利用反射光譜測量單晶硅基太陽能表面增透膜的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種利用反射光譜測量單晶硅基太陽能電池表面增透膜的方法，包括通過建模模擬計算分別得出包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率A與不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率B；基于所述總反射效率A和所述總反射效率B求出單晶硅基太陽能電池的相對反射比率Rcal；測量包含增透膜的單晶硅基太陽能電池相對于不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的反射比率R；將所述Rcal與所述R比較，模型中設(shè)定增透膜厚度及增透膜材料的光學(xué)常數(shù)或光學(xué)常數(shù)物理模型的系數(shù)為變量，通過數(shù)值回歸的曲線擬合過程，計算得出膜厚與材料光學(xué)常數(shù)。本發(fā)明提高了反射率測量方法測量硅基太陽能樣品薄膜特征的準(zhǔn)確度，拓展了光譜反射儀的應(yīng)用領(lǐng)域，使測量硬件結(jié)構(gòu)更加簡單，成本更低。
【專利說明】利用反射光譜測量單晶硅基太陽能表面增透膜的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種利用反射光譜測量單晶硅基太陽能電池表面增透膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)方法測量薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)(n&k)通常可采用垂直入射的反射率測量方法或橢圓偏振方法。相比較橢圓偏振儀理論上可以更好的測量均勻薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)，但是設(shè)備價格昂貴(例如:J.A.Woollam系列橢圓偏振儀)。采用垂直入射的反射率測量方法的膜厚儀，結(jié)構(gòu)簡單，對于層數(shù)較少的結(jié)構(gòu)，測量精確，速度快(例如=OceanopitcsNanoCalc 系列)。
[0003]垂直入射的反射率測量方法通過首先測量已知反射率的參考樣品的反射光譜，而后測量待測樣品的反射光譜，通過參考樣品和待測樣品光譜的比計算出待測量樣品的反射率；而后，通過薄膜結(jié)構(gòu)建模(多層膜結(jié)構(gòu)反射率模擬)和回歸算法擬合，計算出待測樣品表面薄膜結(jié)構(gòu)和光學(xué)常數(shù)(n&k)?，F(xiàn)有的多層膜結(jié)構(gòu)反射率建模方法，都建立在均勻薄膜的基礎(chǔ)上，如圖1所示。當(dāng)樣品表面不規(guī)則時，如圖2所示，反射光傳播方向復(fù)雜，造成樣品分析和測量兩方面的困難:(I)待測樣品反射率與光學(xué)系統(tǒng)采集的數(shù)值孔徑(NumericalAperture, N.A.)有關(guān)。數(shù)值孔徑較大時，多方向的反射光將都可以被采集，會導(dǎo)致經(jīng)歷不同光學(xué)過程的反射信號同時被采集；數(shù)值孔徑有限時，僅小角度內(nèi)的反射光將被采集，信號較弱。(2)入射光相對于薄膜的入射角度分布范圍復(fù)雜。當(dāng)入射角度存在一定范圍時，反射率的模擬建模與薄膜入射角度緊密聯(lián)系，卻存在多次反射的可能，無法準(zhǔn)確的建模及計算出反射光譜。
[0004]太陽能電池作為環(huán)保綠色能源已被廣泛使用，并將大量實(shí)施。太陽能電池生產(chǎn)過程中，為了減少太陽能電池的反射率，一般對硅基表面進(jìn)行化學(xué)腐蝕處理，形成粗糙的表面。除此之外，其娃基表面還通過增加一層增透膜(減反膜,ant1-reflective coating)來降低光束入射至太陽能電池表面的反射率，從而增加透射率。因此生產(chǎn)過程中，控制和測量硅基表面增透膜的厚度和光學(xué)特征(可表征吸收特征)成為硅基太陽能電池生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。由于硅的晶格特征，其腐蝕硅基表面具有一定的規(guī)律特征，可以通過改進(jìn)建模方法和測量方法分析樣品的特征。
