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三维表面测量提高太阳能电池效率
材料来源:激光世界           录入时间:2010-7-22 15:21:54

通过量化、鉴定以及监测,光学表面测量仪能提高太阳能电池的产量,并降低总体生产成本。

作者:Erik Novak,Stephen Hopkins,Andrew Masters

    燃油价格的飙升、政府的能源倡导计划,以及日益增长的世界范围内减少温室气体以及碳排放量的需求等诸多因素,都在推动着太阳能产业的日益发展。到2050年,全世界的能源消耗将是现在的两倍。目前,光伏太阳能电池的生产速度正在以每年40%的速度递增。与其他产业一样,太阳能电池商品化成功的关键驱动因素是终端用户的总成本。对于太阳能电池制造商而言,这一关键驱动因素表现为系统寿命范围内单位千瓦时发电功率的成本。

    目前,日益增长的太阳能市场上,多种光伏技术之间竞争激烈。传统的太阳能电池由结晶硅构成,目前这种电池仍然在世界范围内太阳能电池制造中占据大量市场份额。无定形薄膜硅能够用于制造更为轻便、更易于加工、但效率相对较低的太阳能电池,因此其正在市场中获得更多的份额。再加上一些其他的光伏技术,包括CdTe、CuInGa(Se)2、以及效率最高的III/V族三结电池,目前太阳能电池市场正呈现出群雄逐鹿的局面。尽管每种技术都各有千秋,但是所有这些技术都需要对表面进行高精度测量以控制材料质量。目前,许多光伏制造商利用光学表面测量仪对各种加工过程进行量化、鉴定以及监测,以提高太阳能电池的产量,并降低总体生产成本。

表面结构测量

    表面结构是影响太阳能电池效率的重要表面参数之一。根据入射光波长的不同,抛光的单晶硅晶片(例如半导体级裸晶片)的反射率约为40%。减小该反射率的常用技术是对表面进行结构化处理,使被反射的光子具有一定的概率入射到光伏电池的另一平面,从而提高光子在发射层发生光伏反应的机会。然而,如果表面过于粗糙,电子/空穴对复合的平均自由程就会增加,以致于达到一定值后下降的复合概率会导致总效率的减小。

    采用非接触光学测量,最近研究人员应用一套严格的理论与方法,研究出一种有效且可重复的方法,建立相对效率与表面性质之间的关系。在早期研究中,研究人员利用Veeco NT系列光学表面测量仪对多种放大以及扫描条件下的单晶硅太阳能电池进行测量。研究人员测量了三组不同制造商提供的光伏电池的三维表面特性,并且能将某些表面结构特征与电池的输出效率关联起来(见图1)。

1:不同电池的表面结构不同,因此效率不同。上图显示了若干光伏电池的表面图像,它们的表面斜度(ssk)不同。这些电池的效率与表面斜度之间存在线性关系(下图)。

通过对放大率和视场进行优化,研究人员建立了表面结构与电池效率之间的关联,每个电池之间的误差为±0.5%。

痕量元素和线宽测量

    除了绝佳的垂直分辨率以及快速的测量时间,非接触光学表面测量仪能够对数据进行分段,以测量样品表面不同层次的重要特性。对于太阳能电池应用,这普遍用于痕量元素和线宽测量。在太阳能电池制造中,需要对使用的银或者其他元素的质量和数量进行精确控制,以确保电池板的性能,同时还要减小非光电材料导致的模糊面积。而且,过厚和过宽的导电痕量元素会增加制造成本(因为银面板的价格相对较高),同时还会降低光伏电池的效率。此外,特别是在薄膜加工过程中,最后要用昂贵的导电油墨填充刻线,这种油墨能够通过“连线”各种有源区来产生需要的输出功率和电流。如果这些刻线太浅或太深,宽度不正确或所在部位不正确,都将影响电池板的性能。在油墨沉积之前识别这种错误,能够减少油墨浪费。

