利用反射光谱测量硅基太阳能电池增透膜的方法技术

本发明专利技术公开利用反射光谱测量硅基太阳能电池增透膜的方法，包括通过垂直入射测量包含增透膜的硅基太阳能电池的相对反射率R’，测量反射率R’时参考样品的已知的绝对反射率Rr，模拟计算包含增透膜的平滑的硅基薄膜的绝对反射率R，反射率中引入粗糙度系数α，α＝M+Nλ。将所述R*α/Rr与所述反射率R’比较，模型中设定粗糙度系数中M及/或N、增透膜厚度及增透膜材料的光学常数或光学常数物理模型的系数为变量，通过数值回归的曲线拟合过程，计算得出膜厚与材料光学常数。本发明专利技术提高了反射率测量方法测量硅基太阳能样品薄膜特征的准确度，拓展了光谱反射仪的应用领域，使测量硬件结构更加简单，成本更低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术光学
，特别涉及一种利用反射光谱测量硅基太阳能电池表面增透膜的方法。
技术介绍
光学方法测量薄膜厚度和光学常数(η和k)通常可采用反射率测量方法或椭圆偏振方法。椭圆偏振仪理论上可以更好的测量均匀薄膜的厚度和光学常数，但是设备价格昂贵(例如:J.A.Woollam系列椭圆偏振仪)。采用反射率测量方法，尤其是垂直入射的膜厚仪，结构简单，对于厚度大于50nm的薄膜结构,测量精度高,速度快(例如:0ceanopitcsNanoCalc 系列)。反射率测量方法通过首先测量已知反射率的参考样品的反射光谱，而后测量待测样品的反射光谱，通过参考样品和待测样品光谱的比计算出待测量样品的反射率；然后，通过薄膜结构建模(多层膜结构反射率模拟)和回归算法拟合，计算出待测样品表面薄膜结构和光学常数(η和k)。现有的多层膜结构反射率建模方法，大都建立在均匀光滑平整薄膜的基础上，如图1所示；当样品表面不规则时，如图2所示，反射光传播方向复杂，造成样品分析和测量两方面的困难。I)待测样品反射率与光学系统采集的数值孔径(NumericalAperture, N.A.)有关。数值孔径较大时，多方向的反射光大部将被采集，经历不同光学过程的反射信号将同时被采集；数值孔径较小时，仅小角度内的反射光被采集，信号较弱。2)相对于薄膜的入射角度分布范围复杂。当入射角度存在一定范围时，反射率的模拟建模与薄膜入射角度紧密联系，却存在多次反射的可能，难以准确地建模及计算出反射光谱。太阳能电池作为环保绿色能源已被广泛使用，并将大量实施。太阳能电池生产过程中为了减少太阳能电池的反射率，对硅基表面进行化学腐蚀处理，形成粗糙的表面。除此之外，其娃基表面将通过生长一层增透膜(减反膜，ant1-reflective coating)而降低光束入射至太阳能电池表面的反射率，增加透射率。因此在生产过程中，控制和测量硅基表面增透膜的厚度和光学特征(可表征吸收特征)成为硅基太阳能电池生产过程中的重要环节。但由于硅的晶格特征，其腐蚀硅基表面具有一定的规律特征，可以通过适当的建模和测量方法来分析样品的特征。当前技术中，有采用椭圆偏振仪测量的方法，如Thin Solid Films518(2010) 1830-1834中所述，但是椭圆偏振仪价格较高。光学方法测量薄膜厚度和材料特性通常可通过垂直入射的反射率测量方法。此测量方法首先测量已知反射率的标准样品的反射光谱，而后测量样品的反射光谱，通过两束光谱的比之计算出测量样品的反射率；通过后期建模和数值拟合求出样品的薄膜结构和材料。此方法要求薄膜表面较平整。当样品表面非常粗糙时(平面上下起伏的尺度远大于测量用的波长)，样品表面造成的光学散射和光束入射薄膜时角度的多样性，及多次反射的存在使得反射率测量方法难以实施。当前技术中，有用积分球收集粗糙样品表面的反射光的反射仪。例如，用于测量太阳能衬底绒面的全光谱反射式膜厚测量仪S R (上海致东光电科技有限公司)，使用积分球作为反射光收集解决了样品粗糙表面造成的光学散射问题。但由于样品粗糙表面，垂直入射时，光束入射薄膜时具有角度的多样性及可能存在的一次、二次、三次及个别多次反射造成的测量偏差问题无法解决。即使是如单晶硅太阳能衬底表面，即具有一定规律性的粗糙表面衬底上的薄膜仍旧无法准确测量。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种通过反射光谱测量硅基太阳能电池表面增透膜的方法，能够量测硅基太阳能电池表面增透薄膜厚度和材料光学常数。为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种利用反射光谱测量硅基太阳能电池表面增透膜的方法，包括:通过建模模拟计算得出包含增透膜的平滑表面硅基的理论绝对反射率R以及不包含增透膜的平滑表面硅基的理论绝对放射率Rsi，所述R与表面增透膜的厚度及其光学常数相关；测量包含增透膜的硅基太阳能电池相对于参考样品的反射比率R’ ；定义粗糙度系数α = Μ+Νλ，所述λ是波长；所述理论绝对反射率R，Rs1、反射比率R’、粗糙度系数α满足关系R’ = a *R/Rsi ；将所述R’与所述a*R/X比较，设定系数M和N、增透膜厚度及增透膜材料的光学常数或光学常数物理模型的系数为变量，通过数值回归的曲线拟合过程，计算得出膜厚与材料光学常数。本专利技术提供的，采集较小光学数值孔径内的反射光谱，通过粗糙度系数的计算模型去除粗糙表面造成的散射影响的算法，可测量硅基太阳能电池表面增透膜的厚度和光学特性；提高了反射率测量方法测量硅基太阳能样品增透膜特征的准确度。