[0005]當(dāng)前技術(shù)中，有采用橢圓偏振儀測量的方法，如Thin Solid Films518(2010) 1830 - 1834中所述，將樣品傾斜，利用側(cè)壁的方向性測量。但是橢圓偏振儀價格較高，且傾斜的樣品平臺不易完成樣品表面定位和掃描。還有采用垂直入射的反射率測量方法，通過積分球收集粗糙樣品表面的反射光的反射儀。例如，用于測量太陽能襯底絨面的全光譜反射式膜厚測量儀SR (上海致東光電科技有限公司)，使用積分球作為反射光收集系統(tǒng)解決了樣品粗糙表面造成的光學(xué)散射問題。但由于樣品表面粗糙，垂直入射時，光束入射薄膜時具有角度的多樣性及可能存在的一次、二次、三次及個別多次反射造成的建模模式混合問題無法解決，導(dǎo)致積分球的采集的光學(xué)過程非常復(fù)雜。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用反射光譜測量單晶硅基太陽能電池表面增透膜的方法，能夠量測硅基太陽能電池表面增透薄膜厚度和材料光學(xué)常數(shù)。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種利用反射光譜測量單晶硅基太陽能電池表面增透膜的方法，包括通過建模模擬計算，分別得出包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率A與不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率B ;基于所述總反射效率A和所述總反射效率B求出包含增透膜的單晶硅基太陽能電池相對于不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的相對反射比率Rm1 ;測量包含增透膜的單晶硅基太陽能電池相對于不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的反射比率R ;將所述Rm1與所述R比較，設(shè)定增透膜厚度及增透膜材料的光學(xué)常數(shù)或光學(xué)常數(shù)物理模型的系數(shù)為變量，通過數(shù)值回歸的曲線擬合過程，計算得出膜厚與材料光學(xué)常數(shù)。
[0008]本發(fā)明提供的利用反射光譜測量單晶硅基太陽能電池表面增透膜的方法，提高了反射率測量方法測量硅基太陽能樣品薄膜特征的準(zhǔn)確度，拓展了光譜反射儀的應(yīng)用領(lǐng)域，使測量硬件結(jié)構(gòu)更加簡單，成本更低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為垂直入射光束在平滑薄膜表面上反射的示意圖；
[0010]圖2為垂直入射光束在粗糙薄膜表面上反射的示意圖；
[0011]圖3a為單晶硅太陽能電池表面結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0012]圖3b為單晶硅太陽能電池表面結(jié)構(gòu)的正視圖；
[0013]圖3c為電子顯微鏡下硅紋理表面的側(cè)視圖；
[0014]圖4為垂直入射光束在單晶硅基太陽能電池表面的2次反射過程的示意圖；
[0015]圖5為近垂直入射光束在單晶硅太陽能電池表面的2次反射過程的示意圖；
[0016]圖6為近垂直入射光束在單晶硅基太陽能電池表面的3次反射過程的示意圖；
[0017]圖7為S光、P偏振光在入射角度為70.6度和O度時在硅基上的反射率的譜線圖；其中，2表示P偏振光在入射角度為70.6度在硅基上的反射率譜線，3表示S偏振光、P偏振光在入射角度為O度時在硅基上的反射率的譜線，4表示s偏振光在入射角度為70.6度在硅基上的反射率譜線；
[0018]圖8為S偏振光、P偏振光在入射角度為70.6度和O度時在包含增透膜的硅基上的反射率的譜線圖；其中，5表示入射角度為70.6度時s偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率譜線，6表示入射角度為O度時S偏振光、P偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率的譜線，7表示入射角度為70.6度時P偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率譜線；
[0019]圖9為SOnm氮化硅鍍膜單晶硅襯底太陽能片三次反射模型計算出的反射率與實(shí)際測量值的示意圖；
[0020]圖10為SOnm氮化硅鍍膜單晶硅襯底太陽能片三次反射模型計算出的氮化硅光學(xué)常數(shù)(n，k)的示意圖；
[0021]圖11為70nm、80nm和90nm氮化硅鍍膜單晶硅襯底太陽能片的總反射比率光譜的
示意圖；[0022]圖12為80nm氮化硅鍍膜單晶硅襯底太陽能片入射角度在15.9度附近+/_5度范圍內(nèi)時，其總反射率變化的示意圖；
