CN106199368B - 非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪及检测方法 - Google Patents

非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪及检测方法，包括放置台、光源、探测器、信号放大器、锁相放大器、处理控制单元、函数发生器，函数发生器与电光源连接，当硅基光电器件放置于放置台上时，硅基光电器件位于光源与探测器之间。光源激发硅基光电器件发荧光，通过探测器多点探测接收硅基光电器件另一侧的荧光并转为电信号，通过信号放大器、锁相放大器得到荧光的幅值及荧光与光源的相位差，处理控制单元计算输出少数载流子寿命分布图。在更换不同规格的硅基光电器件时不需要进行校准，将硅基光电器件置于光源与探测器之间，减少光源对检测的影响，提高测量的准确性，通过多点式的探测，方便得到少数载流子寿命的分布图。

Description

非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪及检测方法
技术领域
本发明涉及硅基光电器件少数载流子传输参数的无损检测方法，尤其是涉及一种非接触式硅基光电器件少数载流子寿命检测仪及检测方法。
背景技术
随着新型半导体材料制备技术的发展，高性能、高转化效率的太阳能电池需求不断增大，现代太阳能电池工业需求已达到GW量级。半导体材料制备质量控制与评价已成为关键问题。众所周知，少数载流子寿命是衡量半导体及其产品的重要参数。
目前代表性的半导体少数载流子寿命检测技术主要有电致发光(Electroluminescence-EL)、光电导衰减检测(Photoconductance decay-PCD)、光致发光检测技术(Photoluminescence-PL)和光热福射检测技术(Photothermal radiometry-PTR)等。其中电致发光(EL)一般适用于具有PN结的太阳能电池结构，根据发光的强弱可以快速检测材料载流子寿命的分布，该方法快速、准确，但需要施加偏置电压，这与太阳能电池发生接触易造成二次破坏，同时要求有电极。光电导衰减检测(PCD)是一种准确快速且无接触的测试方法，但该方法对待测半导体样品的形状尺寸和电阻率有一定要求，并且测量的是半导体的平均载流子寿命，难于实现少数载流子寿命分布的测量，另外，当测量载流子寿命较短的半导体材料时，则需电子学设备快速记录光脉冲和光电导衰减信号，其灵敏度低。光热辐射检测技术(PTR)是一种非接触的无损检测方法，应用于半导体材料少数载流子寿命检测时，其计算量大，分析复杂。光致发光检测(PL)是一种快速、非接触检测半导体硅片的少数载流子寿命的检测方法，该方法可实现半导体硅片少数载流子寿命分布的快速检测。
尽管目前存在基本成熟的少数载流子寿命分布检测方法，这些方法各有所长，也各有其局限性。调制光致载流子辐射发光(MPL)检测技术具有快速、非接触、分析简单、灵敏度高、无需因更换被测样品重新校准仪器等优点，可实现半导体样件的少数载流子寿命检测与分布，且少数载流子寿命分布的分辨率高。因此，实现高效可靠检测半导体少数载流子寿命分布具有重要意义。而目前这种调制偏振光致载流子辐射发光检测技术应用方法只在实验室内进行使用，并且通常是在太阳能电池的同一面进行激发以及收集光源，这样对其收集到的光源有一定的影响，且在对光源进行激发和收集需要多组镜片组合，较为复杂，不能够实现自动化逐点扫描式探测，后期形成的少数载流子寿命分布图很不准确，影响检测结果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪及检测方法。
本发明解决上述问题所采取的技术方案是：一种非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪，包括用于放置硅基光电器件的放置台、光源、探测器、与探测器电连接的信号放大器、与信号放大器电连接的锁相放大器、与锁相放大器电连接的处理控制单元、与锁相放大器以及处理控制单元均电连接的函数发生器，所述的函数发生器与电光源连接，当硅基光电器件放置于所述放置台上时，硅基光电器件位于所述的光源与探测器之间。
进一步具体的，所述的光源由多个且呈阵列排布的子光源组成，所述的探测器由多个且呈阵列排布的子探测器组成，所述的信号放大器的个数与子探测器的个数一致且两者一一对应连接，所述的锁相放大器的个数与信号放大器的个数一致且两者一一对应连接。
进一步具体的，所述非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪还包括驱动所述的放置台在所述放置台所在平面上移动的XY轴移动机构，所述的XY轴移动机构与处理控制单元电连接。
