IBC背接触结构薄膜缺陷分析：多尺度表征技术（PL/AFM/拉曼）的应用

精确无损测量薄膜厚度对光伏太阳能电池等电子器件很关键。在高效硅异质结（SHJ）太阳能电池中，叉指背接触（IBC）设计可减少光反射和改善光捕获，但其制备需精确图案化和控制薄膜厚度。利用光致发光成像技术实现了对硅异质结太阳能电池中薄膜厚度的快速检测和分析，对提高太阳能电池生产质量控制具有重要意义。

研究背景

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硅异质结太阳能电池（SHJ）：SHJ太阳能电池因其高效率而受到关注，其结构包括在晶体硅（c-Si）衬底上沉积薄的非晶硅（a-Si:H）或微晶硅（μc-Si:H）层以钝化表面，并作为选择性接触层。交错式背接触（IBC）设计：IBC设计将电子和空穴收集区域都放置在电池的背面，以减少光反射并提高光捕获效率。厚度测量的重要性：对于沉积在粗糙衬底上的薄膜，精确的厚度控制和均匀性对于太阳能电池的性能至关重要。

实验样品制备

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使用商业6英寸Cz n型硅片，经过表面织构化和清洗后，用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在前后两侧沉积了本征氢化非晶硅（a-Si:H(i)）层和局部沉积的n型氢化微晶硅（μc-Si:H(n)）层。

PL 成像测量薄膜厚度

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非晶硅（a-Si:H）条纹：不同光照条件下的PL图像以及最终重建的厚度图像微晶硅（μc-Si:H）条纹：不同光照条件下的PL图像以及最终重建的厚度图像光致发光成像技术：利用了PL成像技术，通过比较蓝色（470 nm）和红色（625 nm）光照下的PL信号来计算薄膜厚度。蓝色光的吸收较强，用于测量薄膜的吸收；红色光的吸收较弱，用于提供背景信号。薄膜厚度计算公式：通过PL成像技术，能够快速识别薄膜厚度的局部变化，这对于太阳能电池的生产质量控制非常重要。厚度检测能力：PL成像技术能够在短时间内（0.4秒内）完成薄膜厚度的检测，并且检测限低于1纳米。薄膜厚度的不均匀性：厚度图像揭示了薄膜在不同位置的厚度变化，显示出局部不均匀性。特别是硅片的左上角区域，薄膜厚度明显较薄。应用前景：PL成像技术不仅适用于实验室研究，还具有在太阳能电池生产线中作为在线检测工具的潜力，有助于提高生产效率和产品质量。

拉曼光谱法测量薄膜厚度和均匀性

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拉曼光谱双波长激发模式原理示意图

• 蓝光激发（442nm）模式测量薄膜厚度

当使用 442nm 激发光时，其在薄硅膜中的穿透深度约为 28nm，会部分被硅膜吸收。基于此，c-Si 晶圆的拉曼信号会因上方硅薄膜的吸收而衰减。根据比尔-朗伯定律，通过测量这种吸收程度，可将其重新计算为沉积硅薄膜的厚度。在实际测量中，利用这种原理，通过检测 c-Si 晶圆拉曼信号的衰减程度，就能推算出硅薄膜的厚度。

• 紫外激发（325nm）模式测量结晶度原理

采用325nm激发光时，其拉曼穿透深度低于10nm。硅薄膜中，在拉曼信号约480cm−1处的峰归因于非晶硅结构，而在520cm−1处的拉曼峰则源于硅薄膜的结晶部分。通过分析这两个峰的强度、比例等信息，就能判断硅薄膜的结晶度情况。(a)a-Si:H钝化层的厚度分布 (b)μc-Si:H条纹的厚度分布a-Si:H钝化层厚度分布：通过拉曼光谱法测量结果显示，a-Si:H钝化层的厚度在整个硅片上非常均匀，没有显著的厚度变化。μc-Si:H条纹厚度分布：通过拉曼光谱法测量结果显示，μc-Si:H条纹的厚度在不同位置存在显著变化，厚度变化范围超过最大测量厚度的35%。μc-Si:H条纹的沉积过程存在局部不均匀性，可能影响太阳能电池的性能。

拉曼光谱法分析薄膜结晶性

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微晶硅（μc-Si:H）条纹边缘的厚度与结晶性退化分析

• 厚度分布和结晶性变化：

条纹的厚度在中心区域较高，随着接近条纹边缘，厚度逐渐减小。条纹中心的结晶性较高，表明该区域的薄膜具有较高的微晶结构，这对于形成有效的隧道结接触至关重要。随着接近条纹边缘，结晶性逐渐降低，最终接近零，表明边缘区域的薄膜完全是非晶态的。

• UV拉曼光谱：

条纹中心的光谱显示较强的520 cm-1峰，表明该区域具有较高的结晶性。随着接近条纹边缘，520 cm-1峰的强度逐渐减弱，而480 cm-1峰的强度相对增强，表明结晶性降低。条纹边缘的薄膜结晶性较低，无法形成有效的隧道结接触，因此有效电子接触区域减少了约20%。

薄膜沉积不均匀性

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微晶硅（μc-Si:H）条纹边缘纳米尺度沉积缺陷的力学表征左侧形貌图显示了硅片表面的金字塔结构（pyramids），这些结构是硅片表面的纹理，用于提高光吸收效率。在条纹边缘，可以看到额外的硅层沉积在金字塔的右侧，而左侧则没有明显的沉积。右侧粘附性图显示了薄膜在不同位置的粘附力变化，这些变化反映了薄膜的机械性质。图中用黄色表示粘附力较高的区域，蓝色表示粘附力较低的区域。结果表明，条纹边缘的薄膜不是连续的，这可能导致电接触的不可靠性。通过创新性地结合PL成像、拉曼光谱和AFM技术，我们不仅建立了适用于IBC电池产线的亚秒级厚度检测方案，更深入揭示了制约IBC电池性能的关键因素——掩模沉积导致的薄膜边缘缺陷，更全面地评估薄膜的厚度和结晶性，为太阳能电池的生产提供更有效的在线检测工具。

美能晶化率测试仪

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美能晶化率测试仪拥有极佳的紫外灵敏度和优异的光谱重复性。采用325激光器，同时优化紫外光路设计，提高光谱稳定性，高效率利用325激光与样品拉曼信号，实现了5nm以上非晶/微晶材料的原位测试，是表征"微晶一异质结"电池的最优选择。

• 行业最佳，紫外灵敏度硅一阶峰的信号计数优于1000 (1秒积分时间)
• 光谱重复性：单晶硅校准后，≤520±0.02cm-1
• 光栅刻线数：≤2400 gr/mm；≤1800 gr/mm

展望未来，拉曼光谱法将在太阳能电池技术的发展中继续发挥重要作用。通过与美能晶化率测试仪等先进设备的结合，研究人员可以更高效地优化薄膜沉积工艺，进一步提升太阳能电池的性能和稳定性。