WT-2000少子寿命测试仪的原理及性能

1、光伏组件制造、役备及发展规划.929.WT-2000少子寿命测试仪的原理及性能艾斌，沈辉，邓幼俊（中山大学理工学院太阳能系统研究所.广东省广州市，510006）摘 要本文详细介绍了 WT-2000进行各项目测的工作原理，即分别对以下方法和原电压（SPV）法，用干体电阻率测最的涡流（Eddy ）法以及利用表面反射率、光束诱导电流（LBIC ）测量结果获得太阳电池量子效率（QE） 和材料扩散长度（DL）的原理等等。为了展示WT-2000强大的二维扫描测量功能，我们还给出了 WT-2000 在各个测董项目上获得的一些典型测:结果。此外，为了方便用户使用，我们还就仪器的测址对象、测量精 度和扫描分辨率

2、等性能指标作了说明。关键词微波光电导衰减法；少子寿命；光束诱导电流；方块电阻；体电阻率。1前言WT-2000少子寿命测量工具是Semilab公司针对光伏行业开发的一款功能强大的综合测试系统，它集成了 少子寿命测量、电阻率测量、方块电阻测量、扩散长度测量、太阳电池的表面反射率测量、光束诱导电流（LBIC ） 测量以及量子效率测量等功能。它采用先进的不会损伤样品的无接触测量方法，可以给岀少子寿命、电阻率、 方块电阻、扩散长度、反射率、光束诱导电流以及量子效率的二维扫描分布图（mapping ）o因为WT-2000少 子寿命测量工具覆盖了晶体硅材料及太阳电池绝大部分关键技术参数的测量任务,并可给出这

3、些技术参数的二 维精细分布，所以它本身作为一种非常理想的测量工具，在从事晶体硅材料及太阳电池生产的公司和从事相关 研究的科研单位获得了广泛的应用。2 WT-2000工具测原理及性能2.1少子寿命测凍理及性能2.1.1少子寿命测量原理采用微波光电导衰减（a PCD microwave photoconductivity decay ）法，对硅片的少子寿命进行快速、 无接触、无损伤测量。具体地说，是使用波长为904nm的激光激发硅片（对于硅，注入深度大约为30um ）产 生电子空穴对，导致样品电导率的增加，当撤去外界光注入时，电导率随时间指数衰减，这一趋势间接反映 了少数载流子数最的衰减趋势。通过

4、微波（频率为10.225GHz）探测硅片电导率随时间的变化就可以得到少数 载流子的寿命。图1给出了微波光电导衰滅法测量材料少子寿命的原理图。通讯作者：艾以，男.讲师.联系ail. stsab®xnLaserffii微波光电昙衰療法测材料少子痔命的原理图2.1.2 W2(XX)工具少子寿命测量的性能及结果WT2000工具可测量硅、猪等材料的少子寿命，对少子寿命的测量范围从0.1 as到30ms,测试分辨率不 低于0.1%。它既可以进行单点测最也可以进行连续扫描(mapping)测量。对于连续扫描(mapping)测量，有6个 扫描步长可供选择，它们分别是0.5

5、, 1, 2, 4, 8, 16mmo由于仪器每测量一个数据点大约耗时30ms,因此, 选择的扫拮步长越小，测试所需要的时间就越长，当然扫描图像的质量也越精细。图2给出了 WT2000工具 以1mm的扫描步长对一个直径为8英寸的单晶硅片的扫描结果。该硅片少子寿命的最小值为6.19ns,最大值 为20.45ns,平均值为18.54限由mapping结果可知，该硅片的少子寿命具有相当均匀的分布。与内部相比， 硅片边缘处的少子寿命较低，我们认为一方面与表面复合有关，另一方面与晶体生长过程中的杂质分凝有关, 后者必然会造成硅锭外层比内层有更高的杂质含量。图2 WT-2000工具少子寿命測的典型结果2.

6、2光束诱导电流測原理及性能221光束诱导电流测量原理采用4个波长分别为407nm. 662nm. 852nm和973nm.光斑直径为lOOjim的激光器照射样品，通过测 扯光照条件下电池的短路电流(诱导电流)及表面反射率可得到对应不同波长的电池内量子效率；通过选用2 个以上激光器的测量数据，由软件计算岀少子扩散长度，即通过测量短路电流(诱导电流)和表面反射率随激 发光波长的变化可以得到少子扩散长度。限于篇幅，具体测试原理详见文献1。为测量电池的短路电流，样 品的背面与金属台面接触，正面有个金属探针与主电极接触。电池片的反射包括直接反射和漫反射，漫反射信 号由椭球形镜面(作用相当于积分球)收集，

