CN102144284A - 用于缺陷检测的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了多种用于确定太阳能电池或太阳能电池前体的旁路电阻的指标的方法。这些方法涉及将至少一个低强度照射施加给电池或前体以产生光致发光，检测产生的光致发光电平，以及根据检测到的光致发光电平来计算太阳能电池的旁路电阻的可能水平。优选的方法适用于在太阳能电池制造期间在线测量样品，从而能够采取大量纠正措施或者补救措施。本发明还提出了多种在太阳能电池制造中监视边缘隔离工艺的方法。可以采用锁定技术从光致发光信号中对噪声进行过滤。

Description

用于缺陷检测的方法及设备

技术领域

本发明涉及太阳能电池制造的领域，更具体来说，涉及应用光致发光测量来检测诸如旁路之类的缺陷对完全处理过的或部分处理过的太阳能电池的影响。

背景技术

在硅太阳能电池的制造过程中，被旁路的电池是降低平均生产量和平均生产效率的常见问题。“旁路(shunt)”是二极管的局部短路。旁路通常以局部方式出现，其例如由硅锭的生产期间的氮化硅或者碳化硅杂质生长引起。这些旁路可以称作“材料导致的旁路”。另一个旁路来源是不理想的处理，例如在丝网印刷的硅太阳能电池处理中，当丝网印刷的银被不慎地烧结穿过pn结时不理想的烧结(firing)可以引起旁路。这些旁路可以称作“处理导致的旁路”。

在几种类型的工业硅太阳能电池中，通常在电池的边缘周围观察到旁路。如果发射极扩散在晶片边缘包绕，则能够引起这些旁路，从而在成品器件的正面金属化和背面金属化之间形成低电阻通道。因此，向生产中的每个电池应用各种不同的边缘隔离技术(例如包括等离子体边缘隔离、激光隔离、以及湿法化学单侧蚀刻)，以中断电池边缘周围的潜在旁路通道。该边缘隔离步骤中的不理想处理也将使成品电池具有太低的旁路电阻，即使成品电池被旁路。在涉及通过光刻、喷墨印刷或激光掺杂来局部形成掺杂区域并且两种接触有时位于同一电池表面上的更复杂的电池概念中，存在几种其他潜在的处理产生旁路的来源。

先前已经显示了可以应用光致发光(PL)测量来在大电压范围上测量部分处理过的或完全处理过的太阳能电池的所谓预测电流电压特性。使用光源以可变光强照射样品，并且使用检测器从被照射侧或从相对侧来检测晶片的PL响应。根据以下等式，PL强度(I_PL)可以解释为预测电压U：

$I_{\mathrm{PL}}=C\·\exp \left(\frac{\mathrm{eU}}{\mathrm{kT}}\right)+C_{\mathrm{offset}}---\left(1\right)$

其中C是主要由样品几何形状(具体地说是厚度、表面纹理和表面反射率)确定的常数。在等式(1)中，e表示基本电荷，k表示波尔兹曼常数，T表示样品温度，C_offset表示针对受扩散限制的载流子的存在的校正系数。在特定强度范围上扫描照射强度并且与照射强度同时地测量PL信号能够绘制出预测IV曲线，即作为从PL信号获得的预测电压的函数的照射强度。该技术能够获得有关部分处理过的电池的电气特性的定量数据，否则该数据只能够在电池生产工艺结束之后才能获得。在T.Trupke，R.A.Bardos，M.D Abbott和J.E.Cotter的“Suns-photoluminescence：Contactless determination of currentvoltage characteristics of silicon wafers”，Appl.Phys.Lett.87，093503(2005)中详细地描述了该“Suns-PL”技术，该文献内容在此以引文方式并入本文。然而，该过程虽然可用于检测诸如旁路之类的缺陷的影响，但是对于在线监视其中产量约为每秒一个电池的太阳能电池生产线来说可能太慢了。

原则上，还可以根据光电导率或其他少数载流子寿命测量来确定预测电流电压测量。然而，在大多数用于旁路检测的感兴趣的电压范围(低电压)内，这些测量被少数载流子捕获和所谓的耗尽区域调制效应引起的各种伪迹显著地影响。这些伪迹的最终结果是，就预测IV曲线而言，对光电导率测量的分析有可能非常不准确。相反，PL不会被这些伪迹影响，从而使得PL成为获得小的预测电压值的理想工具。能够用PL检测到的硅器件的典型预测电压处于250mV至750mV范围内。

对被旁路的电池或者被旁路的部分处理过的电池的Suns-PL测量被所谓的少数载流子寿命的扩散限制影响。在存在旁路时，这会给在非常小的光强度处与入射光强成正比的PL信号引入一个贡献。该信号由等式(1)中的偏移来C_offset描述并且与入射光强成正比。通过从测量到的PL强度中减去常数因子与入射光强的乘积来简单地实现该影响的校正。

其内容通过交叉引用并入本文的题目为“Method and System forInspecting Indirect Bandgap Semiconductor Structure”的PCT专利申请公开WO 07/041758A1公开了一种实现光致发光测量的实现的形式。在这种情况下，诸如CCD照相机之类的多像素检测器被用来检测样品区域上的发光强度分布。产生的发光图像可以显示旁路的位置，这是因为被旁路的区域中或者其周围的发光强度与未被旁路的区域相比有所降低。然而，如在O.Breitenstein，J.Bauer，T.Trupke和R.A.Bardos的“On the Detection of Shunts in Silicon Solar Cells byPhoto-and Electroluminescence Imaging”，Prog.Photovolt：Res.Appl.16：325-330(2008)中和在M.Kasemann，D.Grote，B.Walter，W.Kwapil，T.Trupke，Y.Augarten，R.A.Bardos，E.Pink，M.D.Abbott和W.Warta的“Luminescence Imaging for the Detection of Shunts onSilicon Solar Cells”，Prog.Photovolt：Res.Appl.16：297-305(2008)中所讨论的那样，PL成像在显示旁路位置上不是一直可靠的。

