通過量化、鑒定以及監(jiān)測，光學表面測量儀能提高太陽能電池的產(chǎn)量，并降低總體生產(chǎn)成本。

作者：Erik Novak，Stephen Hopkins，Andrew Masters

    燃油價格的飆升、政府的能源倡導計劃,以及日益增長的世界范圍內(nèi)減少溫室氣體以及碳排放量的需求等諸多因素，都在推動著太陽能產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展。到2050年，全世界的能源消耗將是現(xiàn)在的兩倍。目前，光伏太陽能電池的生產(chǎn)速度正在以每年40%的速度遞增。與其他產(chǎn)業(yè)一樣，太陽能電池商品化成功的關(guān)鍵驅(qū)動因素是終端用戶的總成本。對于太陽能電池制造商而言，這一關(guān)鍵驅(qū)動因素表現(xiàn)為系統(tǒng)壽命范圍內(nèi)單位千瓦時發(fā)電功率的成本。

    目前，日益增長的太陽能市場上，多種光伏技術(shù)之間競爭激烈。傳統(tǒng)的太陽能電池由結(jié)晶硅構(gòu)成，目前這種電池仍然在世界范圍內(nèi)太陽能電池制造中占據(jù)大量市場份額。無定形薄膜硅能夠用于制造更為輕便、更易于加工、但效率相對較低的太陽能電池，因此其正在市場中獲得更多的份額。再加上一些其他的光伏技術(shù)，包括CdTe、CuInGa(Se)₂、以及效率最高的III/V族三結(jié)電池，目前太陽能電池市場正呈現(xiàn)出群雄逐鹿的局面。盡管每種技術(shù)都各有千秋，但是所有這些技術(shù)都需要對表面進行高精度測量以控制材料質(zhì)量。目前，許多光伏制造商利用光學表面測量儀對各種加工過程進行量化、鑒定以及監(jiān)測，以提高太陽能電池的產(chǎn)量，并降低總體生產(chǎn)成本。

表面結(jié)構(gòu)測量

    表面結(jié)構(gòu)是影響太陽能電池效率的重要表面參數(shù)之一。根據(jù)入射光波長的不同，拋光的單晶硅晶片(例如半導體級裸晶片)的反射率約為40%。減小該反射率的常用技術(shù)是對表面進行結(jié)構(gòu)化處理，使被反射的光子具有一定的概率入射到光伏電池的另一平面，從而提高光子在發(fā)射層發(fā)生光伏反應的機會。然而，如果表面過于粗糙，電子/空穴對復合的平均自由程就會增加，以致于達到一定值后下降的復合概率會導致總效率的減小。

    采用非接觸光學測量，最近研究人員應用一套嚴格的理論與方法，研究出一種有效且可重復的方法，建立相對效率與表面性質(zhì)之間的關(guān)系。在早期研究中，研究人員利用Veeco NT系列光學表面測量儀對多種放大以及掃描條件下的單晶硅太陽能電池進行測量。研究人員測量了三組不同制造商提供的光伏電池的三維表面特性，并且能將某些表面結(jié)構(gòu)特征與電池的輸出效率關(guān)聯(lián)起來（見圖1）。

圖1：不同電池的表面結(jié)構(gòu)不同，因此效率不同。上圖顯示了若干光伏電池的表面圖像，它們的表面斜度（ssk）不同。這些電池的效率與表面斜度之間存在線性關(guān)系（下圖）。

通過對放大率和視場進行優(yōu)化，研究人員建立了表面結(jié)構(gòu)與電池效率之間的關(guān)聯(lián)，每個電池之間的誤差為±0.5%。

痕量元素和線寬測量

    除了絕佳的垂直分辨率以及快速的測量時間，非接觸光學表面測量儀能夠?qū)��?shù)據(jù)進行分段，以測量樣品表面不同層次的重要特性。對于太陽能電池應用，這普遍用于痕量元素和線寬測量。在太陽能電池制造中，需要對使用的銀或者其他元素的質(zhì)量和數(shù)量進行精確控制，以確保電池板的性能，同時還要減小非光電材料導致的模糊面積。而且，過厚和過寬的導電痕量元素會增加制造成本(因為銀面板的價格相對較高)，同時還會降低光伏電池的效率。此外，特別是在薄膜加工過程中，最后要用昂貴的導電油墨填充刻線，這種油墨能夠通過“連線”各種有源區(qū)來產(chǎn)生需要的輸出功率和電流。如果這些刻線太淺或太深，寬度不正確或所在部位不正確，都將影響電池板的性能。在油墨沉積之前識別這種錯誤，能夠減少油墨浪費。