[0023]圖13為測量單晶硅太陽能基板薄膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖14為圖13所示太陽能基板薄膜系統(tǒng)中采用背散射光纖結(jié)構(gòu)的光學(xué)探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖15a為七芯背散射光纖束的端口A截面的示意圖；
[0026]圖15b為七芯背散射光纖束的端口 B截面的不意圖；
[0027]圖15c為七芯背散射光纖束的端口C截面的示意圖；
[0028]圖16為包含聚光單元的光學(xué)探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖17為包含光闌和聚光單元的光學(xué)探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖18為根據(jù)光譜儀狹縫的形狀調(diào)整出射光纖子束光纖端口排布的示意圖；
[0031]圖19為空間光學(xué)探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]首先，對本發(fā)明的方法原理進(jìn)行介紹，如圖3a所示，單晶硅太陽能電池硅基的結(jié)構(gòu)為以底面為四方型的金字塔型為單位結(jié)構(gòu)相互平行的排列而成，金字塔型的單位結(jié)構(gòu)的側(cè)壁(〈111〉面)與水平底面(〈100〉面)的角度為α =54.7度。由于硅片晶格方向的選擇，單晶硅太陽能電池硅基表面的單位結(jié)構(gòu)的側(cè)壁可按方向分為四組，每組內(nèi)的平面互相平行，如圖3b所示。因此，側(cè)壁(〈111〉面)可分為4組，每組相對于硅基表面的方向和角度相同并且相互平行，如圖3c所示。
[0033]光束近垂直入射至樣品表面時主要包含以下3類反射后出射的過程:
[0034](I)如圖4所示，垂直入射時探測光經(jīng)歷兩次反射:第一次反射，當(dāng)光束以垂直于樣品平面，即以a=54.7度入射至側(cè)壁時，其經(jīng)過兩側(cè)反射后，出射光線的角度為c=51.2度。因?yàn)?1.2度非常接近54.7度，因此光束經(jīng)歷第三次反射的幾率并不大。僅在兩個相鄰的側(cè)壁連接處容易發(fā)生。即使經(jīng)歷第三次反射，其出射光線角度d=58.2度。由此可知，反射光束相對于樣品水平面出射角度較小，需要數(shù)值孔徑較大的光學(xué)系統(tǒng)才能收集。
[0035](2)近垂直入射后，經(jīng)歷兩次反射。如圖5所示，當(dāng)?shù)谝淮畏瓷浜蟮墓馐叫杏谄矫?，即?5.3度入射至側(cè)壁，a=70.6度時，其經(jīng)過兩次反射后，出射光線角度b為70.6度，仍需要較大數(shù)值孔徑較大的光學(xué)系統(tǒng)才能收集。
[0036](3)近垂直入射后，經(jīng)歷三次反射。如圖6所示，當(dāng)光束以近垂直入射至樣品表面時，在一定入射角度范圍內(nèi)，普遍存在三次反射。有以下關(guān)系:
[0037]54.7+a2=a ；
[0038]a2=90-al ；
[0039]bl+180-54.7X2+a2=180 ；
[0040]b=90-bl ；
[0041]90-cl+2b+alX2+a2=180;
[0042]c=54.7+90-cl;
[0043]可以得出:
[0044]a+c=148.2;[0045]考慮探測光束和反射光束收集采用相同的光學(xué)系統(tǒng)，即當(dāng)a=c=74.1度時，為測量要求的采集光學(xué)系統(tǒng)的最小和理論最佳數(shù)值孔徑。
[0046]實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)中，近垂直入射時,發(fā)散的入射光束會造成入射角相對于不同體積角有一定的不同，在10度以內(nèi)；變化越大的部分將產(chǎn)生要求更大的NA (數(shù)值孔徑)。
[0047]綜合以上分析可以得出，當(dāng)探測光束近垂直入射時，可能同時包含以上全部三種反射方式，每種反射方式下樣品表面產(chǎn)生的總反射率不相同。因此，可以通過限制光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，使其僅收集三次反射模型所能對應(yīng)的信號，即反射光相對于樣品平面74.1度，相對于樣品平面的入射角度15.9度出射的反射信號。在此情況下，單一的反射過程具有單一的總反射率，具有單一的建模方法，更加準(zhǔn)確。數(shù)值孔徑的控制通過調(diào)整垂直入射反射光譜儀中入射光的數(shù)值孔徑實(shí)現(xiàn)，由此精確測量單一模式下的總反射率。從而準(zhǔn)確的測量薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)。
