專利名稱:用于光電池的紋理定量分析的光學方法和裝置的制作方法
技術領域:
本發明涉及生產工程產業,并且尤其涉及與光電池生產相關的行業,因此它對代用能源行業也具有意義。本發明涉及用于紋理化單晶硅表面的方法的控制,不過它也可以應用于在硅和其它多晶體(multicrystalline)和多晶(polycrystalline)半導體表面上生長出的紋理。
背景技術:
降低電池感光側的光學反射率是制造過程中提高光電池將入射光轉換為電能的效率所必須的重要步驟。這是通過在電池表面上施加防反射涂層和引生輪廓分明的紋理來實現的。這兩種效果經常是相繼實現的。
在紋理形成過程期間,電池會生長出粗糙的表面形態[1,2]、多孔或充斥腔體(cavity-ridden)的形態[3,4或有多小面的形態[5],這些形態能夠在光一去不回地逃逸到入射介質(典型地是大氣或透明涂層)之前實現多次反射,并且借助全內反射額外地俘獲進入有效邊界區域的長波光(接近于Si間隙的紅外光)。
由于水晶材料成本較高,因此工業上生產光電池的技術將注意力都集中在硅襯底(Si)上,不過選用了數種晶體質量等級。質量最高的電池使用單晶硅(c-Si)。也使用多晶體硅(mc-Si),其中幾種晶粒具有相同的取向。目前,正在努力提高多晶硅(p-Si)薄板的性能。用于使這三種不同類型的Si形成紋理的方法也是不同的。
在單晶硅晶片中生長紋理的常用方法是化學表面處理或蝕刻,也就是,將晶片浸入腐蝕槽中,優先地腐蝕掉某些硅晶體平面[6,7],產生隨機分布的具有正方形底部的角錐形結構(附圖1和2),在這種情況下,所有的角錐都給出相互平行的表面。角錐的這種特定形狀是由硅的立體對稱和由優先化學蝕刻處理引生的平面(111)的形態造成的。在典型情況下,當紋理化程度較高時,角錐底部的邊長是≈5-10μm,并且角錐側面相對于襯底表面的傾斜角度(α)接近于但又小于平面(111)和(100)之間的切割角,或者說54.735°。傾角α略取決于產生紋理的化學蝕刻處理的細節,并且觀察到的值在α=49-53°的范圍內變化。這種類型的紋理的出現與用于蝕刻處理的化學試劑無關,這些化學試劑可以是NaOH[7]、Na3PO412H2O[8]或Na2CO3[9]。這種紋理化方法的變形形式是形成倒角錐[10],不過在這種特定情況下,紋理的幾何形狀是周期性的并且可以由廠家借助光刻工藝預先確定。
為了表征防反射涂層,所使用的技術和器具(分光光度計、干涉儀和橢圓偏振計)都是基于光學方法的,這樣在不與電池建立物理接觸的情況下就能夠實現測定,不過,表面紋理的研究通常是通過掃描電子顯微鏡(SEM)或使用表面光度儀和掃描力顯微鏡(SFM)以接觸或不接觸的方式完成的。除了利用這些技術帶來的成本較高以外,使它們作為電池紋理的質量控制系統適應于工業也存在著某些困難。掃描電子顯微鏡(SEM)要求在電池周圍有較低壓力的環境才能工作,并且在電子束入射的作用下,所分析的區域可能遭到破壞。而且,進行分析所需的時間明顯超過生產過程所要求的處理速度。另一方面,表面光度儀要么以接觸模式工作要么以光學模式工作,在接觸模式下,可能會劃傷電池,在光學模式下,雖然沒有接觸,但是這種工作模式是為了在平坦表面上工作而開發的,不能很好地適用于高低不平的且有多小面的表面,因為反射不是鏡面反射。掃描電子顯微鏡和表面光度儀所需的分析時間都處于數十分鐘的量級,因此遠長于生產線中單個電池分析所要求的時間(處于數秒量級)。
