CN108983063A - 晶硅太阳能电池少子寿命的测试方法 - Google Patents

晶硅太阳能电池少子寿命的测试方法 Download PDF

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金尚忠
孟彦龙
王赟
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
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Abstract

本发明提供一种晶硅太阳能电池少子寿命的测试方法，整体装置大致可分为三个模块：激光激励模块、检测模块、数据采集处理模块；其基本测量步骤为：脉冲光在满足波长和脉冲时间以及能量的情况下，投射到晶体硅太阳能电池上产生非平衡载流子；经过电感耦合，将携带少子寿命的光信号转换为电信号；示波器将检测到的波形传输到电脑中，进而对信号进一步处理。本发明对以往的QSSPC(准稳态光电导法)进行了改进，用来更精确地测量少子寿命，同时结合SRH模型进一步研究各种复合寿命。

Description

晶硅太阳能电池少子寿命的测试方法
技术领域
本发明属于光伏电池技术领域，特别是涉及一种晶硅太阳能电池少子寿命的测试方法。
背景技术
由于少子寿命是半导体材料和半导体器件的重要参数，，直接反映材料的质量以及器件的特性是否符合要求。因此，少子寿命测试作为评价其晶体质量的一个重要方法，显得尤为重要。
目前，主要采用的是光电导、表面光电压等技术进行少子寿命的测量。其中微波光电导衰减法具有测量过程简单、适合在线测量、测量精度高等优点，在业界得到广泛使用。但是由于受到晶体硅表面复合的影响，测量得到的少子寿命不能够完全反映晶体硅的质量，如果晶体硅表面复合严重，测量得到的少子寿命会远低于晶体硅的实际少子寿命，从而对晶体硅质量的误判。而作为光电导衰减法的稳态光电导衰减法(SSPCD)和瞬态光电导衰减法(TPCD)都有着各自的缺陷，也会造成误差。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种晶体硅寿命的测量方法，可以简单快速准确地表征晶体硅有效寿命，并且可以进一步确定晶体硅的少子复合寿命。
为达成以上目的，本发明的内容是：
一种晶硅太阳能电池少子寿命测试方法，整体装置大致可分为三个模块：激光激励模块、检测模块、数据采集处理模块；其基本测量步骤为：脉冲光在满足波长和脉冲时间以及能量的情况下，投射到晶体硅太阳能电池上产生非平衡载流子；进过电感耦合，将携带少子寿命的光信号转换为电信号；示波器将检测到的波形传输到电脑中，进而对信号进一步处理。本发明对以往的QSSPC(准稳态光电导法)进行了改进，用来更精确地测量少子寿命，同时结合SRH模型进一步研究各种复合寿命。
所述激光激励模块中的激光由闪光灯、发光二极管阵列或其它光源获得，脉冲衰减时间为10～15ms，光强可以通过衰减片或电路来调节，可调范围为10-5～1000太阳，同时还选用了ND滤光片对入射激光能量进行调制，过滤了脉冲光中的较短波长(小于600nm)，抑制误差源，减小少子寿命的误差，使结果更加精确。
所述检测***模块由样品台、射频电路等组成，射频电路由可变电容C、可变电阻R、射频RF、耦合器组成，通过电感耦合将携带少子寿命的光信号转换为电信号。
所述数据采集处理模块由数据采集器、基本双相锁相放大器、示波器、计算机等组成；
数据采集器采用的是NI公司M系列高速多功能卡PCI6259，连续采集模式，采样率1.25MSa/s；
又由于测试过程中产生的信号微弱且噪声较高，因此放大信号、抑制噪声是准确测量的关键，本发明采用了基本双相锁相放大器来提取有用信号，实现锁相放大器功能。
原理为通过射频电感耦合得到硅晶太阳能电池中的光电压或光电流；
根据瞬间光电导衰减法(TPCD)，其少子寿命：
根据稳态光电导衰减法(SSPCD)，其少子寿命：
根据(1)和(2)式，如果要在瞬态和稳态的过程中决定少子寿命，需要测量过剩载流子浓度Δn的值；除此之外，也需要测量载流子产生率G的值，即准稳态光电导衰减法(QSSPC)，其少子寿命：
在准稳态过程中，光产生的过剩载流子Δn＝Δp，导致硅片电导率的增加，同时载流子产生率和载流子复合率必须相等。利用少子寿命描述可以得出光生载流子的产生率为：
(4)式中:I(t)为光照强度，以太阳为强度单位；fabs为样品的光学常量；Nph为标准太阳光谱时光量子能量大于硅带隙的光子流；W为样品的厚度；