整个说明书中有关现有技术的任何讨论决不应当理解为承认这种现有技术是众所周知的或者形成该领域中的一部分公知常识。

发明内容

本发明的目的是克服或修正现有技术的至少一个缺点，或者提供一种有用的替代方案。本发明优选形式的目的是提供一种以较短的测量时间在早期处理阶段可靠地识别被旁路的晶片的方法及设备。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定太阳能电池或太阳能电池前体(precursor)内的一个或多个电参数的指标的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)对所述太阳能电池或太阳能电池前体施加至少一个低强度照射，以从所述太阳能电池或太阳能电池前体中产生光致发光辐射；

(b)检测产生的所述光致发光的电平；以及

(c)应用检测到的光致发光电平作为所述太阳能电池或者从所述太阳能电池前体产生的太阳能电池内的可能电参数的指标，其中每个所述的至少一个低强度照射的强度小于或等于一个Sun(one sun，一倍强度)。

优选地，至少步骤(a)用电连接太阳能电池或太阳能电池前体的表面的不同部分的导体来执行。更优选地，通过将太阳能电池或者太阳能电池前体安装在金属真空吸盘上来电连接表面的不同部分。可选地，通过将太阳能电池或太阳能电池前体完全地或部分地浸入导电性液体中来电连接表面的不同部分。

在一个优选形式中，低强度照射包括预定调制，并且所述检测步骤应用该预定调制对检测到的光致发光电平中的噪声进行过滤。在另一优选形式中，步骤(a)还包括给太阳能电池或太阳能电池前体施加预定的电调制，并且应用该电调制对检测到的光致发光电平中的噪声进行过滤。优选地，噪声的过滤包括对检测到的光致发光电平应用锁定信号处理技术。

在一个优选形式中，步骤(c)还包括根据检测到的光致发光电平来计算太阳能电池或者从太阳能电池前体产生的太阳能电池的一个或多个电参数的可能电平。优选地，一个或多个电参数包括开路电压。在另一优选形式中，步骤(c)还包括用所述检测到的光致发光电平来除以所述太阳能电池或太阳能电池前体的背景掺杂浓度，并且所述一个或多个电参数包括短路电流。在再一个优选形式中，步骤(c)还包括对不同样品在太阳能电池或太阳能电池前体的生产的同一处理阶段测量得到的相对光致发光电平进行比较。

所述一个或多个电参数优选地包括太阳能电池或太阳能电池前体的并联或旁路电阻。优选地，在通过太阳能电池生产线的每个样品上或者预定部分的样品上执行该方法，其中每个样品的总测量时间小于3秒。在优选形式中，太阳能电池或太阳能电池前体是完全处理过的硅太阳能电池或者部分处理过的硅晶片。优选地，低强度照射光的入射光子通量约小于10¹⁷cm^-2s^-1。

优选地，在太阳能电池生产线中的发射极形成步骤之后应用该方法。在一个优选形式中，在不去除发射极形成步骤中产生的任何磷玻璃层的情况下执行该方法。可选地，在至少从太阳能电池或太阳能电池前体的背面去除在发射极形成步骤中形成的任何磷玻璃层之后执行该方法，该背面与其上形成有发射极的表面相对。优选地，在至少从太阳能电池或太阳能电池前体的背面去除自然氧化层之后执行该方法，该背面与其上形成发射极的表面相对。

在优选形式中，在太阳能电池生产线中的边缘隔离步骤之后应用该方法。优选地，所述边缘隔离步骤包括等离子体边缘隔离、激光边缘隔离、或者漂浮(floating)边缘隔离。可选地，在太阳能电池生产线中的漂浮边缘隔离步骤期间应用该方法，其中在漂浮边缘隔离步骤中应用的蚀刻液体是导电的。

优选地，以空间分辨方式在太阳能电池或太阳能电池前体的表面上应用该方法。

优选地，所述低强度照射包括持续时间小于3秒的照射脉冲。

在优选形式中，步骤(c)还包括构建太阳能电池或太阳能电池前体的预测I-V曲线。优选地，以重复的方式应用多个不同的低强度照射，来构建太阳能电池或太阳能电池前体的相应预测I-V曲线。

优选地，该方法还包括以下步骤：(d)应用可能的电参数的指标来在太阳能电池或硅晶片的生产过程中进行质量控制、工艺控制或者工艺监视。优选地，在太阳能电池生产线中在线执行该方法，并且检测到的光致发光电平用来将太阳能电池或太阳能电池前体分类到多个质量类别(quality bin)中。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于测量太阳能电池材料的属性的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)用强度小于或等于一个Sun的照射来照射所述太阳能电池材料，以从所述太阳能电池材料产生光致发光；

(b)以预定调制来调制所述照射的水平或者电调制所述太阳能电池材料，以在所述光致发光中产生结果调制；

(c)检测所述光致发光；以及

(d)基于所述预定调制对检测到的光致发光进行过滤。

优选地，预定调制包括在预定频率的调制，并且所述过滤步骤对所述预定频率应用锁定技术以对与检测到的光致发光相关联的噪声进行过滤。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于监视太阳能电池生产线中的边缘隔离工艺的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在所述边缘隔离工艺之前向太阳能电池前体施加照射；(b)监测作为所述照射结果而从所述太阳能电池前体发出的光致发光，以获得第一光致发光电平；(c)在所述边缘隔离工艺之后重复步骤(a)和(b)，以获得第二光致发光电平；以及(d)比较所述第一和第二光致发光电平，以获得对所述边缘隔离工艺的有效性的测量。优选地，所述照射的强度小于或等于一个Sun。