以前的研究工作將重點放在了有紋理光電池的光學反射率上[11,12]。這些文章發表了全反射率或漫反射率的積分測量或者即使法向入射的情況下的鏡面反射率的測量。所使用的準直光源是具有光譜相干性的HeNe激光器。為了進行與非相干光相關的測量,使用石英燈作為光源,并且對光束進行聚焦(非準直的)。忽略在周期性紋理中觀察到的[11]和與多光束(與HeNe激光相干性有關)的干涉相關的效應,這些著作中分析的光強度的圖案具有關于測量軸線成圓對稱的形狀[11]。這些著作的目標不是分析紋理化的程度(這一程度是預先就已經知道的),而是評估紋理的光俘獲效果。
所發明的方法和所提議的裝置的目標在于,開發出適于在生產線中實現的量化分析Si晶片中的紋理程度的非接觸方法。它主要適合于試驗或隨機紋理化,不過它也可應用于表現出周期性的紋理。因此,它是具有高級性能的測量器具,使得用戶能夠在化學蝕刻處理之后立即精確地且瞬間地了解各個單個電池的紋理程度。較早檢測出具有低程度紋理的電池能夠實現重新處理,避免了在以后不得不廢棄它們,并且因此避免了與這一行為相關的生產成本增加。本方法基于準直光束的反射的分析,不需要光具有高光譜相干性,利用激光源不是必要條件,不過處于使用的目的,使用激光光源是可取的選擇。
前述角錐的最佳形成取決于多種因素,比如溫度、槽溶液的pH值、浸泡時間和晶片在槽中的位置以及晶片表面的初始狀態等等。槽的老化程度也起到重要的作用。因為化學蝕刻處理的效果并不是累加的,而是在達到最大紋理程度(由角錐覆蓋的晶片面積最大)之后,這些角錐之后會變平和消失,較早檢測出紋理減少使得我們能夠在每個給定時刻了解用于生長角錐的化學槽的狀態,因此,在當觀察最終產品時明顯看出化學槽惡化之前,我們可以采取適當的行動。按照這種方式,可以達到兩個目標一個目標是借助控制所需成分的添加來延長槽的壽命,而另一個目標是避免將可能會造成在處理結束時預期的最佳效率降低的中等紋理化程度引入到生產線中。
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發明內容
發明人要求保護用來確定材料(除了其它材料之外,是典型用作光電池的硅晶片)的紋理化程度的方法和裝置的發明。
所提出的用于確定紋理化程度的技術本質上在于,用準直光束照射晶片的表面并且對光學反射的圖案進行定量評價。在下文中,我們將激光稱為用于這種處理方法的源,因為它們具有總體上良好的準直屬性,而不是想要用它表達激光的相干特性對本發明具有決定性的影響。
在最簡單的組件中,入射光穿過在平面屏幕上制作的開口,在該屏幕上,可以看到晶片反射的光(附圖3)。在分析沒有紋理的晶片時所觀察的反射圖案是具有圓對稱結構的中心點(附圖4),這是由于光在晶片的不平表面和有缺陷表面上的分布造成的。具有高紋理程度的晶片的光反射圖案是前面提到的中心點,但是看起來強度較低并且伴有相對于入射光束的方向具有四階對稱結構的四個圓形區域(附圖5)。后一種反射圖案是由于在角錐的四個側面上的反射造成的。證據是,當晶片在入射激光束建立的軸上旋轉時,反射圖案也與晶片一起旋轉。應當注意,由晶片反射的光相對于入射光不會表現出明顯的偏振變化,并且反射光圖案的角張口(opening)不受所使用的光的波長的影響,這證明它與樣本的微觀小面上的鏡面反射相關。
