何璇 陳長纓 洪岳 張浩

（1.廣東省高等學(xué)校光電信息與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（暨南大學(xué)） 2.暨南大學(xué)光電工程系）

1 引言

隨著世界各國對能源需求的不斷增長和對環(huán)境保護(hù)要求的日益增強(qiáng)，清潔能源的推廣應(yīng)用已成必然趨勢。太陽能的開發(fā)利用對改善當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu)，減少污染，保護(hù)環(huán)境有重要意義[1]。在太陽能的利用中，太陽電池的應(yīng)用最受關(guān)注。硅太陽電池于1958年首先在航天器上得到應(yīng)用，自本世紀(jì)70年代以來，晶體硅就作為基本的電池材料占據(jù)著統(tǒng)治地位。單晶硅材料中光生少數(shù)載流子壽命是太陽電池設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程中的一個(gè)重要參數(shù)，它對半導(dǎo)體器件的性能、太陽能電池的效率都有重要的影響[2]。本文基于微波光電導(dǎo)法的測量原理，從單晶硅材料中的電導(dǎo)率和少數(shù)載流子濃度的關(guān)系著手，提出了一個(gè)基于激光—微波雙輻射源的硅材料非平衡少數(shù)載流子壽命測量系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了對其壽命的初步測量。

2 微波光電導(dǎo)法測量的基本原理

微波光電導(dǎo)法（Microwave Photoconductivity Decay，μ-PCD）是測量少數(shù)載流子壽命的基本方法，主要包括激光注入產(chǎn)生電子—空穴對和微波探測信號的變化兩個(gè)過程。

一般采用微波反射信號來探測樣品電導(dǎo)率信號的變化，因?yàn)橄啾扰c微波透射或吸收信號，微波反射信號不易受樣品形狀和尺寸的影響。

測試系統(tǒng)的原理是通過測試從樣品表面反射的微波功率的時(shí)間變化曲線來記錄光電導(dǎo)的衰減[3,7]。其測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微波反射信號測試的基本結(jié)構(gòu)圖

一般情況下，測試時(shí)只考慮被樣品吸收和反射的微波信號，微波透射信號相對較弱，可以忽略不計(jì)。因此，微波信號反射強(qiáng)度為：

式中Pabs是樣品的微波信號吸收強(qiáng)度。微波反射率的變化來自兩個(gè)方面：一方面樣品電導(dǎo)率的增加導(dǎo)致微波信號被樣品吸收增加，反射信號減弱，為負(fù)作用，即等號右邊括號里的第一項(xiàng)；另一方面電導(dǎo)率的變化導(dǎo)致電場強(qiáng)度平方項(xiàng)的變化，為正作用，即等號右邊括號內(nèi)的第二項(xiàng)。

一般對于低電導(dǎo)率的樣品，只考慮第一項(xiàng)，即：

由式 ΔP/P(σ)=AΔσ可定義A為比例系數(shù)，此時(shí)A為正。因此隨著電導(dǎo)率逐漸變大，比例系數(shù) A經(jīng)歷從負(fù)到正的變化[4]。

一般在測試時(shí)，輸出信號是電壓變化量而不是微波反射率的變化量，而電壓與微波反射信號的關(guān)系式為：

因此，當(dāng)微波信號發(fā)生微小變化時(shí)，將導(dǎo)致輸出電壓的微小變化，兩者是線性關(guān)系，即：

這樣就可以通過電壓變化趨勢來間接反映少子變化趨勢。[8]

3 基于微波光電導(dǎo)法的少子壽命新型測量系統(tǒng)

在充分分析其他少數(shù)載流子壽命測量方法后，本文提出了基于微波反射光電導(dǎo)測試系統(tǒng)的一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該方案相對于目前的測試儀器結(jié)構(gòu)更為緊湊、便攜，成本也大大降低。該測試系統(tǒng)整體框架圖見圖2。

圖2 基于微波反射光電導(dǎo)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

該系統(tǒng)可分為四大模塊：微波源模塊、差頻模塊、發(fā)射接收天線模塊和信號處理模塊。從微波源發(fā)射的兩個(gè)路徑的微波，一個(gè)經(jīng)過擾動驅(qū)動再投射到樣品的固定照射區(qū)，另一個(gè)則直接透射到樣品的照射區(qū)；同時(shí)驅(qū)動激光器，使得微波探測與激光照射同步同區(qū)進(jìn)行。反射的兩路微波進(jìn)入與頻移器集成的檢波器，經(jīng)過運(yùn)算處理后，輸出顯示衰減圖線。

該系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：

(1) 微波源

微波源用于產(chǎn)生 10GHz的微波探測信號。之所以采用10GHz的信號，是因?yàn)槲⒉ㄔ丛?0GHz的情況下，通過波導(dǎo)系統(tǒng)來自有效天線的1.5cm波長的微波能和從樣品反射回來的微波能發(fā)生作用而形成震蕩，使得反射回來的微波在此處達(dá)到最大值。

(2) 移頻器

微波源發(fā)射的兩個(gè)路徑的微波，通過使一個(gè)路徑的微波經(jīng)過移頻器改變頻率，實(shí)現(xiàn)兩路徑微波相對運(yùn)動產(chǎn)生相對頻率，從而產(chǎn)生頻差，以減小單路微波路徑測量受到外界環(huán)境因素的干擾。

(3) 天線

由于要求發(fā)射與檢測系統(tǒng)的集成化，系統(tǒng)的發(fā)射與接收天線均選用矩形微帶天線，即貼片天線。這是一種由矩形導(dǎo)體薄片粘貼在背面有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片上形成的天線，用作發(fā)射微波探測信號及接收微波反射信號[5]。