根据本发明的第四方面，提供了一种用于监视太阳能电池生产线中的边缘隔离工艺的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在所述边缘隔离工艺之后向太阳能电池或太阳能电池前体施加照射；(b)获得作为所述照射结果而从所述太阳能电池或太阳能电池前体发出的光致发光的图像；以及(c)对从所述太阳能电池或太阳能电池前体的周边部分发出的光致发光的相对强度进行分析，以获得对所述边缘隔离工艺的有效性的测量。

优选地，该方法还包括以下步骤：(d)将该图像与在边缘隔离步骤之前获得的相应光致发光图像进行比较。优选地，所述照射的强度小于或等于一个Sun。

根据本发明的第五方面，提供了一种用于监视太阳能电池生产线中的边缘隔离工艺的进展的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在所述边缘隔离工艺中的第一时间向太阳能电池前体施加照射；(b)监测作为所述照射结果而从所述太阳能电池前体发出的光致发光，以获得第一光致发光电平；(c)在所述边缘隔离工艺中的较晚的第二时间针对所述太阳能电池前体重复步骤(a)和(b)，以获得第二光致发光电平；以及(d)比较所述第一和第二光致发光电平。

在一个优选形式中，在边缘隔离工艺开始之前执行步骤(a)。优选地，所述照射的强度小于或等于一个Sun。

根据本发明的第六方面，提供了一种当实施根据本发明的第一、第二、第三、第四或第五方面的方法的系统。

为了该说明书的目的，术语“在线测量”可以表示测量通过太阳能电池生产线的每个晶片，或者以预定间隔从生产线取出样品(例如，每20个晶片中取出一个)进行测量。

附图说明

结合附图根据随后的示例性实施例和所附权利要求的描述，对于属于本发明所涉及领域的技术人员来说，本发明的益处和优点将变得显然，其中：

图1示出了针对不同程度的二极管旁路的预测IV曲线；

图2示意性示出了太阳能电池中的旁路的一些常见来源；

图3显示了发射极扩散的硅晶片的PL图像，其中边缘周围的亮区域表示潜在的处理导致的旁路；以及

图4、图5和图6示意性示出了优选实施例的不同操作设置。

具体实施方式

例如Suns-PL技术对太阳能电池进行测量获得的预测IV曲线可以揭示旁路的存在。图1示出了具有三个模拟预测IV曲线的图，一个(曲线1)是具有无限大旁路电阻的理想电池(即，旁路对电池性能没有任何影响)，两个(曲线2，3)是针对两个不同的有限旁路电阻值计算得到的，其中曲线2的旁路电阻小于曲线3的旁路电阻。该图示出了，尤其是在低照射强度下，低的旁路电阻降低了二极管电压(相当于低发光信号，从而导致低电压)，而大电压下的IV曲线仅在边缘处被旁路值影响。换句话说，旁路对太阳能电池的影响在低照度下是最明显的。即使在电池被金属化之前，如图1所示的低照射下的整个预测电流电压特性曲线也可以用来获得有关旁路电阻的定量信息。因此，Suns-PL是一种基于PL的度量方法，其可以在太阳能电池制造的早期揭示太阳能电池中潜在的旁路。

杂质是一种太阳能电池中的导致旁路的材料的常见形式。例如在多晶硅晶片中，典型的杂质包括碳化硅和氮化硅。这些杂质通常为n型，并且以又长又窄的针的形式出现。如图2示意性示出，杂质20可以连接被加工成太阳能电池的硅晶片23的正面21和背面22。图2还示出了太阳能电池中“处理导致旁路”的常见原因，发射极扩散的副作用。对于基极为p型的硅太阳能电池来说，发射极将为n型，通常为磷，而对于n型基极来说，发射极将为p型，通常为硼。理想情况下，发射极层24应当仅存在于晶片的正面上。然而，在典型的诸如热扩散的发射极形成工艺中，扩散区域包绕，从而在晶片侧面25和背面的周边部分26上形成掺杂区域。该“包绕的”发射极层可以在成品器件的正面金属化和背面金属化之间形成低电阻通路。

图3示出了从晶片背面进行照射和PL检测的被发射极扩散的硅晶片上取的PL图像31。该图像边缘周围的亮区域32揭示了两个侧面上不慎都被发射极扩散的区域。这些区域中较高的发光强度是两个侧面上的场效应钝化的结果，而在中央区域，被照射的背面未被钝化，从而导致低的计数速率(count rate)。因此，PL成像是另一种基于PL的度量方法，其可以在太阳能电池制造的早期揭示太阳能电池中潜在的旁路。

然而，重要的是要意识到，图2所示的两种旁路来源(即，杂质和不慎的发射极包绕)仅在p型基极和n型发射极(或者在n型电池中反过来也一样)之间或者在基极和杂质之间的界面用金属27或者某一其它导体连接时才变为被完全激活。例如，在成品丝网印刷的太阳能电池中，这出现在整个背面上的铝背面接触被沉积然后被烧结时。在该过程中金属下方的所有pn结或者杂质被短路，直到此时它们才是潜在的旁路。这对于太阳能电池制造期间早期监视旁路问题来说具有重要的含义。对于可靠的早期监视而言，潜在的旁路必须被短路，或者至少用低电阻通路连接，以使它们变为可检测的。优选地，本发明的基于PL的度量方法用将样品背面的不同部分电连接的导体来执行。在一个实施例中，潜在的旁路通过将样品吸入或者压入金属卡盘(例如，真空卡盘)而被激活。在可选实施例中，样品可以被浸入或者漂浮在导电液体的表面上，或者样品吸在或压在导电样品保持器上，并且样品和导电样品保持器之间具有薄层导电液体。

