段雅楠

摘 要：本文提出了利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對銅銦鎵硒太陽能薄膜元素含量進(jìn)行分析的方法，在實(shí)驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)下，測定了CIGS薄膜的橫向均勻性，分析可得實(shí)驗(yàn)所用的CIGS薄膜中間部分摻雜均勻，兩側(cè)元素含量分布有偏差，從而對改進(jìn)制備工藝提供了建議。

關(guān)鍵詞：激光誘導(dǎo)擊穿光譜 銅銦鎵硒 制備工藝 分布均勻性

近幾年，世界各國加速發(fā)展各種可再生能源替代傳統(tǒng)的化石能源，以解決日益加劇的溫室效應(yīng)、環(huán)境污染和能源枯竭等全球危機(jī)。作為理想的清潔能源，太陽能永不枯竭，正成為當(dāng)今世界最具發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一。由于晶硅電池的高成本和生產(chǎn)過程的高污染，成本更低、生產(chǎn)過程更加環(huán)保的薄膜太陽能電池得到快速發(fā)展。銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽電池具有生產(chǎn)成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特點(diǎn)，光電轉(zhuǎn)換效率居各種薄膜太陽能電池之首，接近晶體硅太陽電池，而成本則是晶體硅電池的三分之一。此外，該電池具有柔和、均勻的黑色外觀，是對外觀有較高要求場所的理想選擇，如大型建筑物的玻璃幕墻等，在現(xiàn)代化高層建筑等領(lǐng)域有很大市場。如何能夠?qū)IGS薄膜的化學(xué)成分比和橫向均勻性進(jìn)行精確快速地一次性的檢測，為高質(zhì)量薄膜制備提供參考是薄膜性能測試中的一道技術(shù)難關(guān)。

以河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院麥耀華科研團(tuán)隊(duì)制備的CIGS太陽能電池薄膜為實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)驗(yàn)利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)（簡稱LIBS，laser induced breakdown spectroscopy）裝置，實(shí)現(xiàn)對CIGS薄膜的化學(xué)成分比和橫向均勻性的檢測。

LIBS技術(shù)作為分析科學(xué)領(lǐng)域里的一種新的光譜檢測技術(shù)，具有在線、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程檢測的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，新的研究成果不斷涌現(xiàn)，在分析物質(zhì)成分元素方面顯示出勃勃生機(jī)和巨大的應(yīng)用潛力。它可用于惡劣環(huán)境下的現(xiàn)場分析檢測，可實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)樣品無損或微損檢測，整個(gè)操作快捷方便、分析過程所需時(shí)間短且可以同時(shí)檢測多種元素等，廣泛適用于固體、液體和氣體。雖然LIBS方法應(yīng)用很廣，但是目前利用其裝置檢測薄膜材料性質(zhì)方面的應(yīng)用并不多見。究其原因主要是薄膜材料只有微米甚至納米量級的厚度，測量結(jié)果易受環(huán)境、實(shí)驗(yàn)條件、自身基底等的影響，因此選擇合適的激光能量、探測延遲時(shí)間、環(huán)境氣氛氣壓等是精確測量的重要前提條件。

現(xiàn)階段已有前人在LIBS技術(shù)測試領(lǐng)域已積累了大量經(jīng)驗(yàn)，并對不同薄膜材料的激光誘導(dǎo)等離子體發(fā)射光譜進(jìn)行了預(yù)研，取得了較理想的實(shí)驗(yàn)效果。目前，LIBS技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如：工業(yè)冶金，環(huán)境檢測，文物保護(hù)，地質(zhì)勘探，材料科學(xué)，航空航天和生物醫(yī)學(xué)中血液樣本的評估等領(lǐng)域。