本發明的方法和裝置都可應用于通過在支撐光電池的襯底的表面上生長相關幾何圖案來表征的那些紋理形態。這些圖案可以具有各自的尺寸,并且兩個連續圖案之間的距離可以是隨機的或恒定的,但是在所有情況下,所有多面形的構成該多面形的面必須是相互平行的。這些形態可以通過多種處理方法形成,比如單晶Si的化學蝕刻,不管是形成正向還是倒置的角錐。所介紹的方法還可以用于研究其它在多晶體Si中生長出的紋理和在前面提到的條件下預先進行了紋理化的襯底上沉積出的多晶硅中存在的紋理的程度。它還可以應用于給出類似紋理圖案的其它材料。
具體實施例方式
如上所述,本方法需要確定與有紋理的表面(尤其是那些已經進行了用來獲得角錐形狀的化學蝕刻的Si表面)相關的反射圖案,該反射圖案是由法向入射的激光束的光產生的。將這一圖案采集在平坦的屏幕上,如附圖3a所示。按照反射法則,對于由相同的角錐形狀構成的表面,預期的圖案應該由四個對稱地位于入射光束的軸線周圍的點構成,不過,存在缺陷、非紋理化表面等會造成對與紋理化相關的強度構成損害的法向反射增大,這是本方法的基礎。
可以使屏幕的幾何形狀適合于設計的環境。附圖3a和3b分別表示可供選用的一些屏幕,包括球形或半球形屏幕,將晶片置于屏幕的中央,還有回轉橢球型的屏幕,其中入射光束通過該屏幕的焦點并且合乎要求定向的晶片位于橢球的另一個焦點上。所有這些設計共有共同的特點。在法向上反射的光束與入射光束重疊,因此,使得測量在晶片法向上反射的光比較困難。這一問題的技術解決方案將在本文中加以進一步介紹。
紋理程度的測量結果是通過將具有四階對稱結構的反射圖案的強度與法向反射表現出的強度進行比較而獲得的。為此,需要將光電二極管放到屏幕上并且放在最大值的位置上,以記錄光的強度。按照更加精細的形式,檢測可以是借助CCD檢測器或通過分布在屏幕上的光電二極管矩陣完成的。光源可以是具有良好的準直屬性(典型的是1.5mRad或更低)的、在λ=500-800nm的區域內發光的低功率單模激光器(<10mW),典型地是HeNe激光器(λ=633nm),或者是帶有準直光學器件的半導體二極管(λ=750-850nm),或者是具有紅外發光體(λ≈1060nm)或Nd3+(λ≈1060nm)的這些激光器之一,在這兩種情況下都與倍頻器協同工作。
與中等紋理圖案對應的反射圖案表現出具有對稱結構的最大強度,這些圖案對應于構成紋理的幾何結構的表面的數量,不過它們可能看起來是由強度較低的帶連接起來的。這種情形可以在與經過25分鐘處理的由四面角錐形成的晶片的反射相對應的圖像中見到,如附圖5所示。
為了表征表面紋理的程度,定義了G參數,該參數G是具有四階對稱結構的圖案的最大值上的反射強度I4n(n=1-4)的總和與法向上反射到晶片表面的強度IN之間的關系G=Σn=1-4I4nIN]]>這是一個非線性函數,對于沒有紋理的晶片,它的值理想地為零,對于具有理想紋理的晶片,它的值為無限大,不過它的值受到具有圓對稱結構的圖案與表現為四階對稱的圖案之間的重疊的限制。該參數并不受激光束強度的影響。
還有用于表征紋理均勻度的第二組參數χn=I4nΣn=1-4I4n]]>用參數xn除以它的平均值xn表示紋理均勻度的缺欠程度。均勻的紋理具有下述關系對于各個n值,都有xn/xn=1。
到目前為止介紹的系統使得我們能夠分析激光束照射的平均面積(average area),典型地<0.5×0.5mm2。要將該系統結合到生產線中,需要能夠對晶片進行二維分析。晶片典型地具有直徑為15cm的圓形形狀。這種二維分析可以通過移動晶片或通過移動用于進行投射的光學系統來對晶片進行xy掃描而得以實現,不過,可移動單元使得設計更為復雜并且從長遠的觀點看,要求進行重新校準和維護。下面介紹的裝置使得可移動單元最少,并且能夠在晶片在傳送帶上沿著y方向(附圖6)移動的同時實現所述晶片內多個點的同時分析。