早期旁路检测的另一难题是发射极的热扩散易于在表面上留下薄的高掺杂氧化层。例如，对于磷掺杂的发射极层来说，该氧化层是所谓的“磷玻璃”。该氧化层可以是电绝缘的，这意味着建立样品和固体或液体导体之间的接触的上述方法在紧接着发射极扩散工艺之后不总是能建立电接触(从而，激活潜在的旁路)。在某些实施例中，在至少从样品的背面去除磷玻璃或者类似氧化层之后，执行本发明的基于PL的度量方法。额外的一个难题起因于以下事实：自然氧化层在某一时间之后在硅晶片的表面上形成，通常是在例如通过蚀刻形成裸表面(bare surface)之后的几分钟内形成。至少从背面，还必须去除这种自然氧化层，以可靠地检测潜在的旁路。

由于扩散发射极层包绕晶片边缘的特性，通常给生产中的每个电池应用边缘隔离技术以中断潜在的旁路通道。在一个被称为激光边缘隔离的这种技术中，使用激光来将薄的沟槽切割成发射极。在当前生产线中，对成品电池执行该处理，但是原则上可以在磷玻璃去除之后立即执行该处理。另一边缘隔离技术是等离子体边缘隔离，其中等离子体蚀刻工艺从晶片边缘去除发射极层。通常在一个个堆叠起来的大量晶片的情况下执行该处理。在再一个边缘隔离技术中，基于湿法化学蚀刻，晶片被漂浮或者被支撑在蚀刻槽的表面上，使得仅仅背面和边缘的一部分浸在蚀刻溶液中被蚀刻。这种技术将被称为“漂浮边缘隔离”。

接下来，本发明的基于PL的度量方法可以用来监视边缘隔离技术，如果潜在的旁路消失，则该边缘隔离有效。另一方面，参照图3所示的PL图像，如果亮的周边区域32在边缘隔离之后存在，则边缘隔离可能不完全有效。在某些实施例中，在等离子体边缘隔离步骤、或者在激光边缘隔离步骤、或者在漂浮边缘隔离步骤之后执行基于PL的度量。可选地，“在上述隔离步骤之后执行本发明的方法”的结果可以与相应的在隔离步骤之前获得的结果进行比较。如果蚀刻溶液足够导电，则基于PL的度量还可以用来监视漂浮边缘隔离步骤的进展，这是因为蚀刻溶液与晶片的整个背面接触。可选地，如果晶片例如被吸入或者压入导电的保持器中，则基于PL的度量可以用来监视激光边缘隔离步骤的进展。

在再一个基于PL的度量方法中，通过公式(1)，一个特定照射强度下的单个发光测量可以用来获得一个预测电压值。该预测电压然后可以用作品质因数或者用作生产中下一步行动的决策基准。

根据公式(1)的从发光强度到预测电压的变换需要已知常数C和偏移值C_offset。然而，对于其中测量速度及其重要的在线应用来说，发光信号本身(以给定的实验装置测量得到)可以用作决策基准。例如，一个特定的发光强度值可以用作阈值基准，以将晶片或者电池分类到不同的质量类别中。即，对于评估诸如旁路或潜在旁路对电池性能的可能影响来说，不需要知道预测电压的绝对值。

在某些实施例中，可以在从晶片的同一侧进行照射和检测的情况下来执行发光测量，而在其他实施例中，可以在从晶片的相对两侧进行照射和检测的情况下来执行发光测量。在各个实施例中，可以以空间分辨方式(例如，使用CCD照相机的发光成像)或者以非空间分辨方式(例如，使用大面积光电二极管结合前置放大器)或者通过映射来测量发光。在某些实施例中，在整个晶片面积上照射是均匀的。在可选实施例中，仅有部分晶片被照射，如在题目为“Material ordevice characterization with non-homogeneous excitation”并且以引用方式并入本文的澳大利亚临时专利申请No.2009902178中所述，如果存在发射极，则这仍将至少以低照度激发整个晶片。

发光测量可以非常快地发生，示例性测量时间为小于2秒钟，从而可以监视通过太阳能电池生产线的每个晶片。该监视过程甚至可以在晶片在传送带上移动的同时发生。在这种情况下，光学和检测系统可以与样品并行移动。可选地，照射和检测系统可以是静止的，在这种情况下，将测量沿着每个晶片的行扫描或者从2-D光检测器构建静态图像。可选地，在测量期间样品可以保持静止，这适于区域成像测量。

然后，可以根据阈值预测电压或发光信号将被旁路的和未被旁路的晶片进行归类。例如，预测电压低于阈值电压或者发光信号低于阈值信号的晶片可以分类为被旁路的晶片。通常，在低照度下执行单个发光测量，优选地入射光子通量＜3×10¹⁷cm^-2s^-1(大约为一倍强度(一个Sun))，更优选地＜10¹⁷cm^-2s^-1，这是因为如图1所示旁路对二极管电压的影响，从而对发光信号的影响，在低照度下更加明显。为了本说明书的目的，3×10¹⁷cm^-2s^-1的入射光子通量被认为是1Sun。

应当注意，虽然旁路尤其是在低照度下是晶片“低阈值”的可能原因，但是还存在其他原因，例如大片区域的低寿命材料。因此，虽然本发明的基于PL的度量方法被设计为主要用来检测旁路对太阳能电池和太阳能电池前体的影响，但是不限于此。

原则上，基于PL的旁路检测可以以两种根本上不同的方式进行，这两种方式为空间分辨方式或者非空间分辨方式。在这两种情况下，使用照射源来照射整个晶片或者部分晶片，并且使用光致发光(PL)检测器来捕获发出的发光。所述检测器相对于照射源可以位于晶片的任意一侧上。在图4所示的第一示例情况下，照射源40和检测器41位于样品42的同一侧上。在图5所示的第二示例中，照射源40设置在样品42的第一侧上，而检测器41直接安装在样品后面，在这种情况下，检测器从区域50拾取大部分PL发射，其中检测器被安装在该区域50下方。可选地，如图6所示，检测器41安装在与样品42相隔一定距离的位置处，这将导致采集较少部分的发光信号，但是从较大样品面积采集。

