光束誘導電流成像系統(tǒng)(LBIC)說明書

1、中國科學院半導體研究所光束誘導電流成像檢測系統(tǒng)（LBIC-301A）Light-Beam Induced CurrentLBIC mapping systemLBIC掃描系統(tǒng)說明書地址：北京市海淀區(qū)清華東路甲35號中國科學院半導體研究所1號樓電話：（+86）/ 82304817傳真：（+86）-010-8230-4181手機: 136 9313 3999郵箱：pdhan網址：一、產品描述：1.1 產品簡介：儀器名稱：光束誘導電流成像檢測系統(tǒng)（Light-Beam Induced CurrentLBICmapping system）儀器型號：LBIC301A生產單位：

2、中國科學院半導體研究所儀器簡介：光束誘導電流成像檢測系統(tǒng)（Light-Beam Induced CurrentLBIC mapping system）是一種高分辨、非直接接觸的圖象分析手段，通過不同激光波長的在半導體中的吸收距離和微區(qū)光電轉換，可以表征光電子器件及太陽能電池微區(qū)的短路電流分布、表層缺陷、并聯電阻、反射率等特性參數，并通過橫向掃描（Mapping）形成圖像，以反應各種參數的平面均勻性，尤其是晶界和位錯分布，為光電子器件及太陽能電池的結構優(yōu)化和工藝改進提供參考依據。本設備可以廣泛應用到單晶硅、多晶硅、非晶硅、碲化鎘、銅銦鎵硒（CIGS）、有機半導體、染料敏化等各種傳統(tǒng)和新型材料的太

3、陽能電池研究，可以廣泛應用到GaAs、InP、GaN光電子器件的研究，克服了大面積光照下I-V測試與單點光譜測試的不對應性和不準確性，大大提高了光電子器件診斷精度。系統(tǒng)結構：下圖1.1為典型的LBIC系統(tǒng)結構示意圖。單色光束由激光器產生，依次經過擴束裝置和平面分束鏡，激光經擴束鏡后被準直，光斑被放大，經過平面分束鏡被分成垂直的兩束光，反射光束被激光穩(wěn)定性器接收以確定入射光的光強，而反射光束經由聚焦系統(tǒng)被會聚成微小光斑，照射至樣品表面。照射在樣品表面的光有一部分被反射，反射光逆著入射光方向照射到分束鏡上，其中的反射部分被反射信號探測器接收以確定反射光的光強。另一方面，樣品放置在可二維移動的固定裝

4、置上，利用計算機控制二維平移臺，使得樣品二維移動，從而能讓光斑在樣品上做二維掃描。樣品中產生的電流信號通過電極導出至信號調節(jié)系統(tǒng)，再被數據采集系統(tǒng)采集，數據傳輸至計算機成像。原理簡介：圖1.2為LBIC成像的等效原理圖。用鎖相放大器測量電池的短路電流時，得到的電流信號就是斬波器調制后的光束照射在電池局域部分產生的短路電流，與電池整體沒有關系。也就是：I測=I光照（x,y）測量得到的電流信號為局域短路電流，僅和局域電池特性（局域串并聯電阻、局域光生電流等）有關，因而LBIC圖像可反映電池的局域特性。短路電流主要受復合影響，因此LBIC圖像反映了電池的復合分布情況，這種復合分布主要由缺陷復合（如應

5、力、層錯、位錯、晶界等）引起。結合樣品反射率圖像由LBIC 圖像可導出樣品的內外量子效率以及有效擴散分布。每一點處波長為l的光照下的外量子效率可以表示為：EQE=IschceP()式中，Isc代表局域短路電流，h為普朗克常數，P()是光照強度。結合每一點的反射率R()可推導出各點的內量子效率為：IQE=EQE()11-R()而IQE()與有效擴散長度Le f f有關系式：IQE()-1=1+-1cosLeff式中，a為波長是的光對應的吸收系數，是光子在電池中的運動軌跡與垂直于樣品表面的平均夾角。圖1.1 LBIC系統(tǒng)原理圖圖1.2 LBIC等效原理圖1.2 技術參數：- 樣品尺寸：Max 20

6、0×160 mm2，Min 1×1 mm2- 激光波長：532和980nm，也可根據材料的光吸收系數而自行選配- 激光光斑：50m/100m可選- 測試電流范圍：1 A1 mA- 測試模式：LBIC，LBIV，內外量子效率，反射率，擴散長度，均為mapping成像- 掃描步長：0.05、0.1、0.2、0.5、1、2、4 mm（可根據實際需要自定義）- 掃描速度：15 points/s- 可進行單點或連續(xù)掃描（mapping）測試1.3 功能特點：- 并聯電阻逐點成像，觀察電池邊緣電隔離狀況，表征電隔離工藝的水平- 反射率逐點掃描成像，觀察鈍化膜的減反特性以及晶粒取向對減反