7、由硅探测器测量。最后由测得的直接反射率和漫反射率得到总的 表面反射率。图3给出了光束诱导电流测量原理图。图3光東诱导电流测原理图2.2.2 WT-2000工具光束诱导电流测量的性能及结果WT2000工具可测量晶体硅太阳电池在波长为407 , 662, 852和973 nm处的表面反射率、量子效率以及 载流子的体扩散长度。仪器对光束诱导电流的测量范围从1 “到1mA,扫描区域最大可达210x210mm。 它同样既可以进行单点测世也可以进行连续扫描(mapping)测量。对于连续扫描(mapping)测量，有7个扫描步 长可供选择，它们分别是0.25, 0.5, 1, 2, 4, 8, 16mm。

8、仪器每秒钟可测量50个数据点°由于WT-2000 T 具完成一次LBIC测试，就可获得13幅mapping图像，即分别对应于4个激发光波长的光束诱导电流mapping 图，表面反射率mapping图和量子效率mapping图共计12幅图，另外还有1幅载流子体扩散长度的mapping 图，它是通过软件计算获得的。图4给出了 WT-2000工具以2mm的扫描步长对一个边长为6英寸的多晶硅太 阳电池片的LBIC扫描结果。限于篇幅，图4只给出了对应662nm波长的光束诱导电流mapping图，表面反 射率mapping图和量子效率mapping图以及载流子体扩散长度mapping图。由图可知

9、，电池栅线处有较高的光 束诱导电流和表面反射率；整片电池具有均匀并且很高的内量子效率；材料的体扩散长度随晶粒尺寸的大小有 一定的分布。根据仪器给出的数据，该电池片在662nm处光束诱导电流的最小值为2.078",最大值为 131.82",平均值为120.07"表面反射率的最小值为0.165%,最大值为69.378%,平均值为4.57%；内疑 子效率的最小值为2.63%,最大值为100%,平均值为97.11%;载流子体扩散长度的最小值为80.19gm,最大 值为1691pm,平均值为459.04pm。994-2009 China .Academic Journal

10、Electronic Publishing House. All rights reserved. hUp:"光伏组件制造、设备及发展规划.931.图4 WT-2000IM光束诱导电流測的典型结果.（激发光波长662nm,扫描步长亦）（a） LBIC电流；（b）表面反射率：（c）内子效率；（d）扩散长度23方块电阻测原理及性能2.3.1方块电阻测原理方块电阻（SHR）测*使用表面光电压法对具有pn或叩结构表层的方块电阻进行无接緘测量。其测试原 理如下：SHR探头中心有一个LED光源，在光源窗口旁边有一个环形电容；光注入产生电子空穴对，pn或 np结的内建电场将电子和空穴分离，从而在光

11、激发位置产生表面势，该表面势的大小沿横向方向会有一定的 衰减，而衰减的快慢恰恰反映了表层方块电阻的大小。仪器正是通过测量环形电容内外电极上的电势差来间接 得到材料的方块电阻。为了进行连续扫描测最，光源被调制成一定频率的交变光。图5给出了表面光电压法测 1：扩散片表层方块电阻（SHR）的原理图。LEO5图5表面光电压法测扩散片表层方块电阻的原理图2.3.2 WT-2000工具方块电阻测量的性能及结果2.4体电阻率测原理及性能241体电阻率测盘原理当对靠近导体的线圈通以交流电，线圈的磁场会在导体内部感应岀涡流（Eddy电流）。Eddy电流的大小 由材料的电导率决定，电导率越大，Eddy电流也越大。

12、仪器通过测量损耗在材料上的电能来间接测量Eddy 电流的大小。系统输出的信号正比于线圈维持恒定振荡所消耗的电源功率。由于系统输出的信号在介于金属电 阻率与绝缘体电阻率之间的某个电阻率附近取最大值，所以电阻率不同的两个样品完全有可能给岀相同的 Eddy电流信号。在实际测量中，仪器是通过进一步测量频率失谐（失调）来区分这两个信号的.因为在测量 电阻率较小的样品时频率失谐（失调）现象更加严重。图6给出了 Eddy法测量材料体电阻率的原理图。图6 Eddy法測材料体电阻率的原理图2.4.2 WT-2000工具体电阻率测量的性能及结果(限于篇幅，此部分略去。)参考文献1 Semiconductor Physics Laboratory, Inc. t WT-2000 User Manual, Volume 1&2, 2007.Working principle and performance of WT-2000 g-PCD ToolAi Bin, Shen Hui. Deng Youjun(Institute for Solar