利用Veeco公司的Vision测量软件,能够自动计算衬底上痕量元素的线宽、线间隔、深度、体积以及粗糙程度,也可以将所有参数保存在数据库中,以在生产中进行质量控制(见图2)。该软件可对具有上百个特征的表面进行测量分析。

2:对薄膜太阳能电池板上刻线测量结果进行三维以及多区域显示,能够提供总体粗糙度、刻线区域粗糙度、线宽以及刻线深度等信息。

同样,光学表面测量仪也可以在多种条件下,测量材料表面性质。例如,美国伊利诺斯州大学材料科学与工程系利用Veeco公司的光学表面测量仪,测量了晶界(grain boundary)对CIGS双晶生长和光电效率的影响(见图3)。通过高精度的快速定量测量,光学表面测量仪能够帮助研究人员改进太阳能电池的性能。

 

3:不同衬底晶体取向的交界处对CIGS材料生长的影响可以通过光学表面测量仪测量。上图显示了交界两侧的不同晶粒结构。

优化与控制

在太阳能制造业使用的加工仪器中,人们长期利用干涉光学系统进行质量控制与加工开发/改进。使用光学或探针测量仪的高级自控能力,可以快速地计算沿晶片的蚀刻率和沉淀率。沿衬底可以快速测量不同位置的特征高度。这些数据可以为加工控制和优化提供反馈。一种典型的测量应用是在沉淀过程中,测量8英寸晶片范围内步进特征的高度变化。可以在各个位置进行这种测量以及分析。得到的数据可以用来改进重要特征的均匀性和平均高度。

Veeco光学表面测量仪同样可以集成其他特征,以进行定量缺陷检测及分析。用户可以设定体积或者高度阈值,软件可以自动识别缺陷并且报告例如高度、直径、体积以及X方向或Y方向的最大范围。通过量化这些表面缺陷,系统用户可以决定缺陷在哪些过程中出现,以优化加工过程,从而消除缺陷。

薄膜厚度

不同衬底层的厚度,无论透明与否,都需要恰当的测量,特别是对于CIGS装置。探针测量仪采用的接触方法,在边界处提供了快速准确的测量薄膜厚度的方法,能够很容易地确定薄膜-衬底间距。Veeco Dektak分析仪的接触力很小,因此能够对材料进行无损测量,甚至是柔软的聚合体。更重要的是,由于采用接触的方式,探针表面测量仪对材料性质差别并不敏感。而这些差别在材料很薄或者吸收不同时,会导致光学技术出现偏差。更重要的是,由于在仅仅几秒钟就可以得到这些信息,所以它在频繁检测加工质量方面变得切实可行。

由于具备不同的能力,探针测量仪和光学表面测量仪通常在薄膜厚度控制中共同使用。例如,NT9100S光学表面测量仪能够在多个重要方面对Dektak探针测量仪进行有益的补充,可以对厚度大于2µm的透明薄膜样品表面进行测量。光学系统可以进行较快地基于面积的测量,但是如果存在光学特征导致的高度差,那么Dektak测量仪可以快速校准薄膜。然后,分析软件就可以自动在接下来的光学测量中进行补偿。此外,NT测量仪能够分别提供薄膜的上下表面粗糙程度和缺陷信息,因此可以分析薄膜的投影性质。所以,这两种测量仪能够很好地协同工作,以同时保证薄膜的厚度和表面质量能够充分描述出来,从而提高并保持最高的性能。

满足光伏技术的快速进步

随着提高效率、降低成本的需求日益增加,各种太阳能电池加工技术迅速发展。其中,能够对表面关键特征进行精确测量是这一发展的核心。通过对样品厚度以及表面进行亚纳米精度的测量,可以提供改进太阳能电池开发及生产过程的必要数据。质地、跃变高度、痕量、刻线宽度、薄膜厚度和缺陷探测都对实际生产线至关重要。同时,研究人员可以研究物质效应、环境影响及疲劳,以及进行复杂的测量来更好地理解加工设备中各种变量对终端产品的影响。


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