一種硅片與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測方法與系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種硅片與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測方法與系統。所述方法由正弦規律調制808nm半導體激光激勵、短波紅外探測器采集少數載流子輻射復合發光信號及發光信號鎖相處理與少數載流子運輸參數分析三個步驟組成；所述系統包括激光激勵裝置、函數發生器、短波紅外探測器、鎖相放大器及計算機。本發明應用短波紅外探測技術與信號采集及鎖相處理技術得到調制激光誘發半導體硅片與硅基太陽能電池的載流子輻射復合發光的頻域響應特性，利用少數載流子輻射復合發光頻響特性分析得到少數載流子傳輸特性參數，這是一種快速、準確及全面獲取少數載流子傳輸特性參數的無損檢測方法。
【專利說明】—種硅片與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測方法與系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種硅片半導體材料與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸參數的無損檢測方法，尤其涉及一種基于調制激光激發少數載流子輻射復合發光檢測硅片及硅基太陽能電池的少數載流子輸運特性參數(少數載流子平均壽命τ、擴散系數隊前后表面復合速率5>、兄)的無損檢測新方法。
【背景技術】
[0002]隨著新型半導體材料制備和先進太陽能電池制造技術的發展，高性能、高轉化效率的太陽能電池需求不斷增大，現代太陽能電池工業需求已達到GW量級。半導體材料制備與太陽能電池的制造和質量控制與評價已成為關鍵問題。眾所周知，半導體材料或太陽能電池吸收光子產生少數載流子的傳輸特性參數(少數載流子平均壽命、擴散系數(率)及表面復合速率等)直接決定了太陽能電池的性能和效率。
[0003]目前代表性的半導體硅片少數載流子平均壽命與擴散長度的檢測方法主要有電致發光檢測(EU、光致發光檢測(PU、光電導衰減檢測(PCD)及光熱輻射檢測(PTR)等。電致發光檢測(EL) —般適用于硅基太陽能電池片的少數載流子平均壽命與少數載流子擴散長度的檢測，該方法具有快速、準確等優點，但需要硅基太陽能電池片帶有電極進行接觸施加偏置電壓，而易于對太陽能電池片造成破壞，且無法對半導體硅片的少數載流子傳輸特性進行檢測。光電導衰減檢測(PCD)是一種準確快速、非接觸的檢測半導體硅片少數載流子平均壽命的檢測方法，該方法對待測樣品形狀、尺寸和電阻率有一定要求，PCD不能對太陽能電池的少數載流子傳輸特性參數進行檢測，同時，當半導體硅片的少數載流子平均壽命較短時，需要采樣頻率更高的電子設備記錄光脈沖和光電導衰減信號，其靈敏度較低。光致發光檢測(PL)是一種快速、非接觸檢測半導體硅片的少數載流子壽命的檢測方法，該方法可實現半導體硅片少數載流子壽命分布的快速檢測，但該方法難于實現太陽能電池少數載流子傳輸特性參數的檢測。光熱輻射檢測技術(PTR)是一種非接觸的無損檢測方法，可用于高溫、強放射性等惡劣或危險環境下進行檢測，用于半導體硅片少數載流子傳輸特性檢測時計算量大，分析復雜，對少數載流子傳輸特性參數的檢測靈敏度低。
[0004]盡管目前存在了基本成熟的少數載流子傳輸特性參數的檢測方法，這些方法各有所長，也各有其局限性。調制激光誘發少數載流子輻射復合發光檢測技術具有非接觸、分析簡單、靈敏度高等優點，可實現半導體硅片與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性參數的檢測，不受樣件形狀、尺寸及電阻率的限制。