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            2. 行業應用
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              薄膜太陽能應用---- CIGS(銅銦鎵硒)和CdS(硫化鎘)的薄膜厚度測量


              銅銦鎵硒作為第三代太陽能電池應用于光伏產業,具有性能穩定、抗輻射能力強,光電轉換效率高的特點。

              在此,我們使用MProble VisNIR薄膜測厚儀測量了Mo(鉬)基底上的CIGS(銅銦鎵硒)和CdS(硫化鎘)薄膜的厚度。反射率的測量范圍在400-1700nm,我們首先用可見光(400-900nm)范圍波長來測量CdS(硫化鎘)薄膜的厚度和表面粗糙度,近紅外(900-1700nm)范圍波長用來測量CIGS(銅銦鎵硒)薄膜的厚度,因為通常情況下CIGS(銅銦鎵硒)在可見光范圍內是不透光的。800-1000nm的透光范圍對于測量CIGS(銅銦鎵硒)薄膜的厚度是很重要的。

              CIGS(銅銦鎵硒)是由四種元素組成的材料,我們利用已知化學組成的CIGS(銅銦鎵硒)折射率和消光系數來估算未知CIGS(銅銦鎵硒)的化學組成。


              圖1. 不同化學組成的CIGS(銅銦鎵硒)的折射率(n)和消光系數(k)

              一、Mo(鉬)基底上的CIGS(銅銦鎵硒)層厚度的測量

              CIGS(銅銦鎵硒)薄膜結構:CIGS_rough.em2/2.5 um CIGS_mis.comp/Mo,其中CIGS_mis.comp是一個銅銦鎵硒混合模型,軟件可以代入已知銅銦鎵硒化學組份,CIGS_rough.em2代表表面粗糙度(銅銦鎵硒+空隙的有效近似模型)。數據分析的優化:

              a. 銅銦鎵硒薄膜層和粗糙層的材料是相同的,且兩層是相連的。

              b. CIGS_rough.em2只代表部分粗糙效應,并不代表光散射,光散射模型使用Kirchoff近似模型。

              c. 500nm一下的反射率非常低(小于0.5%),所以400-500nm的反射率數據幾乎沒用處,計算時去除400-500nm的反射率數據。

              計算參數:

              1. 銅銦鎵硒薄膜層的厚度(d1)

              2. 銅銦鎵硒的化學組成

              3. 粗糙度層的厚度(d2)

              4. 均方根粗糙度(與d2層的厚度接近,但需要單獨計算)

              如圖2-圖6所示,模型曲線與測量得到的反射率曲線非常吻合。


              圖2. 樣品1測量結果,曲線擬合度很好,

              銅銦鎵硒薄膜層的厚度:2.58um+93nm(粗糙度),銅銦鎵硒的化學組成:44%。

              RMS:85nm

              圖3. 放大后的擬合曲線(圖2),測量得到的反射率曲線與模型曲線高度擬合圖4. 樣品2測量結果,曲線擬合度很好,

              圖4. 樣品2測量結果,曲線擬合度很好

              銅銦鎵硒薄膜層的厚度:2.0um+76nm(粗糙度),銅銦鎵硒的化學組成:43%。


              RMS:67nm

              圖5. 樣品3測量結果,曲線擬合度很好,

              銅銦鎵硒薄膜層的厚度:2.3um+97nm(粗糙度),銅銦鎵硒的化學組成:35%。

              RMS:97nm

              圖6. 樣品4測量結果,曲線擬合度很好,

              銅銦鎵硒薄膜層的厚度:1.71um+100nm(粗糙度),銅銦鎵硒的化學組成:27%。

              RMS:97nm

              圖7. 樣品4掃描電鏡銅銦鎵硒薄膜層的厚度測量結果:1824nm,與圖6的測量結果一致(1.71um+100nm)

              二、測量Mo(鉬)基底上的CdS(硫化鎘)和CIGS(銅銦鎵硒)薄膜厚度

              硫化鎘層積在粗糙的銅銦鎵硒層表面,與銅銦鎵硒的粗糙表面形成共形覆膜,相比于單獨的銅銦鎵硒薄膜,其結構更復雜:硫化鎘+銅銦鎵硒+空隙,需要用以下膜層結構來分析數據:100nm CdS (rough)/1.7um CIGS/Mo。

              我們測量的三個Mo(鉬)基底上的CdS(硫化鎘)和CIGS(銅銦鎵硒)薄膜樣品的厚度,如圖8-圖10所示

              圖8. 硫化鎘樣品1測量結果,曲線擬合度很好,銅銦鎵硒薄膜層的厚度:1.54um,硫化鎘薄膜層的厚度:77nm,RMS:61nm,銅銦鎵硒化學組成:45%,硫化鎘層中的孔隙率:20%

              圖9. 硫化鎘樣品2測量結果,曲線擬合度很好,銅銦鎵硒薄膜層的厚度:1.82um,硫化鎘薄膜層的厚度:95nm,RMS:95nm,銅銦鎵硒化學組成:51%,硫化鎘層中的孔隙率:8%

              圖10. 硫化鎘樣品3測量結果,曲線擬合度很好,銅銦鎵硒薄膜層的厚度:1.77um,硫化鎘薄膜層的厚度:87nm,RMS:81nm,銅銦鎵硒化學組成:51%,硫化鎘層中的孔隙率:18%


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