过剩载流子浓度Δn为：
(5)式中：Δσ为光电导率；q为电子基本电荷；μn、μq分别为电子和空穴的迁移率；W为样品的厚度；
光电导率Δσ可由射频电圈通过电感耦合测得，而光照强度I(t)可由校准过的光传感器测量；
当根据(4)和(5)式子分别测量计算得出载流子产生率G和过剩载流子浓度Δn时，再根据式子(3)便可计算出硅片的有效少子寿命。
所述少子寿命测试方法与SRH模型相结合，即指通过SRH模型来了解不同注入水平下少子行为的变化规律；
少子复合体寿命主要由以下三种复合机制决定：
俄歇复合
辐射复合
肖特基-里德-霍尔(SRH)复合
体复合寿命为
定义注入水平
其中Δn为非平衡载流子浓度，p0为平衡空穴浓度，nl、pl与杂质能级ET有关，而τn、τp分别与缺陷能级捕获电子和空穴的能力有关，Cp、B分别是与复合模型有关的参数；
在小注入水平下，体寿命与SRH复合寿命重合，表明小注入时，只需考虑SRH复合，俄歇复合和辐射复合影响较小而可近似忽略；而当注入水平提高时，SRH复合寿命趋于一个固定值，可由SRH公式计算得出；而俄歇复合寿命和辐射复合寿命随着注入水平的增大，经下降拐点后急剧减小；
综合三种复合机制作用效果，可通过分别计算俄歇复合、辐射复合、SRH复合的寿命的值来判断注入水平的大小情况以及体复合寿命等信息。
本发明与之前的已有QSSPC相比，优点有以下几种：
激光激励模块添加的ND滤光片可以有效地过滤脉冲光中的较短波长(小于600nm)，抑制误差源，减小少子寿命的误差，使结果更加精确。
数据处理模块采用的微弱信号中比较典型的自相关和互动技术，能够有效提取有用信号，实现锁相放大器功能，使收集到的信号更加精准，从而减小误差。
在与SRH模型的结合后，可以通过分别计算俄歇复合、辐射复合、SRH复合的寿命的值来达到出注入水平的大小情况和体复合寿命等信息。
附图说明
图1是本发明基于QSSPC法的少子寿命测试示意图：1、闪光灯；2、ND滤光片；3、样品台；4、耦合器；5、可变电容器C；6、射频；7、可调电阻R；8、数据采集器；9、基本双相锁相放大器；10、示波器；11、电脑；12、激光激励模块；13、检测模块；14、数据采集处理模块。
图2是基本双相锁相放大器原理图。
具体实施方式
样品选用一块大小为100mmχ100mm的单晶硅片，<111>晶向，300μm厚度，电阻率为20～45Ω·cm。
采用浓度为20％的NAOH溶液浸泡该硅片，用来去除损伤层，1分钟后，用清水洗净，接着将表面干燥的样品放置在样品台3上。
由闪光灯1提供一个脉冲衰减时间为10ms的脉冲光，光强可以通过衰减片或电路来调节，将光照强度调节为10-2太阳，同时还选用了ND滤光片2对入射激光能量进行调制，过滤了脉冲光中的较短波长(小于600nm)，抑制误差源，减小少子寿命的误差，使结果更加精确。
根据(1)和(2)式，如果要在瞬态和稳态的过程中决定少子寿命，需要测量过剩载流子浓度Δn的值；除此之外，也需要测量载流子产生率G的值，即准稳态光电导衰减法(QSSPC)，其少子寿命：
在准稳态过程中，光产生的过剩载流子Δn＝Δp，导致硅片电导率的增加，同时载流子产生率和载流子复合率必须相等。利用少子寿命描述可以得出光生载流子的产生率为：
(4)式中:I(t)为光照强度，以太阳为强度单位；fabs为样品的光学常量；Nph为标准太阳光谱时光量子能量大于硅带隙的光子流；W为样品的厚度；
过剩载流子浓度Δn为：
(5)式中：Δσ为光电导率；q为电子基本电荷；μn、μq分别为电子和空穴的迁移率；W为样品的厚度；
光电导率Δσ可由射频电圈6通过电感耦合测得，而光照强度I(t)可由校准过的光传感器测量。
当根据(4)和(5)式子分别测量计算得出载流子产生率G和过剩载流子浓度Δn时，再根据式子(3)便可计算出硅片的有效少子寿命τeff＝10.7052μs。
所述少子寿命测试方法与SRH模型相结合，即指通过SRH模型来了解不同注入水平下少子行为的变化规律；
少子复合体寿命主要由以下三种复合机制决定：
俄歇复合
辐射复合
肖特基-里德-霍尔(SRH)复合
体复合寿命为
定义注入水平
其中Δn为非平衡载流子浓度，p0为平衡空穴浓度，nl、pl与杂质能级ET有关，而τn、τp分别与缺陷能级捕获电子和空穴的能力有关，Cp、B分别是与复合模型有关的参数；
根据(6)(7)(8)(9)式可分别计算出：
τAuger≈0、τrad≈0、τSRH≈τb
由此可得，此时的注入水平为小注入水平，俄歇复合、辐射复合可近似忽略，SRH复合寿命和体复合寿命近似相等。