[0048]根據(jù)以上分析，本發(fā)明以近垂直入射光束在單晶硅基太陽能電池表面的3次反射過程為基礎(chǔ)，通過建模模擬計算，得出包含增透膜的單晶硅基太陽能電池相對于不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的反射比率。而后，模擬值與實(shí)際測量的比值通過回歸算法擬合，從而計算出模型中的薄膜相關(guān)參數(shù)。
[0049]由于通常寬帶光源，例如氙燈、氘燈，所發(fā)出的光為自然光，經(jīng)過偏振態(tài)影響較小的光學(xué)系統(tǒng)后，正交方向上的兩個偏振態(tài)強(qiáng)度相同。采取此類光學(xué)系統(tǒng)和光源后，假定探測光束為完全非偏振光，即入射至樣品表面的探測光束相對于任何入射面P偏振光和S偏振光的強(qiáng)度相同。
[0050]本發(fā)明實(shí)施例提供的一種 利用反射光譜測量單晶硅基太陽能電池表面增透膜的方法，包括:
[0051]步驟10、通過建模模擬計算分別得出不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率A與包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率B。
[0052]如圖6所示，當(dāng)光束以15.9度入射樣品平面(以54.7度入射硅片〈111〉面)時，光束反射后垂直入射于相鄰〈111〉面(b=0)，反射后原路返回，以15.9度出射樣品。反射過程中，入射時的P偏振光相對于三次反射的平面皆為P偏振光，入射時的s偏振光相對于三次反射的平面皆為S偏振光，因此過程中，P偏振光和S偏振光的反射率獨(dú)立計算。
[0053]具體地，不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率A包括以下步驟:
[0054]步驟I 1、計算 P 偏振光的反射率，即 RP—si=Rp—7(l.6—Si X Rp_o_Si X Rp—7(1.6—Si ；所述 Rp—7(1.6—Si 是入射角度為70.6度的P偏振光在硅基上的反射率；所述RPiSi是入射角度為O度的P偏振光在硅基上的反射率；
[0055]步驟I 2、計算 S 偏振光的反射率，即 Rs—Si=Rs—7(|.6_Si X Rs_0_Si X Rs_70.6_Si ；所述 Rs—m 6_Si 是入射角度為70.6度的S偏振光在硅基上的反射率；所述RsiSi是入射角度為O度的S偏振光在硅基上的反射率；
[0056]步驟13、計算總反射效率 A=(RS—Si+Rp—^)/2*1^1^。。116。--*1，所述1'冊?。。116。?。11為光纖采集率，I為入射光強(qiáng)。
[0057]偏振光在不含增透膜的硅基上的總反射率譜線如圖7所示。其中、2表示Rp 7α6的譜線、由于Rsjl等于Rp—0，其譜線在圖中用3表示，4表示Rs 7α6的譜線。
[0058]具體地，包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率B包括:[0059]步驟15、計算p偏振光的反射率，即
【權(quán)利要求】
1.一種利用反射光譜測量單晶硅基太陽能電池表面增透膜的方法，其特征在于，包括: 通過建模模擬計算分別得出不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率A與包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率B ； 基于所述總反射效率A和所述總反射效率B求出包含增透膜的單晶硅基太陽能電池相對于不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的相對反射比率Rcal ； 測量包含增透膜的單晶硅基太陽能電池相對于不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的的反射比率R ; 將所述Rcal與所述R比較，設(shè)定增透膜厚度及增透膜材料的光學(xué)常數(shù)或光學(xué)常數(shù)物理模型的系數(shù)為變量，通過數(shù)值回歸的曲線擬合過程，計算得出膜厚與材料光學(xué)常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述得出不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率A包括: 計算P偏振光的反射率，即RP—si=RP—?.6—siXRP—o—siXRP—?.6—si ;所述RP—?.6—Si是入射角度為70.6度的p偏振光在硅基上的理論反射率；所述Rp C1 si是入射角度為O度的P光在硅基上的理論反射率； 計算s偏振光的反射率，即Rs—Si=Rs—7a6—SiXRsiSiXRs—7a6—Si ;所述Rs—7(l.6—Si是入射角度為70.6度的s偏振光在硅基上的理 論反射率；所述RsiSi是入射角度為O度的s偏振光在硅基上的理論反射率； 計算所述總反射效率A= (Rs si+RP_si) /2*r