由于薄膜樣品太薄，激光取樣量太少，光譜信息強(qiáng)度太小，不足以滿足含量分析，因此LIBS技術(shù)在薄膜分析方面還不成熟。通過今年來光譜工作者課不懈努力和不斷研究，在薄膜方面應(yīng)用也取得了許多新的成果，如：葛錦蔓[1]等應(yīng)用LIBS技術(shù)對薄膜損傷特性進(jìn)行表征的方法，研究了納秒脈沖激光作用下薄膜損傷時(shí)的等離子體光譜特征；蔡志龍[2]等用飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜（fs-LIBS）技術(shù)研究了銅鋁合金濺射薄膜的時(shí)間分辨等離子體光譜特性；孫玉祥[3]等應(yīng)用LIBS分析技術(shù)研究不同元素在等離子體中不同位置的分布并對未知納米薄膜定量探測，這就說明利用LIBS法分析薄膜樣品中的元素也是可行的。

CIGS薄膜厚度很薄，僅為微米甚至納米量級，因此LIBS技術(shù)測量結(jié)果易受環(huán)境、實(shí)驗(yàn)條件、自身基底等的影響。通過選擇合適的激光能量、探測延遲時(shí)間、環(huán)境氣氛氣壓等可以提高激光誘導(dǎo)等離子體發(fā)射光譜的信噪比，通過優(yōu)化光譜的收集光路可以有效提高檢出限。采用實(shí)驗(yàn)條件：脈沖能量為120mJ，時(shí)間間隔為10/3s，延遲時(shí)間為425ns，光柵光譜儀的分辨率為0.04nm，光柵參數(shù)為1200BLZ=300nm，門寬為100ns，氣體流量為55sccm。

正因?yàn)镃IGS薄膜作為太陽能電池的光吸收層，所以它成為提高光電轉(zhuǎn)換效率的核心材料， CIGS的制備工藝決定了薄膜性能的優(yōu)劣。它既與太陽電池轉(zhuǎn)換效率相關(guān)，又與降低生產(chǎn)成本相關(guān)，而且與規(guī)?；a(chǎn)能否實(shí)現(xiàn)等問題聯(lián)系緊密。CIGS薄膜的元素組分比、均勻性、結(jié)晶度、晶格結(jié)構(gòu)及晶界等決定太陽電池的性能。通過大量的實(shí)驗(yàn)可以看出：材料要得到越好的光學(xué)吸收特性，就要求元素組分與化學(xué)計(jì)量比偏離越小、結(jié)晶度好、元素組分均勻，這些都對提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率有很大好處。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在薄膜的邊緣位置0cm～2cm、4cm～6cm處各譜線的強(qiáng)度大小有波動(dòng)變化。則可以推論薄膜中心處樣品蒸鍍比較均勻，而薄膜邊緣的蒸鍍有不均勻性。由CIGS薄膜的制備工藝可知，薄膜的確可能存在中心蒸鍍膜均勻而邊緣不均勻的現(xiàn)象，則驗(yàn)證了可以用LIBS裝置來檢驗(yàn)蒸鍍膜的均勻性。

在優(yōu)化條件下，可以用LIBS裝置檢測CIGS薄膜太陽能電池各組分的含量，還可以根據(jù)各元素的特征譜線強(qiáng)度值來估計(jì)薄膜元素分布的均勻性，從而判斷電池吸收層的吸收性能，改進(jìn)工藝。LIBS技術(shù)是一種材料識別、實(shí)時(shí)地進(jìn)行定性和定量分析的新型技術(shù)，可廣泛用于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場在線檢測。這種方法已成為一種炙手可熱的準(zhǔn)確可靠的元素檢測的方法，為制備高效率的CIGS薄膜太陽能電池提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和參考，相信LIBS也將在更多領(lǐng)域創(chuàng)造出更高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葛錦蔓， 蘇俊宏， 徐均琪， 等.激光誘導(dǎo)擊穿光譜在薄膜損傷分析中的應(yīng)用[J].光子學(xué)報(bào)，2016，45（04）：111-116.

[2] 蔡志龍，楊秋松，王陽.銅鋁合金濺射薄膜的飛秒激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析[J].中國激光，2015，42（06）：307-314.

[3] 孫玉祥， 鐘石磊， 盧淵， 等.氧化鋯納米薄膜的激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）分析技術(shù)研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2015，35（05）：1376-1382.