通過量化、鑒定以及監(jiān)測，光學(xué)表面測量儀能提高太陽能電池的產(chǎn)量，并降低總體生產(chǎn)成本。

作者：Erik Novak，Stephen Hopkins，Andrew Masters

    燃油價格的飆升、政府的能源倡導(dǎo)計劃,以及日益增長的世界范圍內(nèi)減少溫室氣體以及碳排放量的需求等諸多因素，都在推動著太陽能產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展。到2050年，全世界的能源消耗將是現(xiàn)在的兩倍。目前，光伏太陽能電池的生產(chǎn)速度正在以每年40%的速度遞增。與其他產(chǎn)業(yè)一樣，太陽能電池商品化成功的關(guān)鍵驅(qū)動因素是終端用戶的總成本。對于太陽能電池制造商而言，這一關(guān)鍵驅(qū)動因素表現(xiàn)為系統(tǒng)壽命范圍內(nèi)單位千瓦時發(fā)電功率的成本。

    目前，日益增長的太陽能市場上，多種光伏技術(shù)之間競爭激烈。傳統(tǒng)的太陽能電池由結(jié)晶硅構(gòu)成，目前這種電池仍然在世界范圍內(nèi)太陽能電池制造中占據(jù)大量市場份額。無定形薄膜硅能夠用于制造更為輕便、更易于加工、但效率相對較低的太陽能電池，因此其正在市場中獲得更多的份額。再加上一些其他的光伏技術(shù)，包括CdTe、CuInGa(Se)₂、以及效率最高的III/V族三結(jié)電池，目前太陽能電池市場正呈現(xiàn)出群雄逐鹿的局面。盡管每種技術(shù)都各有千秋，但是所有這些技術(shù)都需要對表面進(jìn)行高精度測量以控制材料質(zhì)量。目前，許多光伏制造商利用光學(xué)表面測量儀對各種加工過程進(jìn)行量化、鑒定以及監(jiān)測，以提高太陽能電池的產(chǎn)量，并降低總體生產(chǎn)成本。

表面結(jié)構(gòu)測量

    表面結(jié)構(gòu)是影響太陽能電池效率的重要表面參數(shù)之一。根據(jù)入射光波長的不同，拋光的單晶硅晶片(例如半導(dǎo)體級裸晶片)的反射率約為40%。減小該反射率的常用技術(shù)是對表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，使被反射的光子具有一定的概率入射到光伏電池的另一平面，從而提高光子在發(fā)射層發(fā)生光伏反應(yīng)的機會。然而，如果表面過于粗糙，電子/空穴對復(fù)合的平均自由程就會增加，以致于達(dá)到一定值后下降的復(fù)合概率會導(dǎo)致總效率的減小。

    采用非接觸光學(xué)測量，最近研究人員應(yīng)用一套嚴(yán)格的理論與方法，研究出一種有效且可重復(fù)的方法，建立相對效率與表面性質(zhì)之間的關(guān)系。在早期研究中，研究人員利用Veeco NT系列光學(xué)表面測量儀對多種放大以及掃描條件下的單晶硅太陽能電池進(jìn)行測量。研究人員測量了三組不同制造商提供的光伏電池的三維表面特性，并且能將某些表面結(jié)構(gòu)特征與電池的輸出效率關(guān)聯(lián)起來（見圖1）。

圖1：不同電池的表面結(jié)構(gòu)不同，因此效率不同。上圖顯示了若干光伏電池的表面圖像，它們的表面斜度（ssk）不同。這些電池的效率與表面斜度之間存在線性關(guān)系（下圖）。

通過對放大率和視場進(jìn)行優(yōu)化，研究人員建立了表面結(jié)構(gòu)與電池效率之間的關(guān)聯(lián)，每個電池之間的誤差為±0.5%。

痕量元素和線寬測量

    除了絕佳的垂直分辨率以及快速的測量時間，非接觸光學(xué)表面測量儀能夠?qū)��?shù)據(jù)進(jìn)行分段，以測量樣品表面不同層次的重要特性。對于太陽能電池應(yīng)用，這普遍用于痕量元素和線寬測量。在太陽能電池制造中，需要對使用的銀或者其他元素的質(zhì)量和數(shù)量進(jìn)行精確控制，以確保電池板的性能，同時還要減小非光電材料導(dǎo)致的模糊面積。而且，過厚和過寬的導(dǎo)電痕量元素會增加制造成本(因為銀面板的價格相對較高)，同時還會降低光伏電池的效率。此外，特別是在薄膜加工過程中，最后要用昂貴的導(dǎo)電油墨填充刻線，這種油墨能夠通過“連線”各種有源區(qū)來產(chǎn)生需要的輸出功率和電流。如果這些刻線太淺或太深，寬度不正確或所在部位不正確，都將影響電池板的性能。在油墨沉積之前識別這種錯誤，能夠減少油墨浪費。

