命分析仪，包括脉冲激光系统、微波系统、数据采集及处理系统，其特征在于脉冲激光器发出的激光照射到被测样品上，微波源通过微波波导与波导型隔离器相接，隔离器与波导型衰减器相接，衰减器通过波导同四端口互易元件魔T的一个平分臂相连，魔T的另一个平分臂通过弯波导同微波晶体检波器相连，魔T的E臂与短路活塞相连，魔T的H臂同微带天线相连，微波晶体检波器同信号调理与放大电路相连，信号调理与放大电路同数据采集器相连，数据采集器与计算机相连，计算机通过变容二极管与微波源相连。

2、如权利要求1的太阳电池少数载流子寿命分析仪，其特征在于所说的微带天线为四矩形面天线，采用双面覆铜树脂板，底层铜板(1)留出宽边，而且厚度比上层铜板(3)厚，上层铜板(3)为四矩形铜板，由十字连线(4)互相连接，十字连线(4)的中间交叉点为同轴馈线连接点(5)，同轴馈线连接点(5)通过环氧树脂介质层(2)和底层铜板(1)的中空小洞与微波同轴导线相连，四矩形上层铜板(3)的每个矩形边长为λ/2，两矩形间距为λ/2，其中λ为微波信号波长。

3、如权利要求1的太阳电池少数载流子寿命分析仪，其特征在于所说的信号调理与放大电路中，低通滤波电路的输出与隔直电路相连，隔直电路与差分放大电路的差分信号输入端相连，差分放大电路的输出与指数运算电路相连，指数运算电路的输出信号经带通滤波电路连接到自然对数运算电路，得到的原始信号的调理信号经输出变送电路送到数据采集器，屏蔽层把所有电路板双层包裹并接大地，差分放大电路的地端接屏蔽层。

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