对于图5的布置，发光检测器41在尺寸上(例如2×2cm²)可以显著地小于样品42(通常＞10×10em²)。因此，由于发射极实际上电连接电池中并行的不同部分(被旁路的和未被旁路的)，因此由于位于晶片中检测器上方的区域50以外的区域中的旁路的影响仍将使得整个晶片区域上的发光强度降低，所以有利的是以低照射强度来执行发光测量。因此，被旁路的区域把来自未被旁路区域的PL强度向下拖。然而，随着照射强度增大，发射极的有限电导逐渐地横向隔离被旁路的和未被旁路的区域。由于发射极通常设计为针对约一个Sun(一倍强度)当量的照射强度，因此优选地在小于一个Sun当量的照射强度下(即，以小于3×10¹⁷cm^-2s^-1的入射光子通量)来执行单个PL测量。

可以使用专用的光学过滤器来避免对测量得到的PL信号有贡献的激发光。通常，这通过使用传感器前面的长波通过滤器对检测到的发光信号进行长波通过滤来实现，该长波通过滤器传输大部分发光信号但是阻挡激发光。截止波长小于长波通过滤器截止波长的短波通过滤器被用来对激发光进行过滤，以阻挡激发光谱中的任何长波分量，所述激发光谱从样品表面反射(或者传输通过晶片)后可被所述传感器检测到。由于来自诸如硅之类的间接带隙材料的发光强度通常比激发光弱几个数量级，并且激发光从硅晶片的反射大约为几个百分点到几十个百分点，因此过滤需要高度有效。在图5和6所示的几何结构中，硅晶片本身可作为有效的长波通过滤器。例如，如果使用800nm的激发波长，则对于200μm厚的硅晶片来说，透射的激发光部分将小于10^-6。在这种情况下不再需要进一步的长波通过滤，然而仍然需要有效的对激发光的短波通过滤。

几种光源有可能用于激发，这些光源包括激光、发光二极管、卤素灯和闪光灯。

非空间分辨方式测量：在某些实施例中，使用一个光检测器来捕获空间平均的光致发光信号。可以用来检测来自硅样品的PL发射的典型光电二极管的示例是由晶体硅(Si)、铟镓砷化物(InGaAs)、锗(Ge)或者SiGe合金结合低噪声前置放大器制成的检测器。其他样品材料通常将发出不同波长范围的PL，适当的检测器对于所属领域的技术人员来说是已知的。在采用时间分辨方式测量的实施例中，可以在照射光脉冲期间和之后使用检测器来捕获随时间变化的发光强度。通常，照射脉冲的持续时间是一毫秒到几秒钟。在可选实施例中，检测器可以用来检测通过以恒定强度照射晶片而产生的恒定PL信号。在其他实施例中，以已知的频率周期性地调制照射，以通过锁定技术来执行PL强度测量。采用该方式，可以显著地降低生产环境中的环境光的影响。

空间分辨方式测量：PL成像对于发光强度的快速空间分辨方式测量来说是一种有吸引力的测量技术。在这种情况下，测量电池在一个发光图像中的每个空间分辨部分的发光强度值。那么原则上可以计算出发光图像的每个像素的局部预测二极管电压。如果几个PL成像测量是采用不同的照射强度进行的，则可以计算出每个检测器像素的发光强度相关性，因此可以计算出每个检测器像素的预测IV曲线。由于在低预测电压(即，在PL信号低的低照射强度)下旁路的影响最显著，则可能需要较长的积分时间。为了避免较长的积分时间(从而为较长的测量时间)，可以通过像素组合(pixel binning)来降低照相机的空间分辨率。例如，将5×5像素合成一个像素使计数速率增大25倍，但是将降低空间分辨率。可选地，可以使用更高灵敏度的照相机。

最好在发射极已被扩散或者另外被处理成样品的一个或两个表面以形成pn结之后的任一处理阶段时或之后应用上述的基于PL的度量方法。参照图4、图5和图6，样品42的被照射表面不需要对应于发射极扩散的表面，而是可以选取被照射表面以便于测量。在诸如丝网印刷电池之类的电池设计中，非空间分辨方式测量不需要在几乎每个电池中都出现(至少在边缘隔离之前)的边缘旁路和例如杂质引起的其他旁路之间进行区分。因此，在边缘隔离之后适当地应用非空间分辨方式旁路检测，在这种情况下，基于PL的定性或定量的旁路分析可以给出有关非最佳边缘隔离或者有关样品中其他旁路的信息。

测量得到的PL数据可以用来获得有关旁路强度的定量信息、或者有关旁路强度相对于阈值的定性信息。在定性实施例中，不存在从测量得到的PL信号到预测电压或任何其他物理参数的变换，而是空间分辨或空间平均的发光信号本身可以作为品质因数。发出比特定阈值高或者低的PL信号的晶片将被分类到单独的质量类别中。在优选实施例中，测量足够快，从而可以对通过生产设备的每个晶片或者对绝大多数晶片产量在线执行所述测量。

从本发明的基于PL的度量方法导出的有关晶片中旁路的信息随后可以导致大量可能动作。例如，可以从生产线上移除晶片，以再加工或者返回到晶片供应商，或者对样品进行分类以进行后面的处理步骤。在其他示例中，如果旁路是工艺过程缺陷引起的，则可以对工艺步骤或工具采取校正动作，而如果旁路是材料缺陷引起的，则可以由材料供应商来采取校正动作。在其他示例中，可以对晶片进行再处理以进行旁路补救，或者给在线工艺变量“加标签”，以降低旁路的影响。

