本發明涉及硅基光電器件少數載流子傳輸參數的無損檢測方法，尤其是涉及一種非接觸式硅基光電器件少數載流子壽命檢測儀及檢測方法。

背景技術：

隨著新型半導體材料制備技術的發展，高性能、高轉化效率的太陽能電池需求不斷增大，現代太陽能電池工業需求已達到GW量級。半導體材料制備質量控制與評價已成為關鍵問題。眾所周知，少數載流子壽命是衡量半導體及其產品的重要參數。

目前代表性的半導體少數載流子壽命檢測技術主要有電致發光(Electroluminescence-EL)、光電導衰減檢測(Photoconductance decay-PCD)、光致發光檢測技術(Photoluminescence-PL)和光熱福射檢測技術(Photothermal radiometry-PTR)等。其中電致發光(EL)一般適用于具有PN結的太陽能電池結構，根據發光的強弱可以快速檢測材料載流子壽命的分布，該方法快速、準確，但需要施加偏置電壓，這與太陽能電池發生接觸易造成二次破壞，同時要求有電極。光電導衰減檢測(PCD)是一種準確快速且無接觸的測試方法，但該方法對待測半導體樣品的形狀尺寸和電阻率有一定要求，并且測量的是半導體的平均載流子壽命，難于實現少數載流子壽命分布的測量，另外，當測量載流子壽命較短的半導體材料時，則需電子學設備快速記錄光脈沖和光電導衰減信號，其靈敏度低。光熱輻射檢測技術(PTR)是一種非接觸的無損檢測方法，應用于半導體材料少數載流子壽命檢測時，其計算量大，分析復雜。光致發光檢測(PL)是一種快速、非接觸檢測半導體硅片的少數載流子壽命的檢測方法，該方法可實現半導體硅片少數載流子壽命分布的快速檢測。

盡管目前存在基本成熟的少數載流子壽命分布檢測方法，這些方法各有所長，也各有其局限性。調制光致載流子輻射發光(MPL)檢測技術具有快速、非接觸、分析簡單、靈敏度高、無需因更換被測樣品重新校準儀器等優點，可實現半導體樣件的少數載流子壽命檢測與分布，且少數載流子壽命分布的分辨率高。因此，實現高效可靠檢測半導體少數載流子壽命分布具有重要意義。而目前這種調制偏振光致載流子輻射發光檢測技術應用方法只在實驗室內進行使用，并且通常是在太陽能電池的同一面進行激發以及收集光源，這樣對其收集到的光源有一定的影響，且在對光源進行激發和收集需要多組鏡片組合，較為復雜，不能夠實現自動化逐點掃描式探測，后期形成的少數載流子壽命分布圖很不準確，影響檢測結果。

技術實現要素：

為了解決上述問題，本發明提供一種非接觸硅基光電器件少數載流子壽命檢測儀及檢測方法。

本發明解決上述問題所采取的技術方案是：一種非接觸硅基光電器件少數載流子壽命檢測儀，包括用于放置硅基光電器件的放置臺、光源、探測器、與探測器電連接的信號放大器、與信號放大器電連接的鎖相放大器、與鎖相放大器電連接的處理控制單元、與鎖相放大器以及處理控制單元均電連接的函數發生器，所述的函數發生器與電光源連接，當硅基光電器件放置于所述放置臺上時，硅基光電器件位于所述的光源與探測器之間。

進一步具體的，所述的光源由多個且呈陣列排布的子光源組成，所述的探測器由多個且呈陣列排布的子探測器組成，所述的信號放大器的個數與子探測器的個數一致且兩者一一對應連接，所述的鎖相放大器的個數與信號放大器的個數一致且兩者一一對應連接。

進一步具體的，所述非接觸硅基光電器件少數載流子壽命檢測儀還包括驅動所述的放置臺在所述放置臺所在平面上移動的XY軸移動機構，所述的XY軸移動機構與處理控制單元電連接。

進一步具體的，所述的光源采用波長為780nm的發光二極管制得的紅外光源。

進一步具體的，當硅基光電器件放置于所述放置臺上時，所述的探測器與硅基光電器件之間的距離為1mm～2mm。

進一步具體的，所述放置臺位于所述的光源與探測器之間，所述的放置臺上設置有用于放置待測物片的透光區域，所述的硅基光電器件位于透光區域上時，所述硅基光電器件位于所述的光源與探測器之間。