7、的影響- 可測太陽能電池微區(qū)的短路電流- 可測單波長反射率- 可測單波長量子效率- 表征電池表層缺陷（尺度大于 0.5 mm）- 表征電壓橫向擴展及表層電阻的均勻性- 晶界和位錯分布，為太陽能電池的結構優(yōu)化和工藝改進提供參考依據- 克服了大面積光照下 I-V 測試與單點光譜測試的不對應性和不準確性- 不同激光波長對電池進行表征，大大提高電池及光電子器件的診斷精度- 可依據用戶具體需求，特殊定制。1.4 安全注意：（1）激光對人體和眼睛具有潛在危害，嚴禁用激光照射他人，尤其眼睛。（2）不可將激光長時間照射到人體或易燃物體，以免因激光發(fā)熱引起事故。（3）調試激光過程中，需要佩戴激光防護眼睛，任何時

8、候不得裸眼探視光路。光路中放置良好的激光吸收材料，確保激光射向安全的地方，防止引起火災。（4）步進電機滑軌移動過程中，嚴禁用手觸摸滑軌，防止夾住手指，嚴謹兒童接近滑軌。（5）設備運行過程中，嚴禁在長時間無人監(jiān)視條件下運行，防止發(fā)生意外，引起不必要的事故。（6）定期檢查連接線，防止由于長期使用造成的老化，線皮脫落等情況構成安全隱患。二、產品配置及安裝：2.1 產品結構（1）54321儀器整體序號名稱說明1測試箱包括精密光學系統(tǒng)，激光器，CCD，標準探測器，測試平臺，探針，步進電機滑軌，抽氣泵接口等測試部件2控制箱用于放置萬用表，激光器控制電源，步進電機滑軌控制器，抽氣泵及其控制電源等控制部件3鍵

9、盤控制采集程序4顯示器顯示采集程序5鼠標控制采集程序（2）測試箱876序號名稱說明6光學系統(tǒng)由精密光學元件，激光器，CCD構成測試系統(tǒng)重要的光學部分7測試平臺用于放置被測電池樣品8步進電機滑軌承載被測樣品進行規(guī)定步長的步進掃描（3）控制箱1514131211109序號名稱說明9532nm激光電源控制532nm激光器的可調電源10萬用表NI USB-4065萬用表，用來測電壓信號和電流信號11滑軌控制器傳輸控制步進電機滑軌的控制信號12980nm激光電源控制980nm激光器的可調電源13電壓測量正極端口測量電壓信號時紅表筆插入14負極端口黑色表筆始終插入15電流測量正極端口測量電流信號時黑色表筆

10、插入三、系統(tǒng)功能及操作方法：3.1 系統(tǒng)功能：（1）光束誘導電流：特定波長下光束誘導電流逐點掃描成像（LBIC-Mapping），逐點觀察短路電流的均勻性、觀察表層缺陷（表層厚度隨波長吸收長度而定）。（2）光束誘導電壓：特定波長下光束誘導電壓逐點掃描成像（LBIV-Mapping），逐點觀察電壓橫向擴展的均勻性。（3）光反射率：通過CCD探測反射光，測試光反射率。（4）量子效率：逐點測量電池的外量子效率，內量子效率（測量內量子效率同時需要同時測量光反射率）（5）擴散長度：根據內量子效率，逐點計算擴散長度，得到擴散長度掃描成像。（6）樣品吸附：樣品臺附加吸附功能，便于激光掃描過程中樣品穩(wěn)定，電極

11、接觸良好。（7）軟件操作：控制軟件可由鼠標和鍵盤控制操作，適用于Windows Xp，Windows 7等操作系統(tǒng)環(huán)境。（8）系統(tǒng)由規(guī)范可靠模塊化部件組成，易于維護或更換部件。3.2 操作：3.2.1 測試前準備：（1）首先確保激光器電源，步進電機滑軌控制器正確連接電源，激光器和激光器電源之間連接正確，步進電機滑軌，萬用表，CCD與電腦控制線連接正確。（2）打開滑軌控制器后面板上的紅色電源按鈕。（3）將激光器可調電源的電流控制檔逆時針旋轉到底，保證電流處在最小檔，此時鑰匙開關和電源開關應處于OFF檔。（4）將需要波長的激光器電源開關打開至ON，再將鑰匙開關開至ON，此時顯示器屏幕上顯示的電流值

12、為0.00A或微小負值。等待兩分鐘，在設備運行正常情況下，緩慢順時針調節(jié)電流檔，直至需要的電流檔位。（為節(jié)省時間，在等待期間可以進行軟件預操作部分）（5）根據要測量量，調整萬用表表筆，測量LBIC，將紅表筆插入萬用表電流測量正極端口；測量LBIV，將紅表筆插入萬用表電壓測量正極端口。（6）合理放置樣品，注意探針防撞。如果樣品臺位置不適合放置樣品，運行LBIC測量系統(tǒng)，點擊平移臺控制調整滑軌位置，此在常見問題中提到。3.2.2 測試程序：（7）運行LBIC測量系統(tǒng)，進行初始量設置，如下頁圖中方框處所示，逐條對圖中兩方框處的初始量進行設置。（8）在上面設置完成之后，點擊“初始化設備”進行滑軌位置初