在中间加工步骤测量到的PL信号还可以用作允许与最终电池开路电压V_oc相关联的度量。在太阳能电池生产中，这可以通过在特定加工步骤的PL信号和最终电池数据之间建立统计关系来使用。该信息可以用来快速识别最终电池性能被降低的来源，例如通过识别哪个确切的加工步骤之后出现了与预期统计关系的明显偏离。这种统计关系还可以用作一种调谐各个加工步骤的加工参数的更有效方法。用低照射强度测量到的PL信号还可以用作制造执行系统(MES)中的输入参数。

如上所述，发光强度可以理解为电池电压的测量，这二者由等式(1)联系起来。另一方面，被基极材料的背景掺杂浓度相除的发光强度(称为掺杂归一化的PL信号)与过剩少数载流子寿命相关，因此与电池短路电流I_sc相关。因此，可以在空间分辨的或者空间平均的掺杂归一化的PL信号、与短路电流或者最大功率点时提取的电流之间建立前一段落中所述的类似的相关性和分析应用。在这种情况下，与仅来自部分晶片的信号相比，来自整个被部分加工的晶片的发光强度的面积平均是优选的。

单个非空间分辨方式PL测量如下进行。步骤1：用给定的照射强度照射晶片或者部分晶片，优选地小于或等于1Sun，更加优选地小于10¹⁷cm^-2s^-1。该照射对于稳态测量而言可以是恒定的，或者对于时间分辨方式测量而言可以是脉冲的。可选地，可以调制照射强度以及通过锁定技术来执行PL测量。在这种情况下，该信号可以被完全调制或者由被调制的份额加上恒定偏移组成。步骤2：测量所产生的面积平均的发光强度(使用上述的面积检测几何形状之一)。步骤3：对测量到的发光强度与阈值发光强度进行比较，并且分类到被旁路的或者未被旁路的类别中或者分类到更好的旁路类别中。

多个非空间分辨方式PL测量可以以如下步骤进行。步骤1：用持续时间通常为1ms至5s的脉冲、或者用几个分立照射强度序列照射晶片。步骤2：测量随时间变化的照射强度和测量随时间变化的发光强度。步骤3：如先前所述计算预测IV曲线。这需要知道校准因数(等式(1)中的C)，该校准因数对于同一类型的多个样品而言是类似的。因此，只需要确定一次校准因数，这是因为将同一校准因数用于同一类型的多个样品将仅仅稍微影响准确性。可选地，PL信号本身可以用作品质因数。步骤4：构建Suns-PL曲线并且分析该曲线以获得定量的旁路电阻数据。

单个空间分辨方式PL图像测量可以以下列步骤进行。步骤1：用一个特定照射强度对晶片进行PL成像，该特定照射强度优选地等于或低于1Sun，更优选地低于10¹⁷cm^-2s^-1。步骤2：执行对平均发光强度的分析。步骤3：对测量到的平均发光强度和阈值平均发光强度进行比较，并且将样品分类到被旁路的或者未被旁路的类别中。

多个空间分辨方式PL图像测量可以以如下步骤进行。步骤1：用不同的稳态照射强度测量几个PL图像，每个强度优选地等于或低于1Sun，更优选地低于10¹⁷cm^-2s^-1。步骤2：针对各个像素，绘制作为预测电压函数的照射强度。步骤3：为每个像素确定预测IV曲线。步骤4：根据预测IV曲线，基于空间分辨的预测IV曲线来执行统计数据分析，随后基于IV曲线结果将晶片归类。

总之，优选实施例的基于PL的度量方法提供了一种用于确定被完全加工或者被部分加工的太阳能电池中的缺陷(尤其是旁路或潜在旁路)的存在或影响的技术，所述缺陷将降低成品太阳能电池的性能。这些方法可应用于发射极扩散之后的任何太阳能电池加工阶段的晶片或者薄膜。可以以空间分辨或者非空间分辨检测方式使用这些方法，并且这些方法适于单个强度或者适于高达整个Suns-PL曲线。这些方法可以提供对旁路或潜在旁路的电阻值的定量分析，或者基于阈值提供定性分析。这些方法可以用于生产中，进行质量控制、工艺控制和工艺监视。优选地，使用这些方法，其中的PL由小于或等于一个Sun(one Sun，一倍强度)的照射强度产生。

在某些实施例中，加工链(processing train)应用“锁定”信号处理来提供高抗扰的加工环境。没有锁定处理，检测器的本底噪声可能是环境光(如果由于激光安全原因检测发生在不透光的盒子时，该环境光最小)以及更重要的反射的激发光和任何源于样品台及其环绕物的辐射的PL的总和。这通常需要使用精确光学过滤器的组合来从照相机的PL信号中滤除反射的激发光和环境光。如果照相机是基于硅的，则其自身充当短波通过滤器。过滤器的组合和照相机的选择针对的是制造感兴趣的具有极端选择性的带通过滤器。

在使用锁定处理的实施例中，要求不那么严格。所述方法可以使用其它光源(例如，可见光光源和非激光光源)和不太专用的照相设备来实现。也可以不需要光学过滤器，并且如果应用可见光或者非激光光源，则不需要激光安全设备。而且，可以使用在具有显著PL辐射的样品台中或者周围的加工材料。在这些可选实施例中开放设计约束的一个重要因素是应用锁定信号处理方法。锁定信号处理的示例是公知的，可以在http://en.wikipedia.org/wiki/Lock-in_amplifier找到大致参考。

至少可以以两种方式使用锁定技术。在一个示例实施例中，通过调制光源强度，锁定信号被叠加在激发光上。在另一个示例实施例中，例如通过经由背部电接触或者顶部电接触或者通过二者给晶片或者电池施加电势或者电流，从而锁定信号作为扰动叠加到来自样品的PL辐射。所施加的电势或电流不需要足以产生场致发光(EC)，而是仅需要在测量到的PL信号中产生可观测到的变化，该可观测到的变化是锁定载波信号的签名(signature)。这两种方法中的后一种方法是优选的，这是因为该方法使得PL辐射(包括样品区域中来自样品台材料的任何PL辐射)可以从来自环境光和反射光的噪声中解卷积(de-convoluted)。