进一步具体的，所述的光源采用波长为780nm的发光二极管制得的红外光源。
进一步具体的，当硅基光电器件放置于所述放置台上时，所述的探测器与硅基光电器件之间的距离为1mm～2mm。
进一步具体的，所述放置台位于所述的光源与探测器之间，所述的放置台上设置有用于放置待测物片的透光区域，所述的硅基光电器件位于透光区域上时，所述硅基光电器件位于所述的光源与探测器之间。
进一步具体的，所述的透光区域采用半透明的毛玻璃制作而成。
进一步具体的，所述非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪还包括位于所述的探测器前端的滤光片。
一种基于非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪的非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测方法，所述的检测方法为：
S1：将所述硅基光电器件固定于所述放置台上；
S2：通过函数发生器激发光源按周期性波形的强度发光，光照射在硅基光电器件上使硅基光电器件发光，通过探测器在硅基光电器件背离光源的另一侧进行光信号的收集；
S3：探测器将光信号转化为电信号传输给信号放大器；
S4：信号放大器对电信号进行第一次放大形成第一次放大信号后传输给锁相放大器；
S5：锁相放大器对第一次放大信号进行第二次放大同时通过锁相放大器处理后得到信号的幅值以及光源强度与硅基光电器件所发光强度之间的相位差；
重复上述步骤,探测器对硅基光电器件进行多点探测得到一组幅值和相位差，最后通过数学公式计算得到少数载流子的寿命分布；利用幅值与相位信息计算少数载流子寿命的公式如下：
Figure BDA0001045099750000041
φ＝-arctan(ωτeff)
其中IAC为荧光信号的相对幅值，φ为荧光信号与信号发生器输出信号之间的相位差，ω为正弦信号的角频率，τeff为所要测量的少数载流子寿命。
进一步具体的，所述的光源采用波长为780nm的红外光源，其强度按正弦波的规律变化。
本发明的有益效果是：通过探测得到的幅值以及探测得到的相位与原来的相位进行对比得到相位差，并通过相应的计算公式计算得出少数载流子寿命参数，在更换不同规格的硅基光电器件时不需要进行校准即可直接使用，将硅基光电器件置于光源与探测器之间，能够很好的减少光源对检测的影响，提高测量的准确性，通过多点式的探测，很容易得到少数载流子寿命的分布图，进而判断硅基光电器件的生产质量，提高检测的效率。
附图说明
图1是本发明检测仪第一种实施例的结构示意图；
图2是本发明检测仪第二种实施例的结构示意图。
图中：1、红外光源；2、探测器；3、信号放大器；4、锁相放大器；5、处理控制单元；6、函数发生器；7、放置台；8、硅基光电器件；8’、硅基太阳能电池；9、XY轴移动机构；10、透光区域；11、红外光源组合；21、探测器组合；31、信号放大器组合；41、锁相放大器组合。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述。
非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪有两种实施例。
下面硅基光电器件8以硅基太阳能电池8’为具体实施描述，但本申请的保护并不仅仅限于硅基太阳能电池8’。
如图1所示第一种检测仪的实施例：首先设置一个放置台7，放置台7的中心位置为透光区域10，在透光区域10上安置半透明毛玻璃平板，硅基太阳能电池8放置在半透明毛玻璃平板上并完全覆盖住，在放置台7的内部为红外光源1，在放置台7的上方为探测器2，硅基太阳能电池8’位于红外光源1与探测器2之间，探测器2通过线缆与信号放大器3连接，信号放大器3通过线缆与锁相放大器4连接，锁相放大器4通过线缆与处理控制单元5连接，处理控制单元5通过线缆与函数发生器6连接，函数发生器6通过线缆分别与锁相放大器4以及红外光源1连接，信号放大器3、锁相放大器4、处理控制单元5以及函数发生器6均集成于同一PCB板上。
为了能够完成多点扫描式探测，其放置台7通过XY轴移动机构9实现在水平方向上的平移，XY轴移动机构9通过处理控制单元5进行控制，通过计算机提前设置其扫描轨迹，放置台7按照扫描轨迹进行运动。
XY轴移动机构9通过在放置台7下方设置X向的移动滑轨以及Y向的移动滑轨并在X向与Y向各设一电机实现X向和Y向的移动，电机通过处理控制单元5进行控制。
进一步不仅可以设计为放置台7移动，也可以使固定探测器2的机架实现X向和Y向的移动，也可以通过设计放置台7在X向或Y向移动同时固定探测器2的机架在Y向或X向移动。