利用Veeco公司的Vision測量軟件，能夠自動計算襯底上痕量元素的線寬、線間隔、深度、體積以及粗糙程度，也可以將所有參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫中，以在生產(chǎn)中進(jìn)行質(zhì)量控制（見圖2）。該軟件可對具有上百個特征的表面進(jìn)行測量分析。

圖2：對薄膜太陽能電池板上刻線測量結(jié)果進(jìn)行三維以及多區(qū)域顯示，能夠提供總體粗糙度、刻線區(qū)域粗糙度、線寬以及刻線深度等信息。

同樣，光學(xué)表面測量儀也可以在多種條件下，測量材料表面性質(zhì)。例如，美國伊利諾斯州大學(xué)材料科學(xué)與工程系利用Veeco公司的光學(xué)表面測量儀，測量了晶界（grain boundary）對CIGS雙晶生長和光電效率的影響（見圖3）。通過高精度的快速定量測量，光學(xué)表面測量儀能夠幫助研究人員改進(jìn)太陽能電池的性能。

圖3：不同襯底晶體取向的交界處對CIGS材料生長的影響可以通過光學(xué)表面測量儀測量。上圖顯示了交界兩側(cè)的不同晶粒結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化與控制

在太陽能制造業(yè)使用的加工儀器中，人們長期利用干涉光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量控制與加工開發(fā)/改進(jìn)。使用光學(xué)或探針測量儀的高級自控能力，可以快速地計算沿晶片的蝕刻率和沉淀率。沿襯底可以快速測量不同位置的特征高度。這些數(shù)據(jù)可以為加工控制和優(yōu)化提供反饋。一種典型的測量應(yīng)用是在沉淀過程中，測量8英寸晶片范圍內(nèi)步進(jìn)特征的高度變化�？梢栽诟鱾�位置進(jìn)行這種測量以及分析。得到的數(shù)據(jù)可以用來改進(jìn)重要特征的均勻性和平均高度。

Veeco光學(xué)表面測量儀同樣可以集成其他特征，以進(jìn)行定量缺陷檢測及分析。用戶可以設(shè)定體積或者高度閾值，軟件可以自動識別缺陷并且報告例如高度、直徑、體積以及X方向或Y方向的最大范圍。通過量化這些表面缺陷，系統(tǒng)用戶可以決定缺陷在哪些過程中出現(xiàn)，以優(yōu)化加工過程，從而消除缺陷。

薄膜厚度

不同襯底層的厚度，無論透明與否，都需要恰當(dāng)?shù)臏y量，特別是對于CIGS裝置。探針測量儀采用的接觸方法，在邊界處提供了快速準(zhǔn)確的測量薄膜厚度的方法，能夠很容易地確定薄膜-襯底間距。Veeco Dektak分析儀的接觸力很小，因此能夠?qū)Σ牧线M(jìn)行無損測量，甚至是柔軟的聚合體。更重要的是，由于采用接觸的方式，探針表面測量儀對材料性質(zhì)差別并不敏感。而這些差別在材料很薄或者吸收不同時，會導(dǎo)致光學(xué)技術(shù)出現(xiàn)偏差。更重要的是，由于在僅僅幾秒鐘就可以得到這些信息，所以它在頻繁檢測加工質(zhì)量方面變得切實可行。

由于具備不同的能力，探針測量儀和光學(xué)表面測量儀通常在薄膜厚度控制中共同使用。例如，NT9100S光學(xué)表面測量儀能夠在多個重要方面對Dektak探針測量儀進(jìn)行有益的補充，可以對厚度大于2µm的透明薄膜樣品表面進(jìn)行測量。光學(xué)系統(tǒng)可以進(jìn)行較快地基于面積的測量，但是如果存在光學(xué)特征導(dǎo)致的高度差，那么Dektak測量儀可以快速校準(zhǔn)薄膜。然后，分析軟件就可以自動在接下來的光學(xué)測量中進(jìn)行補償。此外，NT測量儀能夠分別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質(zhì)。所以，這兩種測量儀能夠很好地協(xié)同工作，以同時保證薄膜的厚度和表面質(zhì)量能夠充分描述出來，從而提高并保持最高的性能。

滿足光伏技術(shù)的快速進(jìn)步

隨著提高效率、降低成本的需求日益增加，各種太陽能電池加工技術(shù)迅速發(fā)展。其中，能夠?qū)Ρ砻骊P(guān)鍵特征進(jìn)行精確測量是這一發(fā)展的核心。通過對樣品厚度以及表面進(jìn)行亞納米精度的測量，可以提供改進(jìn)太陽能電池開發(fā)及生產(chǎn)過程的必要數(shù)據(jù)。質(zhì)地、躍變高度、痕量、刻線寬度、薄膜厚度和缺陷探測都對實際生產(chǎn)線至關(guān)重要。同時，研究人員可以研究物質(zhì)效應(yīng)、環(huán)境影響及疲勞，以及進(jìn)行復(fù)雜的測量來更好地理解加工設(shè)備中各種變量對終端產(chǎn)品的影響。