移動方向的分析是通過以與晶片的移動速度有關的恒定的時間間隔催動測量系統來實現的。x方向的分析是借助將初始激光束分成數個強度相等垂直指向(z方向)晶片的光束,在晶片內的數個點上同時進行的。
在這種特定的情況下,激光束輻射必須是線性偏振的。將在x方向上傳播的初始強度為I0的激光束分成數個指向z方向的等強度I0r1的二級光束。為此,使用了N個對入射光的偏振不敏感的分束器,并且將這些分束器校準成它們的反射率滿足下列關系rn=rn-11-rn-1]]>其中n=1...N,并且r1=1N+1]]>第二組與λ/4板相組合的對偏振敏感的分束器使得我們能夠將反射光朝向檢測器重新定向。命中第二組分束器的入射光束必須是y方向上線性偏振的,并且按照這種方式,它能夠由該分束器傳送。適當定向以致它的軸線處于離開xy軸45°的角度上的λ/4板將光轉換為圓偏振光,并且在從晶片上反射且經歷λ/4板中新的傳輸之后,光在x方向上發生線性偏振,并且它由y方向上的偏振分束器完全反射。最后,透鏡(前面提到的)對圖像進行準直校準,以便將其投影到檢測器矩陣上,在該檢測器矩陣上,由光電二極管檢測反射光束的強度并且按照前面介紹的標準對其進行分析。我們建議,使用最適合于生產中采用的激光的波長和發光范圍的干擾濾光器并且將該干擾濾光器放在光電二極管矩陣的前面,使光學檢測系統與環境光隔離開。
附圖1 用NaOH進行了化學蝕刻之后,通過掃描電子顯微鏡獲得的基于正方形的角錐的圖像。角錐側面之間形成的角度是通過該圖像計算出來的,并且這些面相對于晶片平面的傾角在根據實驗的非確定范圍內與平面(111)Si和平面(111)Si-(100)Si之間的預計值一致,分別為70.53°和54.73°。
附圖2 表示由掃描電子顯微鏡獲得的通過使用NaOH進行化學蝕刻得到的基于正方形的角錐的頂視圖。可以觀察到,所有的角錐都表現出相同的取向,這使得反射圖案是通過四點對稱地位于照明軸周圍而形成的。
附圖3a 借助平面顯示器對紋理化硅表面進行觀察的反射圖案觀察裝置的簡單示意圖。
附圖3b 借助球形顯示器對紋理化硅表面進行觀察的反射圖案觀察裝置的簡單示意圖。該附圖中的圖形表示截面圖。
附圖3c 借助回轉橢球顯示器(在內部起到反射器的作用)對紋理化硅表面進行觀察的反射圖案觀察裝置的簡單示意圖。該附圖中的圖形表示截面圖。
附圖4 非紋理化(100)Si表面的光學反射圖案。可以觀察到最強中心點周圍的圓對稱。這個點對應于入射光束。
附圖5 高度紋理化(100)Si表面的光學反射圖案。可以觀察到最強中心點周圍的四階對稱。這個點對應于入射光束。
附圖6 為了采用光學手段表征(100)Si晶片中的紋理的程度而提出的裝置的示意圖。
附圖7 在進行產生表面紋理的化學蝕刻處理之前(t=0min)由晶片(100)c-Si反射的光的強度的角分布與在進行了為期25分鐘的蝕刻處理的樣本中得到的紋理的反射光的強度的角分布之間的比較,其中θ是相對于晶片表面的法向的觀察角,以度表示。
附圖8 沿法向入射到(100)Si的紋理化表面上的光線的多次反射的示意圖。
附圖9 結合在NaOH和i-C3H7OH的水溶液中對(100)c-Si晶片進行化學處理所花費的時間的紋理參數G的演變過程。標有“LAB”的晶片是在試驗槽中進行了紋理化的晶片,而標注為“PL”的晶片是在太陽能電池生產廠的生產線中進行了紋理化的晶片。