第一种检测仪的实施例能够实现自动化逐点进行扫描探测，需要通过一定的机械结构的设置保证其移动的控制，在实际使用过程中，机械结构的运动需要一定的时间，而所检测的硅基太阳能电池8’需要检测多个点，时间耗损较长，影响了检测效果，故本发明提出第二种检测仪的实施例。
如图2所示第二种检测仪的实施例：第二种检测仪包括第一种检测仪的主要部件，在第一种检测仪的基础上，不再需要移动的机械结构，放置台7以及固定探测器2的机架是固定不动的，光源由若干个波长为780nm的发光二极管阵列排布组成红外光源组合11，与其相应的探测器由若干个红外探测器阵列排布组成探测器组合21、由若干个子信号放大器阵列排布组成信号放大器组合31、由若干个子锁相放大器阵列排布组成锁相放大器组合41。探测器组合21中的子探测器探测的硅基太阳能电池8’的荧光，将荧光信号转化为电信号传送给信号放大器组合31中的子信号放大器进行信号放大，之后将信号传送给锁相放大器组合41中的子锁相放大器进行信号放大并得到幅值以及相位差，之后将信号发送给处理控制单元5处理后输出。
在实际使用中可以将探测器组合21、信号放大器组合31以及锁相放大器组合41设计成模块结构，需要使用的时候，将若干个模块拼接起来，方便对不同规格不同尺寸的硅基太阳能电池进行快速检测，提高效率。
第二种检测仪实施例实现了花一次探测的时间完成整个硅基太阳能电池8’的探测，节省了大量时间，提高了实际检测效率，第二种检测仪实施例克服了依赖机械平台逐点扫描等缺陷。这是一种简单、快速、准确获取少数载流子寿命分布的非接触式无损检测方法。
上述两种实施例均可以进行自动化检测，解决了现有技术中使用复杂光学***对焦、滤光片除杂散光等缺陷，实现了工业化产品的质量监督，提高了生产效率以及检测精度，不需要进行校准，提高了适用范围。
依据上述实施例非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测方法为，
用于放置硅基太阳能电池9的放置台7中央部分为透光区域10，透光区域10安装半透明毛玻璃平板，硅基太阳能电池8’平放于放置台7上，要求硅基太阳能电池8’形状尺寸略大于半透明毛玻璃平板部分，可以做到完全覆盖该部分。
处理控制单元5通过线缆连接到函数发生器6，控制函数发生器6产生特定频率的正弦信号，该信号通过线缆输出到红外光源1的供电部分，通过调制电源电压/电流/功率以实现输出的红外光强按照同频率正弦规律变化。此处激发的光的强度并不限于正弦波，其它呈周期性变化的波形也可以使用。
红外光源1使用波长为780nm的发光二极管，输出的调制光投射到放置台7下表面，放置台为半透明毛玻璃材质，通过其散射作用在放置台7的上表面形成均匀的发光面，照亮置于其上的硅基太阳能电池8’的下表面，使硅基太阳能电池8’各部位被光均匀激发，产生非平衡少数载流子。
非平衡少数载流子辐射复合，从硅基太阳能电池8’的上表面发出荧光，硅基太阳能电池8’不同部位发出的荧光通过探测器2多点扫描式获得或者通过组成阵列形式的探测器组合21同时获得；当为探测器组合21时，同时红外光源1也可由若干个发光二极管组成阵列形式的红外光源组合11，使用时探测器组合21必须尽可能贴近但不接触硅基太阳能电池8，位于硅基太阳能电池8’上方1～2mm高处，而红外光源组合11也由同一函数发生器6激发得到相同正弦规律的光强度；光源也可以使用其它形式的光源，在实际操作中红外光源1为效果最好。
探测器2将荧光进行光电转换得到电信号，通过线缆输出到信号放大器3进行第一次放大。当为探测器组合21接收到荧光进行光电转换时，与其连接的信号放大器3也由若干个阵列排布形成信号放大器组合31，其中子探测器与子信号放大器为一一对应连接。
信号放大器3将放大的信号通过线缆输出到锁相放大器4内进行第二次放大。当为信号放大器组合31时，相应的与其连接的为由若干个子锁相放大器阵列排布形成的锁相放大器组合41，其中子信号放大器与子锁相放大器为一一对应连接。
锁相放大器3或者锁相放大器组合31在放大信号的同时计算荧光信号的幅值和荧光信号与函数发生器6输出信号之间的相位差，输出到处理控制单元5进行信号处理。
处理控制单元5利用幅值与相位信息计算少数载流子的寿命，并输出少数载流子寿命分布图。
利用幅值与相位信息计算少数载流子寿命的公式如下：
Figure BDA0001045099750000081
φ＝-arctan(ωτeff)
其中IAC为荧光信号的相对幅值，φ为荧光信号与信号发生器输出信号之间的相位差，ω为正弦信号的角频率，τeff为所要测量的少数载流子寿命。
