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太陽能電池量測(cè)解決方案

KLA Instruments Zeta 光學(xué)輪廓儀

(資料圖片)

導(dǎo)言

太陽能電池大多由單晶硅或多晶硅制成，將晶硅錠加工成太陽能電池需要一系列制造工藝，包括晶圓切割、制絨、酸洗、擴(kuò)散、刻蝕、減反膜沉積、激光開槽、接觸印刷等。下圖為工藝流程中的測(cè)量節(jié)點(diǎn)。

太陽能電池工藝流程中的量測(cè)節(jié)點(diǎn), 包括金剛石切割線的表面形貌、硅片翹曲/表面粗糙度/邊緣倒角、電池片表面金字塔絨面高度和寬度的表征、減反膜厚度和反射率，以及激光開槽、太陽能金屬柵線和主柵線的形貌。

本篇應(yīng)用說明主要介紹采用KLA Instruments的Zeta 3D光學(xué)輪廓儀對(duì)太陽能電池的表面金字塔結(jié)構(gòu)、激光開槽、金屬柵線和主柵線結(jié)構(gòu)的測(cè)量與分析。

Zeta光學(xué)輪廓儀廣泛應(yīng)用于太陽能電池的生產(chǎn)工藝流程中，包括：(i)用于硅片切割的金剛石線檢測(cè)；(ii)硅片表面粗糙度、翹曲和邊緣倒角的量化；(iii)金字塔結(jié)構(gòu)的高度、尺寸、周期測(cè)量，以及絨面的比表面積分析；(iv)減反膜的厚度和反射率測(cè)量；(v)用于印刷銀柵線的激光開槽形貌表征；(vi)金屬線（細(xì)柵線和主柵線）的高度、寬度、橫截面積和體積的測(cè)量。

此外，Zeta可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)自動(dòng)化測(cè)量，針對(duì)太陽能電池的應(yīng)用具有全自動(dòng)分析能力。相比于掃描電子顯微鏡（SEM）具有無損測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，而其產(chǎn)能遠(yuǎn)高于原子力顯微鏡（AFM）。

01

操作原理

Zeta光學(xué)輪廓儀采用ZDot技術(shù)和多模組光學(xué)系統(tǒng)，可測(cè)量不同樣品的表面形貌，及亞納米級(jí)至毫米級(jí)的臺(tái)階高度。系統(tǒng)包含兩個(gè)高強(qiáng)度白色LED光源：光源1用于獲取ZDot網(wǎng)格在Z方向的對(duì)比度變化信息，還原表面形貌；光源2用于保留樣品的真彩色信息。

ZDot 技術(shù)示意圖

02

晶硅太陽能絨面分析

硅片表面的金字塔結(jié)構(gòu)用于提升太陽能電池的光利用率。Zeta太陽能絨面解決方案可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和分析視場中的金字塔結(jié)構(gòu)，包含金字塔大小和高度的直方圖、真彩色圖像、金字塔結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)信息（大小、高度、數(shù)值和表面面積比率）。

金字塔分析界面，顯示：具有金字塔峰位置自動(dòng)識(shí)別和輪廓位置的 2D 圖像（左上角）；單晶硅絨面的3D圖像（右上角）;以及金字塔大小和高度的直方圖（底部），其中紅色曲線表示對(duì)數(shù)據(jù)的擬合。

下圖為用于分析特定于單晶硅和多晶硅的絨面結(jié)構(gòu)的不同算法。系統(tǒng)可檢測(cè)單晶結(jié)構(gòu)每個(gè)金字塔的頂點(diǎn)，并計(jì)算高度、大小、計(jì)數(shù)和表面積，或檢測(cè)多晶絨面的邊界并完成相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。同時(shí)，使用Zeta的多點(diǎn)測(cè)量功能，可以實(shí)現(xiàn)太陽能電池的多點(diǎn)位自動(dòng)化測(cè)量。