本發明的實施方式的實例依照所提出的測量反射圖案的方法,附圖7給出了由未加處理的單晶硅Si(100)晶片反射的光的強度的角分布與在NaOH和i-C3H7OH的5dm3水溶液中進行了處理的晶片的分布之間的比較。光強度測量是在各種不同θ角下完成的。這一角度是在包含入射光束的平面上變化的,并且該平面垂直于晶片的表面且平行于角錐底部的各邊之一。除了在非紋理晶片中也有的中心最大值(θ=0)之外,還在θ=22°上觀察到了兩個橫向最大值,相當于光束在角錐的側面上反射了兩次,如附圖8所示。
按照這個附圖,與入射光束(θ)相關的反射角度是借助關系θ=4α-180°與如圖所示的角錐側面的傾度或傾角(α)關聯起來的。我們觀察到,非鏡面反射之間的角度間隙2θ在40-50°的范圍內變化,是在化學蝕刻處理期間導致的紋理質量(quality)的函數。這一變化與α值的一定偏離有關,并且可能與存在交錯相關或者與角錐面上存在任何其它缺陷有關,或者與開始的襯底的晶體質量有關。
為了實現該系統,需要評估與入射光束平行的反射光束的強度,以及當反射光束具有接近22°的值時最大值位置上的反射光束的強度。這是通過分束器來實現的,典型地是使用分束器立方體(cube)實現的。所述分束器立方體的最小尺寸是由反射光束之間的分離角度和該角度與晶片之間的間隔決定的。為了將光圖案投影到光學檢測系統上,可取的方法是引入焦距等于透鏡軸線與分束器的中心之間的距離和分束器與晶片之間的距離的和的準直透鏡。為了避免在檢測器上出現不想要的圖像,需要所使用的全部光學單元(分束器、透鏡、阻燃膜或板、檢測器等)都具有波長與生產期間使用的激光相同的防反射涂層。
附圖9表示按照上面提出的方法、對于在經過處理的Si晶片的平面(110)上完成的掃描、作為化學蝕刻處理的時間的函數的G(I=26°/Iθ~0)參數的簡化形式。還包括在使用化學成分類似但是尺寸較大的槽的生產線(PL)中獲得的結果。我們觀察到,達到最大紋理程度需要有一個臨界時間周期,并且超過所述臨界時間周期的時間周期會造成角錐變平,引起G參數減小。在處于高清潔條件下的生產線上處理晶片的結果會達到比試驗槽期間得到的G值大的G值。處理過程的反應動力情況可能是不同的,并且這與在產品處理期間超出處理時間的可能性一起妨礙了觀察到最大值。
雖然剛剛介紹的例子是關于四邊角錐幾何結構的,但是這并不意味著本方法僅僅局限于這種類型的幾何結構,因為它對其它也能夠在Si表面上形成(不管是通過化學蝕刻或其它類型的處理)的幾何形狀(n邊角錐、圓錐等)實質上也是有效的。
權利要求
1.一種確定半導體材料晶片的表面紋理的程度的處理方法,并且具體來說是確定單晶硅或多晶體硅晶片的表面紋理的程度的處理方法,其特征在于a.它使用一組新的數學參數G=Σn=1-4I4nIN]]>其中I4n(n=1-4)是反射到離開法向給定角度的光的強度,而IN是沿著法向反射到晶片表面的強度,和χn=I4nΣn=1-4I4n]]>是使得由準直光束(此后稱為激光束光)獲得的反射光的圖案中的強度最大值與半導體晶片(尤其是硅晶片)中的表面紋理的總體程度和均勻度相關的公式;b.它將反射到立體角的激光束光(不管是集中在激光束的入射角上還是與激光束的入射角分離)的強度與布滿受分析的材料的晶片的表面的紋理的程度關聯起來;c.它借助分析反射的激光束光的強度的圖案中的最大值來確定晶片表面的紋理的程度;d.它能夠同時且無破壞性地分析晶片表面上多個不同點上的紋理;e.它使用采樣光束偏振的旋轉來將反射光束與入射光束分離開。
