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LSCM在晶体硅太阳能电池生产和开发中的应用

2014-01-05 01:08
雷本祖
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  为了满足快速、精确的测量分析,将激光扫描共聚焦显微镜(LSCM, Laser Scanning Confocal Microscope)引入的晶硅电池开发和生产过程中,本文阐述了激光扫描共聚焦显微镜的测量原理以及在电池各环节测量中的应用实例,对比了LSCM相对其他现有测量平台的优劣势。

  引言

  激光扫描共聚焦显微(LSCM,Laser scanning confocal microscopy)技术,被更多已知的是应用与生物医学领域[1],用于细胞标本的平面图像和三维(3D)数据采集。相对于普通款式也光学显微镜,“共聚焦”通过聚焦的激光对样品进行扫描,这种方法可以排除焦点意外的部分反射光干扰,使侧向和轴向的分辨率提高。LSCM的测量方法可以达到0.001μm甚至更精细的分辨率水平,普通宽视野光学显微镜最大理论分辨率为0.2μm,透射电子显微镜分辨率可以到达0.1nm,LSCM介于这两种常用的形态学技术之间,应用于半导体、光伏电池领域具有很多独特的优势。

  晶体硅太阳能电池,即光伏电池主流产品的一种,从90s开始在国内及全球有了大规模的生产和逐步应用,很多光伏公司曾经涉足“全产业链”模式生产,因此是涵盖了集化工、材料、半导体于一体的多元集成行业。其中电池生产过程,虽然涉及技术仅仅是通常所述的半导体(Semiconductor)技术的缩略版,但其中环节众多,影响因素复杂多变,关注各环节的质量指标就成为必要,因此也涉及众多的测量分析手段。如针对硅片电阻率测量、碳/氧傅里叶变换红外含量、硅片表面形貌显微测量、发射极方块电阻测量、电池量子效率测量等等。其中,晶体硅电池基于180μm左右的硅基体薄片上进行电池制作,因此在纵向上涉及到的工艺过程都是在微米甚至亚纳米尺度范围,所以在这一尺度范围内的二维(2D)轮廓、三维(3D)层次测量和分析就成为贯穿电池生产始终的项目。

  本文就是结合LSCM技术在电池生产各环节测量实例,考察其测量效果和性能,定性的比较了相对于普通宽视野光学显微镜和电子显微镜在这些应用中的优劣势。

  1 LSCM仪器结构及测量原理

  1.1 LSCM仪器结构

  本文采用日本基恩士(Keyence)公司所产VK-9700 COLOR 3D激光扫描共聚焦显微镜,它可以实现18000倍的放大倍率和最小1nm的3D无损精细测量,可获得高清晰度、超景深以及与实物色彩一致的测量图像。

  图1 激光扫描共聚焦显微镜内部光路结构

  激光显微镜采用由光源、光接收元件、物镜、单向透镜和针孔构成的特殊光学系统,捕捉样品表面的高度信息和彩色图像。

  1.2 测量原理

  图2 共聚焦的原理:A 聚焦;B 散焦

  光源发出的光通过物镜在样品上聚焦。光在样品表面发生反射,沿原路径返回光源。返回光被单向透镜偏转 90 度,在针孔表面上集中。激光显微镜根据到达光接收元件的反射光的强度,检测样品是否定位在焦点位置。这种光学系统叫做“共聚焦光学系统”,这种检测原理叫做“共聚焦原理”。

  激光源发射的光束穿过X-Y扫描光学系统和覆盖在样品表面的光栅。但由于它通常采用点光源,观测视场内的区域分成多个1024×768(像素)点。通过X-Y扫描光学系统对样品进行扫描,光接收元件检测来自每个点的反射光。在Z轴方向驱动物镜,重复扫描过程,在每个点的Z轴位置上获得反射光强度。系统假设Z轴焦点位置位于反射光强度最大的地方,然后记录高度信息和反射光强度。在Z轴方向上累计聚焦位置信息,得到一副全聚焦图像。

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