【附图说明】图1为垂直入射光束在平滑薄膜表面上反射的示意图；图2为垂直入射光束在粗糙薄膜表面上反射的示意图；图3a为单晶硅太阳能电池表面结构的示意图；图3b为单晶硅太阳能电池表面结构的正视图；图3c为电子显微镜下硅纹理表面的侧视图；图4为单晶娃基太阳能娃基表面侧壁图，探测光束以相对于单晶娃基平面54.7度入射的不意图；图5为增加粗糙度系数α方法后，测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的曲线拟合结果的示意图；图6为增加粗糙度系数α方法后，分析采用小光学数值孔径测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的增透膜光学常数结果的示意图；图7为未增加粗糙度系数α方法时，分析采用小光学数值孔径(0.22)测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的反射率和平滑硅基90nm氮化硅模拟值的示意图；其中，3表不均勾娃基90nm氣化娃I旲拟值,4表不多晶娃基太阳能电池的相对反射率；图8为增加粗糙度系数α方法后，采用抛光的单晶硅作为参考样品时，分析采用小光学数值孔径(0.22)测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的曲线拟合结果的示意图；其中，5表示多晶硅基太阳能电池的相对反射率，6表示包含粗糙度系数的均勻娃基90nm氮化娃模拟值；图9为增加粗糙度系数α方法后，采用不包含增透膜的多晶硅作为参考样品时，分析采用小光学数值孔径测量包含90nm氮化硅增透膜的多晶硅基太阳能电池的曲线拟合结果的示意图；其中，8表示多晶硅基太阳能电池的相对反射率，7示包含粗糙度系数的均勻娃基90nm氮化娃模拟值；图10为测量晶硅太阳能电池增透膜系统示意图；图11为图10中采用背散射光纤结构的反射率测量探头的结构示意图；图12a为七芯背散射光纤束的端口A截面的示意图；图12b为七芯背散射光纤束的端口 B截面的示意图；图12c为七芯背散射光纤束的端口C截面的示意图；图13为包含聚光单元的光学探头的结构示意图；图14为包含光阑和聚光单元的光学探头的结构示意图；图15为根据光谱仪狭缝的形状调整出射光纤束子光纤端口排布的示意图；图16为采用测量反射率的光学探测头测量单晶硅基太阳能电池增透膜系统的结构示意图；图17为空间光学探头的结构示意图。【具体实施方式】单晶硅基太阳能电池测量:首先介绍化学腐蚀处理后的单晶(mono-crystal)娃基底的表面特征,如图3a所示，单晶硅基太阳能电池硅基的表面结构绝大多数为以底面为四方型的金字塔型为单位结构相互平行的排列而成，金字塔型的单位结构的侧壁与水平底面的角度为t=54.7度。由于硅片晶格方向的选择，单晶硅太阳能电池硅基表面的单位结构的侧壁分别互相平行，如图3b所示。因此，侧壁(〈111〉面)可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用反射光谱测量硅基太阳能电池增透膜的方法，其特征在于，包括：通过建模模拟计算得出包含增透膜的平滑表面硅基的理论绝对反射率R以及不包含增透膜的平滑表面硅基的理论绝对反射率Rsi，所述R与表面增透膜的厚度及其光学常数相关；测量包含增透膜的硅基太阳能电池相对于参考样品的反射比率R’；定义粗糙度系数α＝M+Nλ，所述λ是波长；所述理论绝对反射率R、Rsi、反射比率R’、粗糙度系数α满足关系R’=α*R/Rsi；将所述R’与所述α*R/Rr比较，设定系数M和N、增透膜厚度及增透膜材料的光学常数或光学常数物理模型的系数为变量，通过数值回归的曲线拟合过程，计算得出膜厚与材料光学常数。

【技术特征摘要】
1.一种利用反射光谱测量硅基太阳能电池增透膜的方法，其特征在于，包括: 通过建模模拟计算得出包含增透膜的平滑表面硅基的理论绝对反射率R以及不包含增透膜的平滑表面硅基的理论绝对反射率Rsi，所述R与表面增透膜的厚度及其光学常数相关； 测量包含增透膜的硅基太阳能电池相对于参考样品的反射比率R’ ； 定义粗糙度系数α = Μ+Νλ，所述λ是波长； 所述理论绝对反射率R、Rs1、反射比率R’、粗糙度系数α满足关系R’ = a *R/Rsi ；将所述R’与所述a *R/Rr比较，设定系数M和N、增透膜厚度及增透膜材料的光学常数或光学常数物理模型的系数为变量，通过数值回归的曲线拟合过程，计算得出膜厚与材料光学常数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述硅基太阳能电池为单晶硅表面或多晶娃表面。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所述参考样品包括平滑表面的单晶硅片或不包含增透膜的硅基太阳能电池。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量包含增透膜的硅基太阳能电池相对于参考样品的反射比率R’包括: 测量光谱仪暗数值Id ； 测量参考样品的反射光谱，并获得参考样品的光谱数值仁； 测量包含增透膜的硅基太阳能电池并获得光谱数值I ; 计算包含表面增透膜的硅基太阳能电池相对于参...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国光，王林梓，刘涛，艾迪格·基尼欧，马铁中，
申请(专利权)人：北京智朗芯光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：