因此，實現全面可靠的調制激光誘發少數載流子輻射復合發光檢測硅片及硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性參數具有重要意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種基于調制激光誘發載流子輻射復合發光檢測半導體硅片與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性參數的無損檢測方法，應用短波紅外探測技術與信號采集及鎖相處理技術得到調制激光誘發半導體硅片與硅基太陽能電池的載流子輻射復合發光的頻域響應特性，利用少數載流子輻射復合發光頻響特性分析得到少數載流子傳輸特性參數，這是一種快速、準確及全面獲取少數載流子傳輸特性參數的無損檢測方法。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種硅片及硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測方法，由正弦規律調制808nm半導體激光激勵、短波紅外探測器采集少數載流子輻射復合發光信號及發光信號鎖相處理與少數載流子運輸參數分析三個步驟組成，具體步驟如下:
首先，將函數發生器的輸出端通過信號線與半導體激光器電源的弱信號輸入端相連，實現半導體激光器輸出的激光光強按照正弦規律變化，通過聚焦鏡和反射鏡使半導體激光器輸出的調制激光在激發離軸拋物鏡的焦點位置聚焦，并激發焦點位置處的硅片或硅太陽能電池產生非平衡少數載流子密度波，同時非平衡少數載流子通過輻射復合而發光。
[0007]其次，將IOOOnm長通濾波片放置在短波紅外探測器的前端，短波紅外探測器固定在三維微位移調節臺上，調節三維微位移臺的水平與垂直運動，使短波紅外探測器移至采集離軸拋物鏡的焦點位置。激發離軸拋物鏡將非平衡少數載流子輻射復合發出的光反射到采集離軸拋物鏡并聚焦，激發離軸拋物鏡軸線與采集離軸拋物鏡軸線完全重合，且采集離軸拋物鏡的直徑大于激發離軸拋物鏡的直徑。非平衡少數載流子輻射復合發出的光聚焦后通過IOOOnm長通濾波片被短波紅外探測器收集。
[0008]最后，短波紅外探測器將光電轉換信號放大后通過信號線與鎖相放大器的測量輸入端相連，函數發生器輸出端用信號線與鎖相放大器參考信號輸入端相連，由鎖相放大器完成正弦調制半導體激光光強激勵下的非平衡少數載流子輻射復合發光的幅值與相位計算，通過對非平衡少數載流子輻射復合發光的頻響特性進行分析，計算少數載流子輸運參數(少數載流子平均壽命τ、擴散系數久前后表面復合速率5>、兄)。
[0009]本發明中，采用波長808nm的半導體激光器作為激勵源，最大調制頻率為200KHz，調制激光經過聚焦鏡與反射鏡聚焦到激發離軸拋物鏡的焦點，并激發樣件產生非平衡少數載流子密度波。
[0010]本發明中，采用短波紅外探測器，波長響應范圍為900nm-1700nm，在紅外探測前端加一個IOOOnm長通濾波片阻止樣件反射的激光進入紅外探測器。紅外探測器固定在三維微位移臺上，通過調節微位移臺的水平與垂直運動，使紅外探測器處于采集離軸拋物鏡的焦點位置。
[0011]本發明中，調制激光通過激發離軸拋物鏡的加工小孔聚焦到激發離軸拋物鏡的焦點。
[0012]本發明中，采用計算機編程完成函數發生器與數字鎖相放大器參數設置、計算結果的采集與保存及少數載流子傳輸特性參數分析，實現硅片及硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性的無損檢測。
[0013]一種硅片及硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測系統，包括激光激勵裝置、函數發生器、短波紅外探測器、鎖相放大器及計算機，其中:
所述激光激勵裝置用以實現激光激發半導體產生少數載流子，它包括半導體激光器、聚焦鏡、反射鏡、激發離軸拋物鏡與采集離軸拋物鏡，所述半導體激光器輸出激光通過聚焦鏡和反射鏡聚焦在激發離軸拋物鏡焦點位置，采集離軸拋物鏡與激發離軸拋物鏡保持同軸,且采集離軸拋物鏡直徑大于激發離軸拋物鏡直徑；
所述函數發生器用以產生調制激勵信號；
所述短波紅外探測器前端帶有IOOOnm長通濾波片用以探測少數載流子輻射復合發光信號，IOOOnm長通濾波片用以消除激勵激光的影響；
所述鎖相放大器用以進行調制激勵信號與少數載流子輻射復合發光信號的鎖相運算，得到少數載流子輻射復合發光信號的幅值與相位；
所述計算機用以編程分析少數載流子輻射復合發光信號的幅頻與相頻響應特性，計算得到少數載流子傳輸參數。