利用Veeco公司的Vision測量軟件，能夠自動計算襯底上痕量元素的線寬、線間隔、深度、體積以及粗糙程度，也可以將所有參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫中，以在生產(chǎn)中進行質(zhì)量控制（見圖2）。該軟件可對具有上百個特征的表面進行測量分析。

圖2：對薄膜太陽能電池板上刻線測量結(jié)果進行三維以及多區(qū)域顯示，能夠提供總體粗糙度、刻線區(qū)域粗糙度、線寬以及刻線深度等信息。

同樣，光學表面測量儀也可以在多種條件下，測量材料表面性質(zhì)。例如，美國伊利諾斯州大學材料科學與工程系利用Veeco公司的光學表面測量儀，測量了晶界（grain boundary）對CIGS雙晶生長和光電效率的影響（見圖3）。通過高精度的快速定量測量，光學表面測量儀能夠幫助研究人員改進太陽能電池的性能。

圖3：不同襯底晶體取向的交界處對CIGS材料生長的影響可以通過光學表面測量儀測量。上圖顯示了交界兩側(cè)的不同晶粒結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化與控制

在太陽能制造業(yè)使用的加工儀器中，人們長期利用干涉光學系統(tǒng)進行質(zhì)量控制與加工開發(fā)/改進。使用光學或探針測量儀的高級自控能力，可以快速地計算沿晶片的蝕刻率和沉淀率。沿襯底可以快速測量不同位置的特征高度。這些數(shù)據(jù)可以為加工控制和優(yōu)化提供反饋。一種典型的測量應用是在沉淀過程中，測量8英寸晶片范圍內(nèi)步進特征的高度變化。可以在各個位置進行這種測量以及分析。得到的數(shù)據(jù)可以用來改進重要特征的均勻性和平均高度。

Veeco光學表面測量儀同樣可以集成其他特征，以進行定量缺陷檢測及分析。用戶可以設定體積或者高度閾值，軟件可以自動識別缺陷并且報告例如高度、直徑、體積以及X方向或Y方向的最大范圍。通過量化這些表面缺陷，系統(tǒng)用戶可以決定缺陷在哪些過程中出現(xiàn)，以優(yōu)化加工過程，從而消除缺陷。

薄膜厚度

不同襯底層的厚度，無論透明與否，都需要恰當?shù)臏y量，特別是對于CIGS裝置。探針測量儀采用的接觸方法，在邊界處提供了快速準確的測量薄膜厚度的方法，能夠很容易地確定薄膜-襯底間距。Veeco Dektak分析儀的接觸力很小，因此能夠?qū)Σ牧线M行無損測量，甚至是柔軟的聚合體。更重要的是，由于采用接觸的方式，探針表面測量儀對材料性質(zhì)差別并不敏感。而這些差別在材料很薄或者吸收不同時，會導致光學技術(shù)出現(xiàn)偏差。更重要的是，由于在僅僅幾秒鐘就可以得到這些信息，所以它在頻繁檢測加工質(zhì)量方面變得切實可行。

由于具備不同的能力，探針測量儀和光學表面測量儀通常在薄膜厚度控制中共同使用。例如，NT9100S光學表面測量儀能夠在多個重要方面對Dektak探針測量儀進行有益的補充，可以對厚度大于2µm的透明薄膜樣品表面進行測量。光學系統(tǒng)可以進行較快地基于面積的測量，但是如果存在光學特征導致的高度差，那么Dektak測量儀可以快速校準薄膜。然后，分析軟件就可以自動在接下來的光學測量中進行補償。此外，NT測量儀能夠分別提供薄膜的上下表面粗糙程度和缺陷信息，因此可以分析薄膜的投影性質(zhì)。所以，這兩種測量儀能夠很好地協(xié)同工作，以同時保證薄膜的厚度和表面質(zhì)量能夠充分描述出來，從而提高并保持最高的性能。

滿足光伏技術(shù)的快速進步

隨著提高效率、降低成本的需求日益增加，各種太陽能電池加工技術(shù)迅速發(fā)展。其中，能夠?qū)Ρ砻骊P(guān)鍵特征進行精確測量是這一發(fā)展的核心。通過對樣品厚度以及表面進行亞納米精度的測量，可以提供改進太陽能電池開發(fā)及生產(chǎn)過程的必要數(shù)據(jù)。質(zhì)地、躍變高度、痕量、刻線寬度、薄膜厚度和缺陷探測都對實際生產(chǎn)線至關(guān)重要。同時，研究人員可以研究物質(zhì)效應、環(huán)境影響及疲勞，以及進行復雜的測量來更好地理解加工設備中各種變量對終端產(chǎn)品的影響。