精確無損測量薄膜厚度對光伏太陽能電池等電子器件很關鍵。在高效硅異質結（SHJ）太陽能電池中，叉指背接觸（IBC）設計可減少光反射和改善光捕獲，但其制備需精確圖案化和控制薄膜厚度。利用光致發光成像技術實現了對硅異質結太陽能電池中薄膜厚度的快速檢測和分析，對提高太陽能電池生產質量控制具有重要意義。

研究背景

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硅異質結太陽能電池（SHJ）：SHJ太陽能電池因其高效率而受到關注，其結構包括在晶體硅（c-Si）襯底上沉積薄的非晶硅（a-Si:H）或微晶硅（μc-Si:H）層以鈍化表面，并作為選擇性接觸層。交錯式背接觸（IBC）設計：IBC設計將電子和空穴收集區域都放置在電池的背面，以減少光反射并提高光捕獲效率。厚度測量的重要性：對于沉積在粗糙襯底上的薄膜，精確的厚度控制和均勻性對于太陽能電池的性能至關重要。

實驗樣品制備

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使用商業6英寸Cz n型硅片，經過表面織構化和清洗后，用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）技術在前后兩側沉積了本征氫化非晶硅（a-Si:H(i)）層和局部沉積的n型氫化微晶硅（μc-Si:H(n)）層。

PL 成像測量薄膜厚度

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非晶硅（a-Si:H）條紋：不同光照條件下的PL圖像以及最終重建的厚度圖像微晶硅（μc-Si:H）條紋：不同光照條件下的PL圖像以及最終重建的厚度圖像光致發光成像技術：利用了PL成像技術，通過比較藍色（470 nm）和紅色（625 nm）光照下的PL信號來計算薄膜厚度。藍色光的吸收較強，用于測量薄膜的吸收；紅色光的吸收較弱，用于提供背景信號。薄膜厚度計算公式：通過PL成像技術，能夠快速識別薄膜厚度的局部變化，這對于太陽能電池的生產質量控制非常重要。厚度檢測能力：PL成像技術能夠在短時間內（0.4秒內）完成薄膜厚度的檢測，并且檢測限低于1納米。薄膜厚度的不均勻性：厚度圖像揭示了薄膜在不同位置的厚度變化，顯示出局部不均勻性。特別是硅片的左上角區域，薄膜厚度明顯較薄。應用前景：PL成像技術不僅適用于實驗室研究，還具有在太陽能電池生產線中作為在線檢測工具的潛力，有助于提高生產效率和產品質量。

拉曼光譜法測量薄膜厚度和均勻性

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拉曼光譜雙波長激發模式原理示意圖

• 藍光激發（442nm）模式測量薄膜厚度

當使用 442nm 激發光時，其在薄硅膜中的穿透深度約為 28nm，會部分被硅膜吸收。基于此，c-Si 晶圓的拉曼信號會因上方硅薄膜的吸收而衰減。根據比爾-朗伯定律，通過測量這種吸收程度，可將其重新計算為沉積硅薄膜的厚度。在實際測量中，利用這種原理，通過檢測 c-Si 晶圓拉曼信號的衰減程度，就能推算出硅薄膜的厚度。

• 紫外激發（325nm）模式測量結晶度原理

采用325nm激發光時，其拉曼穿透深度低于10nm。硅薄膜中，在拉曼信號約480cm?1處的峰歸因于非晶硅結構，而在520cm?1處的拉曼峰則源于硅薄膜的結晶部分。通過分析這兩個峰的強度、比例等信息，就能判斷硅薄膜的結晶度情況。(a)a-Si:H鈍化層的厚度分布 (b)μc-Si:H條紋的厚度分布a-Si:H鈍化層厚度分布：通過拉曼光譜法測量結果顯示，a-Si:H鈍化層的厚度在整個硅片上非常均勻，沒有顯著的厚度變化。μc-Si:H條紋厚度分布：通過拉曼光譜法測量結果顯示，μc-Si:H條紋的厚度在不同位置存在顯著變化，厚度變化范圍超過最大測量厚度的35%。μc-Si:H條紋的沉積過程存在局部不均勻性，可能影響太陽能電池的性能。

拉曼光譜法分析薄膜結晶性

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微晶硅（μc-Si:H）條紋邊緣的厚度與結晶性退化分析

• 厚度分布和結晶性變化：

條紋的厚度在中心區域較高，隨著接近條紋邊緣，厚度逐漸減小。條紋中心的結晶性較高，表明該區域的薄膜具有較高的微晶結構，這對于形成有效的隧道結接觸至關重要。隨著接近條紋邊緣，結晶性逐漸降低，最終接近零，表明邊緣區域的薄膜完全是非晶態的。

• UV拉曼光譜：

條紋中心的光譜顯示較強的520 cm-1峰，表明該區域具有較高的結晶性。隨著接近條紋邊緣，520 cm-1峰的強度逐漸減弱，而480 cm-1峰的強度相對增強，表明結晶性降低。條紋邊緣的薄膜結晶性較低，無法形成有效的隧道結接觸，因此有效電子接觸區域減少了約20%。

薄膜沉積不均勻性

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微晶硅（μc-Si:H）條紋邊緣納米尺度沉積缺陷的力學表征左側形貌圖顯示了硅片表面的金字塔結構（pyramids），這些結構是硅片表面的紋理，用于提高光吸收效率。在條紋邊緣，可以看到額外的硅層沉積在金字塔的右側，而左側則沒有明顯的沉積。右側粘附性圖顯示了薄膜在不同位置的粘附力變化，這些變化反映了薄膜的機械性質。圖中用黃色表示粘附力較高的區域，藍色表示粘附力較低的區域。結果表明，條紋邊緣的薄膜不是連續的，這可能導致電接觸的不可靠性。通過創新性地結合PL成像、拉曼光譜和AFM技術，我們不僅建立了適用于IBC電池產線的亞秒級厚度檢測方案，更深入揭示了制約IBC電池性能的關鍵因素——掩模沉積導致的薄膜邊緣缺陷，更全面地評估薄膜的厚度和結晶性，為太陽能電池的生產提供更有效的在線檢測工具。

美能晶化率測試儀

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美能晶化率測試儀擁有極佳的紫外靈敏度和優異的光譜重復性。采用325激光器，同時優化紫外光路設計，提高光譜穩定性，高效率利用325激光與樣品拉曼信號，實現了5nm以上非晶/微晶材料的原位測試，是表征"微晶一異質結"電池的最優選擇。

• 行業最佳，紫外靈敏度硅一階峰的信號計數優于1000 (1秒積分時間)
• 光譜重復性：單晶硅校準后，≤520±0.02cm-1
• 光柵刻線數：≤2400 gr/mm；≤1800 gr/mm

展望未來，拉曼光譜法將在太陽能電池技術的發展中繼續發揮重要作用。通過與美能晶化率測試儀等先進設備的結合，研究人員可以更高效地優化薄膜沉積工藝，進一步提升太陽能電池的性能和穩定性。