光束诱导电流成像系统(LBIC)说明书

1、中国科学院半导体研究所光束诱导电流成像检测系统（LBIC-301A）Light-Beam Induced CurrentLBIC mapping systemLBIC扫描系统说明书地址：北京市海淀区清华东路甲35号中国科学院半导体研究所1号楼电话：（+86）/ 82304817传真：（+86）-010-8230-4181邮箱：pdhan网址：一、产品描述：1.1 产品简介：仪器名称：光束诱导电流成像检测系统（Light-Beam Induced CurrentLBICmapping system）仪器型号：LBIC301A生产单位：中国科学院半导体研究所仪器简介：光

2、束诱导电流成像检测系统（Light-Beam Induced CurrentLBIC mapping system）是一种高分辨、非直接接触的图象分析手段，通过不同激光波长的在半导体中的吸收距离和微区光电转换，可以表征光电子器件及太阳能电池微区的短路电流分布、表层缺陷、并联电阻、反射率等特性参数，并通过横向扫描（Mapping）形成图像，以反应各种参数的平面均匀性，尤其是晶界和位错分布，为光电子器件及太阳能电池的结构优化和工艺改进提供参考依据。本设备可以广泛应用到单晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒（CIGS）、有机半导体、染料敏化等各种传统和新型材料的太阳能电池研究，可以广泛应用到GaA

3、s、InP、GaN光电子器件的研究，克服了大面积光照下I-V测试与单点光谱测试的不对应性和不准确性，大大提高了光电子器件诊断精度。系统结构：下图1.1为典型的LBIC系统结构示意图。单色光束由激光器产生，依次经过扩束装置和平面分束镜，激光经扩束镜后被准直，光斑被放大，经过平面分束镜被分成垂直的两束光，反射光束被激光稳定性器接收以确定入射光的光强，而反射光束经由聚焦系统被会聚成微小光斑，照射至样品表面。照射在样品表面的光有一部分被反射，反射光逆着入射光方向照射到分束镜上，其中的反射部分被反射信号探测器接收以确定反射光的光强。另一方面，样品放置在可二维移动的固定装置上，利用计算机控制二维平移台，使

4、得样品二维移动，从而能让光斑在样品上做二维扫描。样品中产生的电流信号通过电极导出至信号调节系统，再被数据采集系统采集，数据传输至计算机成像。原理简介：图1.2为LBIC成像的等效原理图。用锁相放大器测量电池的短路电流时，得到的电流信号就是斩波器调制后的光束照射在电池局域部分产生的短路电流，与电池整体没有关系。也就是：I测=I光照（x,y）测量得到的电流信号为局域短路电流，仅和局域电池特性（局域串并联电阻、局域光生电流等）有关，因而LBIC图像可反映电池的局域特性。短路电流主要受复合影响，因此LBIC图像反映了电池的复合分布情况，这种复合分布主要由缺陷复合（如应力、层错、位错、晶界等）引起。结合

5、样品反射率图像由LBIC 图像可导出样品的内外量子效率以及有效扩散分布。每一点处波长为l的光照下的外量子效率可以表示为：EQE=IschceP()式中，Isc代表局域短路电流，h为普朗克常数，P()是光照强度。结合每一点的反射率R()可推导出各点的内量子效率为：IQE=EQE()11-R()而IQE()与有效扩散长度Le f f有关系式：IQE()-1=1+-1cosLeff式中，a为波长是的光对应的吸收系数，是光子在电池中的运动轨迹与垂直于样品表面的平均夹角。图1.1 LBIC系统原理图图1.2 LBIC等效原理图1.2 技术参数：- 样品尺寸：Max 200×160 mm2，Mi

6、n 1×1 mm2- 激光波长：532和980nm，也可根据材料的光吸收系数而自行选配- 激光光斑：50m/100m可选- 测试电流范围：1 A1 mA- 测试模式：LBIC，LBIV，内外量子效率，反射率，扩散长度，均为mapping成像- 扫描步长：0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、4 mm（可根据实际需要自定义）- 扫描速度：15 points/s- 可进行单点或连续扫描（mapping）测试1.3 功能特点：- 并联电阻逐点成像，观察电池边缘电隔离状况，表征电隔离工艺的水平- 反射率逐点扫描成像，观察钝化膜的减反特性以及晶粒取向对减反的影响- 可测太阳能电池微区的短路