[0014]本發明利用調制激光誘發少數載流子輻射復合發光的頻響特性實現半導體硅片及硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性的無損檢測的方法，該方法是一種利用鎖相運算提取調制激光誘發少數載流子輻射復合發光的幅頻與相頻響應特性對少數載流子傳輸特性并進行分析的方法，它結合了微弱信號處理技術與信息處理技術的長處，可直接檢測半導體硅片與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸參數。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為少數載流子傳輸特性檢測示意圖；
圖2為調制激光聚焦調整示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。
[0017]【具體實施方式】一:如圖1所示，本實施方式提供的半導體硅片及硅基太陽能電池的少數載流子傳輸參數的無損檢測方法是利用計算機軟件采集并處理調制激光誘發少數載流子輻射復合發光的頻響特性而實現少數載流子傳輸特性檢測的。圖中，函數發生器14的輸出端與半導體激光器I的電源弱信號輸入端通過數據線10相連，使半導體激光器I輸出的激光光強按照正弦規律變化，同時通過聚焦鏡2和反射鏡3使調制激光在激發離軸拋物鏡4的焦點位置聚焦，并激發焦點位置處的硅片或硅太陽能電池5產生非平衡少數載流子密度波。IOOOnm長通濾波片6放置在短波紅外探測器7的前端，短波紅外探測器7固定在三維微位移調節臺8上，調節三維微位移臺8的水平與垂直運動，使短波紅外探測器7移至采集離軸拋物鏡9的焦點位置。激發離軸拋物鏡4將非平衡少數載流子輻射復合發出的光反射到采集離軸拋物鏡9并聚焦，保證激發離軸拋物鏡4軸線與采集離軸拋物鏡9軸線完全重合，且采集離軸拋物鏡9的直徑大于激發離軸拋物鏡4的直徑。非平衡少數載流子輻射復合發出的光聚焦后通過IOOOnm長通濾波片6被短波紅外探測器7收集并將光電轉換信號放大后輸入到鎖相放大器13的測量輸入端，同時函數發生器14輸出信號輸入到鎖相放大器13的參考信號輸入端，鎖相放大器13完成正弦調制半導體激光光強激勵下的非平衡少數載流子輻射復合發光的幅值與相位計算，通過對非平衡少數載流子輻射復合發光的頻響特性進行分析，計算少數載流子傳輸特性參數，實現對半導體硅片及硅基太陽能電池少數載流子傳輸特性的可靠準確檢測。
[0018]【具體實施方式】二:本實施方式結合圖1-2對半導體硅片及硅基太陽能電池的少數載流子傳輸參數的無損檢測方法進行闡述。所述檢測方法具體實施包括三個部分:正弦規律調制808nm半導體激光激勵、短波紅外探測器采集少數載流子輻射復合發光信號和發光信號鎖相運算處理與少數載流子傳輸參數分析，具體步驟如下:
[0019]一、正弦規律調制808nm半導體激光激勵步驟
步驟1:將函數發生器14輸出端與半導體激光器I電源的控制端口連接；
步驟2:調制激光經過聚焦鏡2在反射鏡3處聚焦；
步驟3:聚焦后調制激光經過加工孔到達激發離軸拋物鏡4的焦點處激發少數載流子(如圖2所示)。
二、短波紅外探測器采集少數載流子輻射復合發光信號步驟
步驟1:調制激光誘發的少數載流子輻射復合發光經過激發離軸拋物鏡5采集后轉移到采集離軸拋物鏡9，并聚焦在采集離軸拋物鏡9的焦點位置；
步驟2:1OOOnm長通濾波片6放置在短波紅外探測器7的前端；
步驟3:短波紅外探測器7固定在三維微位移臺8上，調整三維微位移臺8的水平與垂直運動，使短波紅外探測器7位于采集離軸拋物鏡9的焦點位置探測少數載流子輻射復合發光信號。
[0020]三、發光信號鎖相運算處理與少數載流子傳輸參數分析步驟
步驟1:短波紅外探測器7的信號輸出端通過第一信號線11與鎖相放大器13的測量信號輸入端相連；
步驟2:函數發生器14的信號輸出端用第二信號線12與鎖相放大器13的參考信號輸入端相連；
步驟3:鎖相放大器13完成少數載流子輻射復合發光信號的幅值與相位的計算；
步驟4:利用計算機15編程對鎖相放大器13的計算結果進行采集與保存及少數載流子傳輸特性參數進行分析。
[0021]四、輸運參數測量實例
為了說明該方法的實際檢測效果，進行了硅片的少數載流子平均壽命的檢測。