使用锁定处理的另一个优点是可以使用快速照相机检测器，该快速照相机检测器可以在一秒钟内多次积分信号，从而显著地加快测量次数，从而增强了在快速在线制造应用中使用基于PL的度量方法。

说明

除非上下文明确地指出相反的情形，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”、“包含”等应当以包含的含义理解，而不是以排他的或者穷尽的含义理解；也就是说，以“包括，但不限于”的意思理解。

整个说明书中对“一个实施例”或者“实施例”的引用意味着与该实施例相关地描述的特定特征、结构或者特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中不同位置出现的语句“在一个实施例中”或者“在实施例中”不一定完全指的是同一个实施例，但是有这种可能。而且，可以以任何适当方式结合一个或多个实施例中的特定特征、结构或特性，根据本发明的公开，这对于所属领域的技术人员来说是显然的。

类似地，应当理解，在上述对本发明的示例性实施例的描述中，为了精简本公开以及有助于理解各种发明方面中的一个或多个，本发明的各种特征有时被组合在一个实施例、附图或者附图描述中。然而，所公开的方法不应当理解为反映以下意图：所要求保护的发明需要的特征比每个权利要求中明确记载的特征多。而是，如权利要求所反映，发明的方面在于小于一个上述公开的实施例的全部特征。因此，权利要求此处明确地并入该具体实施方式中，其中每个权利要求本身作为本发明的一个单独的实施例。

而且，虽然此处描述的一些实施例包括其它实施例中所包括的一些特征，不包括其他特征，但是不同实施例的特征的结合属于本发明的范围，并且形成不同的实施例，如所属领域的技术人员可以理解的那样。例如，在权利要求中，可以以任何结合方式使用任意的要求保护的实施例。

而且，一些实施例在此描述为方法或者可由计算机系统的处理器或者执行该功能的其他装置实现的方法要素的组合。因此，具有用于执行这种方法或者方法要素的必需指令的处理器构成了用于执行该方法或者方法要素的装置。而且，为了实现本发明，设备实施例中所述的要素是用于执行该要素所执行的功能的装置的示例。

在此处提供的描述中，阐述了各种具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他实例中，为了不混淆对该描述的理解，没有详细示出公知的方法、结构和技术。

如本文中所用，除非另外明确指出使用顺序形容词“第一”、“第二”、“第三”等来描述公用对象，否则这些顺序形容词仅仅表示所指的是类似对象的不同实例，其意图并不表示如此描述的对象必须处于给定的顺序，或者时间上、空间上、等级上或者以任何其他方式。

在权利要求和说明书中，术语“包含”是开放式术语，其表示至少包含随后的要素/特征，但是不排除其他的要素/特征。因此，当用在权利要求中时，术语“包含”不应当理解为限于此后所列的装置或者要素或者步骤。例如，表述“包含A和B的设备”的范围不应当限于仅由要素A和B组成的设备。术语“包括”、“其包括”或“它包括”也是开放式术语，其也意味着至少包括随后的要素/特征。因此，包括与包含是同义词，并且含义相同。

类似地，应当注意，当用在权利要求中时，术语“耦接”不应当理解为仅限于直接连接。可以使用术语“耦接”和“连接”及其衍生词。应当理解，这些术语彼此之间不同义。因此，表述“设备A耦接至设备B”的范围不应当限于其中设备A的输出直接连接至设备B的输入的设备或系统。其表示在A的输出和B的输入之间存在路径，该路径可能是包括其他设备或装置的路径。“耦接”可以表示两个或多个要素或者是直接物理连接或者是电连接，或者表示两个或多个要素彼此之间不直接连接，但是仍然相互协作或者彼此相互作用。

虽然参照本发明的某些优选实施例描述了本发明，但是本发明的变型和变化属于权利要求的思想和范围内。

Claims (39)

1.一种用于确定太阳能电池或者太阳能电池前体内的一个或多个电参数的指标的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)向所述太阳能电池或所述太阳能电池前体施加至少一个低强度照射，以从所述太阳能电池或者所述太阳能电池前体产生光致发光辐射；

(b)检测产生的光致发光电平；以及

(c)将检测到的光致发光电平用作所述太阳能电池或者从所述太阳能电池前体产生的太阳能电池内的可能电参数的指标，其中每个所述至少一个低强度照射的强度小于或等于一个Sun。

2.如权利要求1所述的方法，其中至少步骤(a)采用电连接所述太阳能电池或所述太阳能电池前体的表面的不同部分的导体来执行。

3.如权利要求2所述的方法，其中通过将所述太阳能电池或者所述太阳能电池前体安装在金属真空吸盘上来电连接所述表面的所述不同部分。

4.如权利要求2所述的方法，其中通过将所述太阳能电池或者所述太阳能电池前体完全地或者部分地浸入导电液体中来电连接所述表面的所述不同部分。

5.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中所述低强度照射包括预定调制，并且所述检测步骤利用所述预定调制来对所述检测到的光致发光电平中的噪声进行过滤。

6.如权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其中所述步骤(a)还包括向所述太阳能电池或者所述太阳能电池前体施加预定的电调制，并且利用所述电调制来对所述检测到的光致发光电平中的噪声进行过滤。

7.如权利要求5或权利要求6所述的方法，其中所述对噪声进行过滤的步骤包括向所述检测到的光致发光电平应用锁定信号处理技术。

8.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中所述步骤(c)还包括根据所述检测到的光致发光电平来计算所述太阳能电池或者从所述太阳能电池前体产生的太阳能电池的所述一个或多个电参数的可能电平。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述一个或多个电参数包括开路电压。