7、电流- 可测单波长反射率- 可测单波长量子效率- 表征电池表层缺陷（尺度大于 0.5 mm）- 表征电压横向扩展及表层电阻的均匀性- 晶界和位错分布，为太阳能电池的结构优化和工艺改进提供参考依据- 克服了大面积光照下 I-V 测试与单点光谱测试的不对应性和不准确性- 不同激光波长对电池进行表征，大大提高电池及光电子器件的诊断精度- 可依据用户具体需求，特殊定制。1.4 安全注意：（1）激光对人体和眼睛具有潜在危害，严禁用激光照射他人，尤其眼睛。（2）不可将激光长时间照射到人体或易燃物体，以免因激光发热引起事故。（3）调试激光过程中，需要佩戴激光防护眼睛，任何时候不得裸眼探视光路。光路中放置良好

8、的激光吸收材料，确保激光射向安全的地方，防止引起火灾。（4）步进电机滑轨移动过程中，严禁用手触摸滑轨，防止夹住手指，严谨儿童接近滑轨。（5）设备运行过程中，严禁在长时间无人监视条件下运行，防止发生意外，引起不必要的事故。（6）定期检查连接线，防止由于长期使用造成的老化，线皮脱落等情况构成安全隐患。二、产品配置及安装：2.1 产品结构（1）54321仪器整体序号名称说明1测试箱包括精密光学系统，激光器，CCD，标准探测器，测试平台，探针，步进电机滑轨，抽气泵接口等测试部件2控制箱用于放置万用表，激光器控制电源，步进电机滑轨控制器，抽气泵及其控制电源等控制部件3键盘控制采集程序4显示器显示采集程序

9、5鼠标控制采集程序（2）测试箱876序号名称说明6光学系统由精密光学元件，激光器，CCD构成测试系统重要的光学部分7测试平台用于放置被测电池样品8步进电机滑轨承载被测样品进行规定步长的步进扫描（3）控制箱1514131211109序号名称说明9532nm激光电源控制532nm激光器的可调电源10万用表NI USB-4065万用表，用来测电压信号和电流信号11滑轨控制器传输控制步进电机滑轨的控制信号12980nm激光电源控制980nm激光器的可调电源13电压测量正极端口测量电压信号时红表笔插入14负极端口黑色表笔始终插入15电流测量正极端口测量电流信号时黑色表笔插入三、系统功能及操作方法：3.1

10、 系统功能：（1）光束诱导电流：特定波长下光束诱导电流逐点扫描成像（LBIC-Mapping），逐点观察短路电流的均匀性、观察表层缺陷（表层厚度随波长吸收长度而定）。（2）光束诱导电压：特定波长下光束诱导电压逐点扫描成像（LBIV-Mapping），逐点观察电压横向扩展的均匀性。（3）光反射率：通过CCD探测反射光，测试光反射率。（4）量子效率：逐点测量电池的外量子效率，内量子效率（测量内量子效率同时需要同时测量光反射率）（5）扩散长度：根据内量子效率，逐点计算扩散长度，得到扩散长度扫描成像。（6）样品吸附：样品台附加吸附功能，便于激光扫描过程中样品稳定，电极接触良好。（7）软件操作：控制软件

11、可由鼠标和键盘控制操作，适用于Windows Xp，Windows 7等操作系统环境。（8）系统由规范可靠模块化部件组成，易于维护或更换部件。3.2 操作：3.2.1 测试前准备：（1）首先确保激光器电源，步进电机滑轨控制器正确连接电源，激光器和激光器电源之间连接正确，步进电机滑轨，万用表，CCD与电脑控制线连接正确。（2）打开滑轨控制器后面板上的红色电源按钮。（3）将激光器可调电源的电流控制档逆时针旋转到底，保证电流处在最小档，此时钥匙开关和电源开关应处于OFF档。（4）将需要波长的激光器电源开关打开至ON，再将钥匙开关开至ON，此时显示器屏幕上显示的电流值为0.00A或微小负值。等待两分钟

12、，在设备运行正常情况下，缓慢顺时针调节电流档，直至需要的电流档位。（为节省时间，在等待期间可以进行软件预操作部分）（5）根据要测量量，调整万用表表笔，测量LBIC，将红表笔插入万用表电流测量正极端口；测量LBIV，将红表笔插入万用表电压测量正极端口。（6）合理放置样品，注意探针防撞。如果样品台位置不适合放置样品，运行LBIC测量系统，点击平移台控制调整滑轨位置，此在常见问题中提到。3.2.2 测试程序：（7）运行LBIC测量系统，进行初始量设置，如下页图中方框处所示，逐条对图中两方框处的初始量进行设置。（8）在上面设置完成之后，点击“初始化设备”进行滑轨位置初始化，CCD和万用表初始化，在初始