fibercollectio


n*I，所述





-^fibercollection為光纖采集率，I為入射光強(qiáng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述得出包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的總反射效率B包括:
計算P偏振光的反射率，即 Rp—fos「Rp—70.6—fosi XRp _0_fosi XRp 70.6—fosi ;所述Rp_ 70.6—fosi 是入射角度為70.6度的P偏振光在包含增透膜的硅基上的理論反射率；所述Rp C1 f()Si是入射角度為O度的P偏振光在包含增透膜的硅基上的理論反射率； 計算s偏振光的反射率，即Rs—fosi_Rs—70.6—fosi 乂 Rs—O—fosi 乂 Rs—70.6—fosi ;所述 Rs—70.6—fosi 是入射角度為70.6度的s偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率；所述RsIfosi是入射角度為O度的s偏振光在包含增透膜的硅基上的反射率； 計算所述總反射效率B= (R



s_fosi +RP_ _fosi


)/2*rfibercollection*I，所述






-^fibercollection為光纖采集率，I為入射光強(qiáng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于: 所述基于所述總反射效率A和所述總反射效率B求出單晶硅基太陽能電池的相對反射 ? B IbSi 十尺P IbSi屮室Λ , = — = ~^-———比.一 4 Ii S! + Rp si 。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述測量包含增透膜的單晶硅基太陽能電池相對于不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的反射比率R包括: 測量光譜儀暗數(shù)值Id ； 探測光垂直入射不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池參考樣品，測量參考樣本反射光if ir； 測量包含增透膜的單晶硅基太陽能電池，并獲得反射光譜I; 計算包含增透膜的單晶硅基太陽能電池相對于不包含增透膜的單晶硅基太陽能電池的相對反射比率R= (1-1d) / (Ir-1d)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述不包含增透膜的單晶硅基太陽能參考樣品為腐蝕處理后未鍍膜的單晶硅硅片或拋光后的單晶硅片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括: 設(shè)定所述相對反射比率Rral與所述反射比率R之間的關(guān)系為R=ct *RMl，所述α =Μ+Ν λ ,所述λ為波長； 設(shè)定增透膜厚度及光學(xué)常數(shù)或光學(xué)常數(shù)物理模型的系數(shù)為變量，同時將系數(shù)Μ、N設(shè)定為變量，通過數(shù)值回歸的曲線擬合過程，計算得出膜厚與材料光學(xué)常數(shù)及相應(yīng)的系數(shù)M和N0
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括: 控制反射光譜儀中的數(shù)值孔徑；所述數(shù)值孔徑< 0.28。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，通過光闌或選擇光纖控制光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括: 控制入射光孔徑角；所述入射光`孔徑角為10.9度~20.9度。
【文檔編號】G01B11/06GK103575703SQ201210281822
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月9日
【發(fā)明者】劉濤, 王林梓, 李國光, 夏洋, 艾迪格·基尼歐, 馬鐵中 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所, 北京智朗芯光科技有限公司