單晶硅（左）和 多晶硅（右）的絨面結(jié)構(gòu)。對(duì)于多晶硅結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的邊界被圖像處理算法圈出。

03

激光開槽量測(cè)

太陽能電池廣泛采用激光開槽埋入式接點(diǎn)，以便提供基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以印制金屬線。Zeta可測(cè)量激光開槽的寬度和深度，如下圖。使用3D圖像的特征查找功能，可自動(dòng)尋找激光凹槽的邊緣并分析深度和寬度。

激光開槽分析：(a) 2D 圖像；(b) 3D 圖像；(c) 2D 橫斷面分析結(jié)果。對(duì)于 2D 和 3D 圖像，2D輪廓線來自于寬線范圍的平均溝槽輪廓。

04

太陽能金屬柵線表征

太陽能金屬柵線用于將絨面區(qū)域產(chǎn)生的電能傳導(dǎo)到金屬主柵線，主柵線又將電能傳導(dǎo)到硅片邊緣以到達(dá)外部電路。太陽能金屬柵線的反射率非常高，而鍍有減反膜的晶硅絨面反射率極低（< 5%）。Zeta 的HDR成像系統(tǒng)能夠在非常暗的表面上，對(duì)高反射率的金屬柵線進(jìn)行精確的3D測(cè)量。

HDR 成像：使用低強(qiáng)度光從高反太陽能指狀電極線（頂部）生成有效信號(hào)；使用高強(qiáng)度光從低反射金字塔結(jié)構(gòu)（底部）生成有效信號(hào)。

Zeta太陽能金屬柵線程式可以自動(dòng)測(cè)量和分析金屬柵線，并根據(jù)多個(gè)橫截面的數(shù)據(jù)分析太陽能金屬柵線的平均高度、寬度、面積和體積等。

此外，Zeta具有圖像識(shí)別功能，可自動(dòng)定位金屬柵線并完成測(cè)量分析，無需手動(dòng)尋找測(cè)量視場。

太陽能金屬柵線分析：2D橫截面輪廓（左上角）、具有橫截面位置的2D圖像（右上角）、2D橫截面結(jié)果（左下角）和3D圖像（右下角）。

05

太陽能金屬主柵線表征

與指狀柵線相比，主柵線的結(jié)構(gòu)更寬，通常為1500μm。Zeta的自動(dòng)圖像拼接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)主柵線的測(cè)量。

太陽能主柵線分析：2D 橫截面輪廓（左上角）、具有橫截面位置的 2D 圖像（右上角）、2D 橫截面結(jié)果（左下角）和包含自動(dòng)拼接圖像的 3D 圖像（右下角）。

06

其他太陽能相關(guān)應(yīng)用

Zeta是一種通用測(cè)量工具，也可用于在太陽能電池加工的初始步驟中表征硅片，使用ZDot模式和相移干涉模式（PSI）來計(jì)算未拋光硅片的表面粗糙度。下圖為未拋光硅片的俯視圖， 和硅片的翹曲測(cè)量。

用于面粗糙度分析的未磨光硅片的圖像。用戶指定的矩形定義計(jì)算所用的區(qū)域。

2D 晶圓翹曲測(cè)量結(jié)果量化了硅晶圓的高度變化。

結(jié)論

Zeta 光學(xué)輪廓儀可用于：

太陽能電池的非破壞性和高產(chǎn)量測(cè)量。Zeta采用ZDot技術(shù)、HDR功能以及專為太陽能應(yīng)用開發(fā)的算法和程式，可對(duì)絨面、激光凹槽、金屬柵線和主柵線進(jìn)行自動(dòng)和全面的表征。

Zeta系統(tǒng)開發(fā)了：

專門為太陽能行業(yè)定制的算法和程式，可以對(duì)太陽能電池中關(guān)鍵的特征進(jìn)行測(cè)量，助力工程師優(yōu)化制造工藝，監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量，以生產(chǎn)性能佳、成本優(yōu)的太陽能電池產(chǎn)品。

編輯：黃飛