Claims (6)

1.一种晶硅太阳能电池少子寿命测试方法，其特征在于：整体装置大致可分为三个模块：激光激励模块、检测模块、数据采集处理模块；其基本测量步骤为：脉冲光在满足波长和脉冲时间以及能量的情况下，投射到晶体硅太阳能电池上产生非平衡载流子；进过电感耦合，将携带少子寿命的光信号转换为电信号；示波器将检测到的波形传输到电脑中，进而对信号进一步处理。本发明对以往的QSSPC(准稳态光电导法)进行了改进，用来更精确地测量少子寿命，同时结合SRH模型进一步研究各种复合寿命。
2.根据权利要求1所述少子寿命测试方法，其特征在于：所述激光激励模块中的激光由闪光灯、发光二极管阵列或其它光源获得，脉冲衰减时间为10～15ms，光强可以通过衰减片或电路来调节，可调范围为10-5～1000太阳，同时还选用了ND滤光片对入射激光能量进行调制，过滤了脉冲光中的较短波长(小于600nm)，抑制误差源，减小少子寿命的误差，使结果更加精确。
3.根据权利要求1所述少子寿命测试方法，其特征在于：所述检测***模块由样品台、射频电路等组成，射频电路由可变电容C、可变电阻R、射频RF、耦合器组成，通过电感耦合将携带少子寿命的光信号转换为电信号。
4.根据权利要求1所述少子寿命测试方法，其特征在于：所述数据采集处理模块由数据采集器、基本双相锁相放大器、示波器、计算机等组成；
数据采集器采用的是NI公司M系列高速多功能卡PCI6259，连续采集模式，采样率1.25MSa/s；
又由于测试过程中产生的信号微弱且噪声较高，因此放大信号、抑制噪声是准确测量的关键，本发明采用了基本双相锁相放大器来提取有用信号，实现锁相放大器功能。
5.根据权利要求1所述少子寿命测试方法，其特征在于：原理为通过射频电感耦合得到硅晶太阳能电池中的光电压或光电流；
根据瞬间光电导衰减法(TPCD)，其少子寿命：
根据稳态光电导衰减法(SSPCD)，其少子寿命：
根据(1)和(2)式，如果要在瞬态和稳态的过程中决定少子寿命，需要测量过剩载流子浓度Δn的值；除此之外，也需要测量载流子产生率G的值，即准稳态光电导衰减法(QSSPC)，其少子寿命：
在准稳态过程中，光产生的过剩载流子Δn＝Δp，导致硅片电导率的增加，同时载流子产生率和载流子复合率必须相等。利用少子寿命描述可以得出光生载流子的产生率为：
(4)式中:I(t)为光照强度，以太阳为强度单位；fabs为样品的光学常量；Nph为标准太阳光谱时光量子能量大于硅带隙的光子流；W为样品的厚度；
过剩载流子浓度Δn为：
(5)式中：Δσ为光电导率；q为电子基本电荷；μn、μq分别为电子和空穴的迁移率；W为样品的厚度；
光电导率Δσ可由射频电圈通过电感耦合测得，而光照强度I(t)可由校准过的光传感器测量；
当根据(4)和(5)式子分别测量计算得出载流子产生率G和过剩载流子浓度Δn时，再根据式子(3)便可计算出硅片的有效少子寿命。
6.根据权利要求1所述少子寿命测试方法，其特征在于：所述少子寿命测试方法与SRH模型相结合，即指通过SRH模型来了解不同注入水平下少子行为的变化规律；
少子复合体寿命主要由以下三种复合机制决定：
俄歇复合
辐射复合
肖特基-里德-霍尔(SRH)复合
体复合寿命为
定义注入水平
其中Δn为非平衡载流子浓度，p0为平衡空穴浓度，nl、pl与杂质能级ET有关，而τn、τp分别与缺陷能级捕获电子和空穴的能力有关，Cp、B分别是与复合模型有关的参数；
在小注入水平下，体寿命与SRH复合寿命重合，表明小注入时，只需考虑SRH复合，俄歇复合和辐射复合影响较小而可近似忽略；而当注入水平提高时，SRH复合寿命趋于一个固定值，可由SRH公式计算得出；而俄歇复合寿命和辐射复合寿命随着注入水平的增大，经下降拐点后急剧减小；
综合三种复合机制作用效果，可通过分别计算俄歇复合、辐射复合、SRH复合的寿命的值来判断注入水平的大小以及体复合寿命。
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