(4) 激光器

波長在0.9μm～1.1μm的激光二極管，作為硅片的注入光源，可在半導(dǎo)體材料中激發(fā)非平衡載流子。標(biāo)稱脈沖寬度≤200ns，上升沿和下降沿≤25ns。光源輸出功率建議可調(diào)，在脈沖作用期間使樣片表面產(chǎn)生的光子密度介于2.5×1010和2.5×1015之間。其次，對于Si材料，入射光波長1064nm接近它的吸收限，非平衡載流子可以在樣品中近似均勻分布。

(5) 衰減器

必要的時(shí)候，在微波傳輸路徑中分出一路連接到衰減器，無激光注入條件下調(diào)節(jié)衰減器，使檢波器的測試信號為零。這樣在有激光注入的條件下，檢波器上檢測到的信號為脈沖激光注入后引起的光電導(dǎo)衰減信號。衰減器能夠消除暗光電導(dǎo)，加強(qiáng)探測信號。

4 實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)分析處理

(1) 測定導(dǎo)電類型、硅片中心點(diǎn)厚度和中心點(diǎn)電阻率，并將電阻率換算成多數(shù)載流子濃度。記錄這些數(shù)據(jù)和樣片的標(biāo)稱直徑及正、背面的狀態(tài)（拋光、腐蝕、研磨、切割等）；

(2) 記錄室溫。如果樣品臺有溫控系統(tǒng)，則記錄樣品臺表面溫度；

(3) 將樣片置于樣品臺上，使脈沖光能照射到待測的區(qū)域；

(4) 打開脈沖激光光源開關(guān)；

(5) 調(diào)節(jié)光強(qiáng)，使注入水平η達(dá)到所需值。最好采用較高的注入比；

(6) 打開微波源電源，在顯示設(shè)備上觀察光電導(dǎo)衰減，調(diào)整時(shí)間及電壓值的顯示范圍以便能觀察到所需的衰減信號部分；

(7) 確認(rèn)所選范圍內(nèi)的衰減信號符合指數(shù)衰減模式，通過將一條指數(shù)曲線擬合到電壓V與時(shí)間t的函數(shù)曲線上，或在手動數(shù)據(jù)采集時(shí)，將一條直線擬合到In1V與t的函數(shù)曲線上，從而測定時(shí)間常數(shù)；

(8) 圖3為微波反射所測量到的衰減實(shí)驗(yàn)圖線的擬合曲線圖，由圖可知衰減曲線即光注入后，微波反射功率的變化曲線可算出壽命，該曲線即是光注入后反射微波功率v的變化。測量一次衰減曲線就可以得到壽命值。但如果信噪比不太高，建議進(jìn)行重復(fù)測量并取平均值。下面介紹基本模式壽命（1τ）——通?？蓪⑺p曲線上滿足指數(shù)衰減部分的時(shí)間常數(shù)作為基本模式的復(fù)合壽命。如果反射功率在 =tA時(shí)為 VA，在t=tB時(shí)指數(shù)性地衰減到 VB= VA/e，則τ1= tB-tA。另外，記 t1為反射功率衰減到峰值1/e的時(shí)刻，t2為反射功率衰減到峰值 1 /e2的時(shí)刻，如果從t1到 t2的這段時(shí)間內(nèi)衰減曲線與指數(shù)曲線的偏離并不大，則可以將t1-t2視為τ1；

圖3 反射微波功率衰減曲線和復(fù)合壽命關(guān)系

(9) 記錄測量復(fù)合壽命所選的計(jì)算方法、數(shù)值[6]。按照（8）所給出的測有效壽命的方法，可以得出：通過圖4可找出所對應(yīng)的τ2=τeff=3.8ms。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在根據(jù)現(xiàn)有的微波反射光電導(dǎo)衰減測量方法的原理與計(jì)算方法，可以得出有效載流子壽命，這初步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

圖4 擬合的指數(shù)衰減曲線圖

5 結(jié)論

單晶硅太陽電池以其轉(zhuǎn)換率高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。本課題通過理論研究和設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，在深入學(xué)習(xí)研究少數(shù)載流子壽命及其測量原理的基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的微波測量技術(shù)對單晶硅進(jìn)行有效鑒定，提出了微波測量技術(shù)測試少數(shù)載流子壽命的新思路和具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分析了系統(tǒng)的工作原理以及各組成部分的功能，為單晶硅原料的質(zhì)量監(jiān)控提出一個(gè)非接觸測量的新方法，并對其應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行了展望。初步實(shí)驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)方案具有可行性。

[1] 中商情報(bào)網(wǎng),2009-2012年中國太陽能產(chǎn)業(yè)市場調(diào)研及發(fā)展趨勢預(yù)測報(bào)告,2009.03.

[2] Solarbe.com,太陽能產(chǎn)業(yè)權(quán)威網(wǎng)站,太陽能光伏技術(shù)——晶體硅太陽能電池及材料,2007.

[3] 陳鳳翔,崔容強(qiáng),徐林.微波光電導(dǎo)中的靈敏度分析[J].太陽能學(xué)報(bào), 2006,27(1)： 23-29.

[4] 李遙岑.太陽電池單晶硅光生少數(shù)載流子濃度的微波測量技術(shù)[D].暨南大學(xué),2011.

[5] 波扎爾.微波工程[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2006： 558-560.

[6] 洪岳.硅材料少數(shù)載流子壽命測定方法的研究及其系統(tǒng)的構(gòu)建[D].暨南大學(xué),2011.

[7] Ghannam M Y,mahmoud S F.Optimum sensitivity and two-dimension modeling of microwave detected photo-conductance decay carrier lifetime measurement[J]. J ApplPhys,1997,81：2665-2673.

[8] J. A. Eikelboom et al，Microwave detection of minority carriersin solar cell silicon wafers，Solar Energy Material and Solar Cells,1995.