10.如权利要求8所述的方法，其中步骤(c)还包括用所述检测到的光致发光电平来除以所述太阳能电池或太阳能电池前体的背景掺杂浓度，并且所述一个或多个电参数包括短路电流。

11.如权权利要求1至7中的任意一项所述的方法，其中所述步骤(c)还包括将对所述太阳能电池或所述太阳能电池前体的生产的同一加工阶段的不同样品所测得的相对光致发光电平进行比较。

12.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中所述一个或多个电参数包括所述太阳能电池或所述太阳能电池前体的并联电阻或旁路电阻。

13.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中对通过太阳能电池生产线的每个样品或者预定的一部分样品在线执行所述方法，其中每个样品的总测量时间小于3秒。

14.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中所述太阳能电池或者太阳能电池前体是完全处理好的硅太阳能电池或者部分处理过的硅晶片。

15.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中所述低强度照射的入射光子通量小于约10¹⁷cm^-2s^-1。

16.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中在太阳能电池生产线中的发射极形成步骤之后应用所述方法。

17.如权利要求16所述的方法，其中在没有去除所述发射极形成步骤中所产生的任一磷玻璃层的情况下执行所述步骤。

18.如权利要求16所述的方法，其中在至少从所述太阳能电池或者所述太阳能电池前体的背面去除所述发射极形成步骤中所产生的任一磷玻璃层之后执行所述方法，所述背面与其上形成发射极的表面相对。

19.如权利要求16至18中的任意一项所述的方法，其中在至少从所述太阳能电池或者所述太阳能电池前体的背面去除自然氧化层之后执行所述方法，所述背面与其上形成发射极的表面相对。

20.如权利要求16至19中的任意一项所述的方法，其中在太阳能电池生产线中的边缘隔离步骤之后应用所述方法。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述边缘隔离步骤包括等离子体边缘隔离、激光边缘隔离或者漂浮边缘隔离。

22.如权利要求16至19中的任意一项所述的方法，其中在太阳能电池生产线中的漂浮边缘隔离步骤期间应用所述方法，其中所述漂浮边缘隔离步骤中应用的蚀刻液体是导电的。

23.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中在所述太阳能电池或所述太阳能电池前体的表面上以空间分辨方式应用所述方法。

24.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中所述低强度照射包括持续时间小于3秒的照射脉冲。

25.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中所述步骤(c)还包括构建所述太阳能电池或所述太阳能电池前体的预测I-V曲线。

26.如权利要求1所述的方法，其中以重复的方式应用多个不同的低强度照射，以构建所述太阳能电池或所述太阳能电池前体的相应的预测I-V曲线。

27.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤：(d)应用所述的可能电参数的指标来进行太阳能电池或硅晶片的生产中的质量控制、工艺控制或者工艺监视。

28.如前述权利要求中的任意一项所述的方法，其中在太阳能电池生产线中在线执行所述方法，并且所述检测到的光致发光电平被用来将所述太阳能电池或者所述太阳能电池前体分类到质量类别中。

29.一种实现如权利要求1至28中的任意一个所述的方法的系统。

30.一种用于测量太阳能电池材料的属性的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)用强度小于或等于一个Sun的照射对所述太阳能电池材料进行照射，以从所述太阳能电池材料产生光致发光；

(b)用预定调制对所述照射的水平进行调制或者对所述太阳能电池材料进行电调制，以在所述光致发光中产生结果调制；

(c)检测所述光致发光；以及

(d)基于所述预定调制对检测到的光致发光进行过滤。

31.如权利要求30所述的方法，其中所述预定调制包括以预定频率进行的调制，并且所述过滤步骤对所述预定频率应用锁定技术以对与检测到的光致发光相关联的噪声进行过滤。

32.一种实现如权利要求30或权利要求31所述的方法的系统。

33.一种用于监视太阳能电池生产线中的边缘隔离工艺的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在所述边缘隔离工艺之前，向太阳能电池前体施加照射；(b)检测作为所述照射的结果而从所述太阳能电池前体发出的光致发光，以获得第一光致发光电平；(c)在所述边缘隔离步骤之后重复步骤(a)和(b)，以获得第二光致发光电平；以及(d)比较第一光致发光电平和第二光致发光电平，以获得所述边缘隔离工艺的有效性的量度。

34.一种用于监视太阳能电池生产线中的边缘隔离工艺的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在所述边缘隔离步骤之后，向太阳能电池或者太阳能电池前体施加照射；(b)获得作为所述照射的结果而从所述太阳能电池或者太阳能电池前体发出的光致发光的图像；以及(c)分析从所述太阳能电池或太阳能电池前体的周边部分发出的光致发光的相对强度，以获得所述边缘隔离工艺的有效性的量度。

35.如权利要求34所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤：

(d)对所述图像和在所述边缘隔离步骤之前获得的相应光致发光图像进行比较。

36.一种用于监视太阳能电池生产线中的边缘隔离工艺的进展的方法，所述方法包括以下步骤：(a)在所述边缘隔离工艺中的第一时间向太阳能电池前体施加照射；(b)检测作为所述照射的结果而从所述太阳能电池前体发出的光致发光，以获得第一光致发光电平；(c)在所述边缘隔离工艺的后来的第二时间对所述太阳能电池前体重复步骤(a)和(b)，以获得第二光致发光电平；以及(d)对所述第一光致发光电平和第二光致发光电平进行比较。

37.如权利要求36所述的方法，其中在所述边缘隔离工艺开始之前执行步骤(a)。

38.如权利要求33至37中的任意一项所述的方法，其中所述照射的强度小于或等于一个Sun。

39.一种实现如权利要求33至38中的任意一项所述的方法的系统。

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