通过对少数载流子寿命分布图的分析，可以得出硅基太阳能电池8’质量的好坏，从而根据实际情况对硅基太阳能电池8’的生产工艺进行改进。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪，包括用于放置硅基光电器件(8)的放置台(7)、光源、探测器(2)、与探测器(2)电连接的信号放大器(3)、与信号放大器(3)电连接的锁相放大器(4)、与锁相放大器(4)电连接的处理控制单元(5)、与锁相放大器(4)以及处理控制单元(5)均电连接的函数发生器(6)，所述的函数发生器(6)与电光源连接，其特征在于，当硅基光电器件(8)放置于所述放置台(7)上时，硅基光电器件(8)位于所述的光源与探测器(2)之间。
2.根据权利要求1所述的非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪，其特征在于，所述的光源由多个且呈阵列排布的子光源组成，所述的探测器(2)由多个且呈阵列排布的子探测器组成，所述的信号放大器(3)的个数与子探测器的个数一致且两者一一对应连接，所述的锁相放大器(4)的个数与信号放大器(3)的个数一致且两者一一对应连接。
3.根据权利要求1所述的非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪，其特征在于，所述非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪还包括驱动所述的放置台(7)在所述放置台(7)所在平面上移动的XY轴移动机构(9)，所述的XY轴移动机构(9)与处理控制单元(5)电连接。
4.根据权利要求1所述的非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪，其特征在于，所述的光源采用波长为780nm的发光二极管制得的红外光源(1)。
5.根据权利要求1所述的非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪，其特征在于，当硅基光电器件(8)放置于所述放置台上时，所述的探测器(2)与硅基光电器件(8)之间的距离为1mm～2mm。
6.根据权利要求1所述的非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪，其特征在于，所述放置台(7)位于所述的光源与探测器(2)之间，所述的放置台(7)上设置有用于放置待测物片(8)的透光区域(10)，所述的硅基光电器件(8)位于透光区域(10)上时，所述硅基光电器件(8)位于所述的光源与探测器(2)之间。
7.根据权利要求6所述的非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪，其特征在于，所述的透光区域(10)采用半透明的毛玻璃制作而成。
8.根据权利要求1中所述的非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪，其特征在于，所述非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪还包括位于所述的探测器(2)前端的滤光片。
9.一种基于权利要求1～8中任意一项的非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测仪的非接触硅基光电器件少数载流子寿命检测方法，其特征在于，所述的检测方法为：
S1：将所述硅基光电器件固定于所述放置台上；
S2：通过函数发生器激发光源按周期性波形的强度发光，光照射在硅基光电器件上使硅基光电器件发光，通过探测器在硅基光电器件背离光源的另一侧进行光信号的收集；
S3：探测器将光信号转化为电信号传输给信号放大器；
S4：信号放大器对电信号进行第一次放大形成第一次放大信号后传输给锁相放大器；
S5：锁相放大器对第一次放大信号进行第二次放大同时通过锁相放大器处理后得到信号的幅值以及光源强度与硅基光电器件所发光强度之间的相位差；
重复上述步骤,探测器对硅基光电器件进行多点探测得到一组幅值和相位差，最后通过数学公式计算得到少数载流子的寿命分布；利用幅值与相位信息计算少数载流子寿命的公式如下：
Figure FDA0001045099740000031
φ＝-arctan(ωτeff)
其中IAC为荧光信号的相对幅值，φ为荧光信号与信号发生器输出信号之间的相位差，ω为正弦信号的角频率，τeff为所要测量的少数载流子寿命。
10.根据权利要求9所述的非接触式硅基光电器件少数载流子寿命检测方法，所述的光源采用波长为780nm的红外光源，其强度按正弦波的规律变化。
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