13、化过程中如果有任何设备未能启动或启动异常，分别点击“平移台控制”“万用表查看”“CCD查看”来对应查看启动异常原因。具体操作在常见问题中给出。注意：不选择扩散长度测量时，只有万用表启动指示灯亮；选择扩散长度测量时，万用表启动和CCD启动指示灯会同时亮起。如果初始化设备之后对应灯不亮，或启动过程中有问题提示出现，证明出现问题。（9）初始化完成后，点击“标准化采集”按钮，完成标准量采集。点击此按钮之前，应保证测试箱盖关闭，遮光完好，并保证和之后测试条件一致。注意滑轨防撞。（10）点击“开始扫描”开始测量，测量过程中注意不要更改测量条件，如果需要中断调整，点击“扫描/中断”按钮，按钮黄色为中断状态。

14、3.2.3 数据保存及分析：（11）扫描完成后注意保存数据！如下图中椭圆框所示，按格式输入日期和片号，点击保存数据。数据被保存在D盘下采集数据文件夹下。（12）如果想继续扫描，点击清除数据并重复510步骤，如果不需要继续扫描，点击停止。（13）点击“数据分析”可进入数据分析程序，可以调出任何扫描数据进行观察和数据提取分析。读入数据之后，通过拖动光标选择要选取分析数据的行和列，点击“获取波形”可以看到每行和每列数据的具体波形。163.2.4 关闭设备：（14）关闭所有采集程序。（15）将激光电流档逆时针旋转到最小，将钥匙关至OFF，开关关至OFF。（16）关闭滑轨控制器电源。（17）关闭电脑，使

15、得CCD和万用表得以关闭休息。四、测量结果展示：多晶硅电池 125´125 mm2多晶硅太阳能电池平面的光束诱导电流成像（LBIC，左图）和电压成像（LBIV，右图）。如下图4.1: 图4.1 电流成像（LBIC，左图） 电压成像（LBIV，右图） 上图反映出缺陷的分布及短路电流的不均匀特性。左图反映了电池平面内短路电流的不均匀分布，右图反映了微区电压的横向扩展特性。单晶硅电池 1´1 cm2小面积单晶硅太阳电池光束诱导电流、电压三维成像。如下图4.2:图4.2 电流三维成像（LBIC，左图） 电压三维成像（LBIV，右图）可以直观观测微区电压横向扩展特性。晶体硅短路电流扫

16、描成像 1´1 cm2小面积晶体硅太阳电池的短路电流扫描成像，如下图4.3:图4.3晶体硅短路电流扫描成像 如上图所示，左下角黄色说明短路电流减小，即有泄漏，反映了电池制备过程中的工艺问题（这里为掩膜开裂等工艺问题）。晶体硅短路电流、并联电阻二维分布借助电源表反向偏置，逐点测量短路电流，获得二维电流分布（图4.4左）；借助电源表在微偏置电压下，获得并联电阻二维扫描图像（图4.4右）。图4.4 1´1 cm2晶体硅电池短路电流二维图（左） 1´1 cm2晶体硅电池并联电阻二维图（右）如上图左图所示，其中黑白相间的弧线反映出衬底中杂质纹路（黑心硅）。如右图所示，通过右

17、侧数值标定，可以清楚地看到整个平面内并联电阻阻值在(1.53.5)´106 W内变化，左下角高于右上角；右中花斑为电极焊盘。石墨烯电池 通过LBIC图像可以确定石墨烯电池的有源区大小和位置，并在一定的分辨率下观察其光电响应的分布状况。如下图4.5所示：扫描图中中间亮度很高的正方区域就是该石墨烯电池的有源区。图4.5石墨烯电池LBIC图像由上图中，可以看到有源区中有两个暗斑，说明这两处存在缺陷。有机电池 该有机电池是由6条有机太阳电池组合而成，对其进行短路电流扫描，可得如下图4.6所示：图4.6 有机电池短路电流扫描图像 由上图可知，这6条电池的光电性能不一致，并且每块电池的光电性能也不均匀，下面三条要优于上面三条，这表明器件性能不均匀特性与制备工艺有关。五、产品的售后维修：5.1 保修服务：自仪器验收日起，凡在保修范围内仪器出现任何质量问题，客户可凭借发票或保修证明进行维修或替换，保修期一年。5.2