13、始化，CCD和萬用表初始化，在初始化過程中如果有任何設備未能啟動或啟動異常，分別點擊“平移臺控制”“萬用表查看”“CCD查看”來對應查看啟動異常原因。具體操作在常見問題中給出。注意：不選擇擴散長度測量時，只有萬用表啟動指示燈亮；選擇擴散長度測量時，萬用表啟動和CCD啟動指示燈會同時亮起。如果初始化設備之后對應燈不亮，或啟動過程中有問題提示出現，證明出現問題。（9）初始化完成后，點擊“標準化采集”按鈕，完成標準量采集。點擊此按鈕之前，應保證測試箱蓋關閉，遮光完好，并保證和之后測試條件一致。注意滑軌防撞。（10）點擊“開始掃描”開始測量，測量過程中注意不要更改測量條件，如果需要中斷調整，點擊“掃描

14、/中斷”按鈕，按鈕黃色為中斷狀態(tài)。3.2.3 數據保存及分析：（11）掃描完成后注意保存數據！如下圖中橢圓框所示，按格式輸入日期和片號，點擊保存數據。數據被保存在D盤下采集數據文件夾下。（12）如果想繼續(xù)掃描，點擊清除數據并重復510步驟，如果不需要繼續(xù)掃描，點擊停止。（13）點擊“數據分析”可進入數據分析程序，可以調出任何掃描數據進行觀察和數據提取分析。讀入數據之后，通過拖動光標選擇要選取分析數據的行和列，點擊“獲取波形”可以看到每行和每列數據的具體波形。163.2.4 關閉設備：（14）關閉所有采集程序。（15）將激光電流檔逆時針旋轉到最小，將鑰匙關至OFF，開關關至OFF。（16）關閉滑

15、軌控制器電源。（17）關閉電腦，使得CCD和萬用表得以關閉休息。四、測量結果展示：多晶硅電池 125´125 mm2多晶硅太陽能電池平面的光束誘導電流成像（LBIC，左圖）和電壓成像（LBIV，右圖）。如下圖4.1: 圖4.1 電流成像（LBIC，左圖） 電壓成像（LBIV，右圖） 上圖反映出缺陷的分布及短路電流的不均勻特性。左圖反映了電池平面內短路電流的不均勻分布，右圖反映了微區(qū)電壓的橫向擴展特性。單晶硅電池 1´1 cm2小面積單晶硅太陽電池光束誘導電流、電壓三維成像。如下圖4.2:圖4.2 電流三維成像（LBIC，左圖） 電壓三維成像（LBIV，右圖）可以直觀觀測微區(qū)

16、電壓橫向擴展特性。晶體硅短路電流掃描成像 1´1 cm2小面積晶體硅太陽電池的短路電流掃描成像，如下圖4.3:圖4.3晶體硅短路電流掃描成像 如上圖所示，左下角黃色說明短路電流減小，即有泄漏，反映了電池制備過程中的工藝問題（這里為掩膜開裂等工藝問題）。晶體硅短路電流、并聯電阻二維分布借助電源表反向偏置，逐點測量短路電流，獲得二維電流分布（圖4.4左）；借助電源表在微偏置電壓下，獲得并聯電阻二維掃描圖像（圖4.4右）。圖4.4 1´1 cm2晶體硅電池短路電流二維圖（左） 1´1 cm2晶體硅電池并聯電阻二維圖（右）如上圖左圖所示，其中黑白相間的弧線反映出襯底中雜質

17、紋路（黑心硅）。如右圖所示，通過右側數值標定，可以清楚地看到整個平面內并聯電阻阻值在(1.53.5)´106 W內變化，左下角高于右上角；右中花斑為電極焊盤。石墨烯電池 通過LBIC圖像可以確定石墨烯電池的有源區(qū)大小和位置，并在一定的分辨率下觀察其光電響應的分布狀況。如下圖4.5所示：掃描圖中中間亮度很高的正方區(qū)域就是該石墨烯電池的有源區(qū)。圖4.5石墨烯電池LBIC圖像由上圖中，可以看到有源區(qū)中有兩個暗斑，說明這兩處存在缺陷。有機電池 該有機電池是由6條有機太陽電池組合而成，對其進行短路電流掃描，可得如下圖4.6所示：圖4.6 有機電池短路電流掃描圖像 由上圖可知，這6條電池的光電性能不一致，并且每塊電池的光電性能也不均勻，下面三條要優(yōu)于上面三條，這表明器件性能不均勻特性與制備工藝有關。五、產品的售后維修：5.1 保修服務：自儀器驗收日起，凡在保修范圍內儀器出現任何質量問題，客戶可憑借發(fā)票或保修證明進行維修或替換，保修期一