進一步具體的，所述的透光區域采用半透明的毛玻璃制作而成。

進一步具體的，所述非接觸硅基光電器件少數載流子壽命檢測儀還包括位于所述的探測器前端的濾光片。

一種基于非接觸硅基光電器件少數載流子壽命檢測儀的非接觸硅基光電器件少數載流子壽命檢測方法，所述的檢測方法為：

S1：將所述硅基光電器件固定于所述放置臺上；

S2：通過函數發生器激發光源按周期性波形的強度發光，光照射在硅基光電器件上使硅基光電器件發光，通過探測器在硅基光電器件背離光源的另一側進行光信號的收集；

S3：探測器將光信號轉化為電信號傳輸給信號放大器；

S4：信號放大器對電信號進行第一次放大形成第一次放大信號后傳輸給鎖相放大器；

S5：鎖相放大器對第一次放大信號進行第二次放大同時通過鎖相放大器處理后得到信號的幅值以及光源強度與硅基光電器件所發光強度之間的相位差；

重復上述步驟,探測器對硅基光電器件進行多點探測得到一組幅值和相位差，最后通過數學公式計算得到少數載流子的壽命分布；利用幅值與相位信息計算少數載流子壽命的公式如下：

$I_{AC}\∝\frac{1}{\sqrt{1+{\left({\mathrm{\ω\τ}}_{eff}\right)}^2}}$

φ＝-arctan(ωτ_eff)

其中I_AC為熒光信號的相對幅值，φ為熒光信號與信號發生器輸出信號之間的相位差，ω為正弦信號的角頻率，τ_eff為所要測量的少數載流子壽命。

進一步具體的，所述的光源采用波長為780nm的紅外光源，其強度按正弦波的規律變化。

本發明的有益效果是：通過探測得到的幅值以及探測得到的相位與原來的相位進行對比得到相位差，并通過相應的計算公式計算得出少數載流子壽命參數，在更換不同規格的硅基光電器件時不需要進行校準即可直接使用，將硅基光電器件置于光源與探測器之間，能夠很好的減少光源對檢測的影響，提高測量的準確性，通過多點式的探測，很容易得到少數載流子壽命的分布圖，進而判斷硅基光電器件的生產質量，提高檢測的效率。

附圖說明

圖1是本發明檢測儀第一種實施例的結構示意圖；

圖2是本發明檢測儀第二種實施例的結構示意圖。

圖中：1、紅外光源；2、探測器；3、信號放大器；4、鎖相放大器；5、處理控制單元；6、函數發生器；7、放置臺；8、硅基光電器件；8’、硅基太陽能電池；9、XY軸移動機構；10、透光區域；11、紅外光源組合；21、探測器組合；31、信號放大器組合；41、鎖相放大器組合。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作詳細的描述。

非接觸硅基光電器件少數載流子壽命檢測儀有兩種實施例。

下面硅基光電器件8以硅基太陽能電池8’為具體實施描述，但本申請的保護并不僅僅限于硅基太陽能電池8’。

如圖1所示第一種檢測儀的實施例：首先設置一個放置臺7，放置臺7的中心位置為透光區域10，在透光區域10上安置半透明毛玻璃平板，硅基太陽能電池8放置在半透明毛玻璃平板上并完全覆蓋住，在放置臺7的內部為紅外光源1，在放置臺7的上方為探測器2，硅基太陽能電池8’位于紅外光源1與探測器2之間，探測器2通過線纜與信號放大器3連接，信號放大器3通過線纜與鎖相放大器4連接，鎖相放大器4通過線纜與處理控制單元5連接，處理控制單元5通過線纜與函數發生器6連接，函數發生器6通過線纜分別與鎖相放大器4以及紅外光源1連接，信號放大器3、鎖相放大器4、處理控制單元5以及函數發生器6均集成于同一PCB板上。

為了能夠完成多點掃描式探測，其放置臺7通過XY軸移動機構9實現在水平方向上的平移，XY軸移動機構9通過處理控制單元5進行控制，通過計算機提前設置其掃描軌跡，放置臺7按照掃描軌跡進行運動。

XY軸移動機構9通過在放置臺7下方設置X向的移動滑軌以及Y向的移動滑軌并在X向與Y向各設一電機實現X向和Y向的移動，電機通過處理控制單元5進行控制。

進一步不僅可以設計為放置臺7移動，也可以使固定探測器2的機架實現X向和Y向的移動，也可以通過設計放置臺7在X向或Y向移動同時固定探測器2的機架在Y向或X向移動。

第一種檢測儀的實施例能夠實現自動化逐點進行掃描探測，需要通過一定的機械結構的設置保證其移動的控制，在實際使用過程中，機械結構的運動需要一定的時間，而所檢測的硅基太陽能電池8’需要檢測多個點，時間耗損較長，影響了檢測效果，故本發明提出第二種檢測儀的實施例。