[0022]單晶硅片少數載流子平均壽命檢測:采用尺寸為Φ40_的硅片，激光光源激勵參數:功率60mW，激光光斑直徑0.2mm，調制頻率范圍Ι0Hz-100ΚΗz ;鎖相放大器時間常數ls，延時時間5s。
[0023]檢測結果為:
通過本實施方式提供的方法檢測硅片的少數載流子平均壽命t=6.56μ s，利用SintonWCT-120少數載流子壽命探測器檢測的該硅片的少數載流子平均壽命τ =6.72 μ s, 二者偏差〈3%。
【權利要求】
1.一種硅片與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測方法，其特征在于所述方法步驟如下: 首先，將函數發生器的輸出端通過信號線與半導體激光器電源的弱信號輸入端相連，實現半導體激光器輸出的激光光強按照正弦規律變化，通過聚焦鏡和反射鏡使半導體激光器輸出的調制激光在激發離軸拋物鏡的焦點位置聚焦，并激發焦點位置處的硅片或硅太陽能電池產生非平衡少數載流子密度波，同時非平衡少數載流子通過輻射復合而發光； 其次，將IOOOnm長通濾波片放置在短波紅外探測器的前端，短波紅外探測器固定在三維微位移調節臺上，調節三維微位移臺的水平與垂直運動，使短波紅外探測器移至采集離軸拋物鏡的焦點位置；激發離軸拋物鏡將非平衡少數載流子輻射復合發出的光反射到采集離軸拋物鏡并聚焦；非平衡少數載流子輻射復合發出的光聚焦后通過IOOOnm長通濾波片被短波紅外探測器收集； 最后，短波紅外探測器將光電轉換信號放大后通過信號線與鎖相放大器的測量輸入端相連，函數發生器輸出端用信號線與鎖相放大器參考信號輸入端相連，由鎖相放大器完成正弦調制半導體激光光強激勵下的非平衡少數載流子輻射復合發光的幅值與相位計算，通過對非平衡少數載流子輻射復合發光的頻響特性進行分析，計算少數載流子輸運參數。
2.根據權利要求1所述的硅片與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測方法，其特征在于所述激發離軸拋物鏡軸線與采集離軸拋物鏡軸線完全重合，且采集離軸拋物鏡的直徑大于激發離軸拋物鏡的直徑。
3.根據權利要求1所述的硅片與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測方法，其特征在于所述半導體激光器的波長為808nm，最大調制頻率為200KHz。
4.根據權利要求1所述的硅片與硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測方法，其特征在于所述短波紅外探測器的波長響應范圍為900nm-1700nm。
5.一種硅片及硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測系統，其特征在于所述系統包括激光激勵裝置、函數發生器、短波紅外探測器、鎖相放大器及計算機，其中: 所述激光激勵裝置用以實現激光激發半導體產生少數載流子； 所述函數發生器用以產生調制激勵信號； 所述短波紅外探測器前端帶有IOOOnm長通濾波片用以探測少數載流子輻射復合發光信號，IOOOnm長通濾波片用以消除激勵激光的影響； 所述鎖相放大器用以進行調制激勵信號與少數載流子輻射復合發光信號的鎖相運算，得到少數載流子輻射復合發光信號的幅值與相位； 所述計算機用以編程分析少數載流子輻射復合發光信號的幅頻與相頻響應特性，計算得到少數載流子傳輸參數。
6.根據權利要求5所述的硅片及硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測系統，其特征在于所述激光激勵裝置包括半導體激光器、聚焦鏡、反射鏡、激發離軸拋物鏡與采集離軸拋物鏡，所述半導體激光器輸出激光通過聚焦鏡和反射鏡聚焦在激發離軸拋物鏡焦點位置，采集離軸拋物鏡與激發離軸拋物鏡保持同軸。
7.根據權利要求6所述的硅片及硅基太陽能電池的少數載流子傳輸特性檢測系統，其特征在于所述采集離軸拋物鏡直徑大于激發離軸拋物鏡直徑。
【文檔編號】H02S50/10GK103929128SQ201410161986
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】劉俊巖, 王揚, 秦雷, 宋鵬 申請人:哈爾濱工業大學