2.測量按照權利要求1的晶片表面的反射圖案的強度的方法,其特征在于,當用激光束光照射晶片時,在下列各種不同幾何形狀的屏幕上分析所獲得的反射圖像a.與晶片平行放置的平面屏幕;b.以晶片為中心的球形或半球形屏幕;c.回轉橢球型的屏幕,晶片放在焦點之一上并且光束經過另一個焦點。
3.分析按照權利要求1和2的反射圖案的測量的方法,除了其它晶片以外,可以應用于單晶硅晶片,其特征在于a.它將具有n階(n=3,4,6...)對稱結構的反射與存在具有同樣對稱結構的位于晶片(最好是硅晶片)表面上的幾何結構關聯起來;b.它定義一種測量由晶片表面和構成紋理的幾何結構的面形成的角度的方法;c.它將最大反射的角寬度與構成紋理的幾何結構上存在缺點關聯起來并且與開始的襯底的多結晶度的程度關聯起來;d.它獲得和定義與化學處理時間相關并且與對于相同處理時間在θ≈26-20°上出現最大反射相關的紋理的最佳程度的存在;e.它將法向(θ=0°)反射的光的強度和θ≈26-20°上反射的光的強度之間的關系與相關于硅平面(111)的紋理的程度關聯起來;f.它將光反射角度θ與構成表面紋理的角錐的側面的平均傾角關聯起來。
4.用于執行權利要求1、2和3的方法的裝置,該裝置能夠實現晶片的多個點的紋理程度的同時非侵入性和非破壞性分析并且還能夠實現反射光沿著在空間上與入射光束分離的方向的重指向,并且其特征在于a.它使用權利要求1中定義的一組未公開的數學參數,該組參數表征紋理的總體程度和均勻度并且用于確定晶片的表面紋理,從而允許確定晶片表面的紋理程度與反射光圖案上存在的最大強度之間的相關性;b.它將立體角上反射的激光束光(集中在激光束的入射軸或與激光束的入射軸分離)的強度與布滿受分析材料的晶片的表面的紋理的程度關聯起來;c.它借助分析激光束光的反射圖案中存在的最大強度來確定晶片表面的紋理的程度;d.它允許通過設計用于分離光束的光學單元的反射來同時分析位于晶片表面上的多個不同點上的紋理;e.它利用采樣光束偏振的旋轉連同對偏振狀態敏感的光學單元來將反射光束與入射光束分離開;f.它對當晶片由激光束光照射時在與晶片垂直分開放置的平面屏幕上獲得的反射圖像進行分析;g.它將具有n階(n=3,4,6...)對稱結構的反射與在晶片(尤其是硅晶片)表面上存在表現為同樣對稱結構的幾何結構關聯起來;h.它測量由晶片的表面與構成紋理的幾何形狀的面形成的角度;i.它將最大反射的角寬度與四階對稱結構并且與開始的襯底的多結晶度的程度關聯起來;j.它測量和獲得法向(θ=0°)反射的光的強度和θ≈26-20°上反射的光的強度之間的關系與相關于硅平面(111)的紋理的程度;k.它測量與構成表面紋理的角錐面的平均傾角相關的光學反射角θ。
全文摘要
本發明涉及一種用于光電池的紋理定量評價的光學方法和裝置。本發明的方法和裝置適于通過在支撐光電池的襯底的表面上生長相關的幾何圖案來表征的紋理形態。前述形態可以使用不同的方法形成,包括單晶Si的化學侵蝕,該形態具有朝上的和倒置的角錐。本發明的方法還可以用于在多晶體Si中生長出來的其它紋理程度以及在已經在前述條件下預先進行了紋理化的襯底上沉積的多晶硅電池中存在的紋理的程度。還可以將本發明擴展到具有類似紋理圖案的其它材料。
文檔編號G01N21/49GK1871495SQ200480026346
公開日2006年11月29日 申請日期2004年7月14日 優先權日2003年7月15日
發明者C·E·扎爾多呂扎斯, J·M·阿爾韋利亞馬丁, E·福爾尼斯加西亞 申請人:康斯喬最高科學研究公司