如圖2所示第二種檢測儀的實施例：第二種檢測儀包括第一種檢測儀的主要部件，在第一種檢測儀的基礎上，不再需要移動的機械結構，放置臺7以及固定探測器2的機架是固定不動的，光源由若干個波長為780nm的發光二極管陣列排布組成紅外光源組合11，與其相應的探測器由若干個紅外探測器陣列排布組成探測器組合21、由若干個子信號放大器陣列排布組成信號放大器組合31、由若干個子鎖相放大器陣列排布組成鎖相放大器組合41。探測器組合21中的子探測器探測的硅基太陽能電池8’的熒光，將熒光信號轉化為電信號傳送給信號放大器組合31中的子信號放大器進行信號放大，之后將信號傳送給鎖相放大器組合41中的子鎖相放大器進行信號放大并得到幅值以及相位差，之后將信號發送給處理控制單元5處理后輸出。

在實際使用中可以將探測器組合21、信號放大器組合31以及鎖相放大器組合41設計成模塊結構，需要使用的時候，將若干個模塊拼接起來，方便對不同規格不同尺寸的硅基太陽能電池進行快速檢測，提高效率。

第二種檢測儀實施例實現了花一次探測的時間完成整個硅基太陽能電池8’的探測，節省了大量時間，提高了實際檢測效率，第二種檢測儀實施例克服了依賴機械平臺逐點掃描等缺陷。這是一種簡單、快速、準確獲取少數載流子壽命分布的非接觸式無損檢測方法。

上述兩種實施例均可以進行自動化檢測，解決了現有技術中使用復雜光學系統對焦、濾光片除雜散光等缺陷，實現了工業化產品的質量監督，提高了生產效率以及檢測精度，不需要進行校準，提高了適用范圍。

依據上述實施例非接觸硅基光電器件少數載流子壽命檢測方法為，

用于放置硅基太陽能電池9的放置臺7中央部分為透光區域10，透光區域10安裝半透明毛玻璃平板，硅基太陽能電池8’平放于放置臺7上，要求硅基太陽能電池8’形狀尺寸略大于半透明毛玻璃平板部分，可以做到完全覆蓋該部分。

處理控制單元5通過線纜連接到函數發生器6，控制函數發生器6產生特定頻率的正弦信號，該信號通過線纜輸出到紅外光源1的供電部分，通過調制電源電壓/電流/功率以實現輸出的紅外光強按照同頻率正弦規律變化。此處激發的光的強度并不限于正弦波，其它呈周期性變化的波形也可以使用。

紅外光源1使用波長為780nm的發光二極管，輸出的調制光投射到放置臺7下表面，放置臺為半透明毛玻璃材質，通過其散射作用在放置臺7的上表面形成均勻的發光面，照亮置于其上的硅基太陽能電池8’的下表面，使硅基太陽能電池8’各部位被光均勻激發，產生非平衡少數載流子。

非平衡少數載流子輻射復合，從硅基太陽能電池8’的上表面發出熒光，硅基太陽能電池8’不同部位發出的熒光通過探測器2多點掃描式獲得或者通過組成陣列形式的探測器組合21同時獲得；當為探測器組合21時，同時紅外光源1也可由若干個發光二極管組成陣列形式的紅外光源組合11，使用時探測器組合21必須盡可能貼近但不接觸硅基太陽能電池8，位于硅基太陽能電池8’上方1～2mm高處，而紅外光源組合11也由同一函數發生器6激發得到相同正弦規律的光強度；光源也可以使用其它形式的光源，在實際操作中紅外光源1為效果最好。

探測器2將熒光進行光電轉換得到電信號，通過線纜輸出到信號放大器3進行第一次放大。當為探測器組合21接收到熒光進行光電轉換時，與其連接的信號放大器3也由若干個陣列排布形成信號放大器組合31，其中子探測器與子信號放大器為一一對應連接。

信號放大器3將放大的信號通過線纜輸出到鎖相放大器4內進行第二次放大。當為信號放大器組合31時，相應的與其連接的為由若干個子鎖相放大器陣列排布形成的鎖相放大器組合41，其中子信號放大器與子鎖相放大器為一一對應連接。

鎖相放大器3或者鎖相放大器組合31在放大信號的同時計算熒光信號的幅值和熒光信號與函數發生器6輸出信號之間的相位差，輸出到處理控制單元5進行信號處理。

處理控制單元5利用幅值與相位信息計算少數載流子的壽命，并輸出少數載流子壽命分布圖。

利用幅值與相位信息計算少數載流子壽命的公式如下：

$I_{AC}\∝\frac{1}{\sqrt{1+{\left({\mathrm{\ω\τ}}_{eff}\right)}^2}}$

φ＝-arctan(ωτ_eff)

其中I_AC為熒光信號的相對幅值，φ為熒光信號與信號發生器輸出信號之間的相位差，ω為正弦信號的角頻率，τ_eff為所要測量的少數載流子壽命。

通過對少數載流子壽命分布圖的分析，可以得出硅基太陽能電池8’質量的好壞，從而根據實際情況對硅基太陽能電池8’的生產工藝進行改進。

需要強調的是：以上僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。