研究级太阳能硅片检测显微镜

材料是社会进步的重要物质条件，半导体产业近年来已成为材料产业中备受瞩目的焦点。从沙子到晶片直至元器件的制造和创新，都需要应用不同的表征与检测方法去了解其特殊的物理化学性能，从而为生产工艺的改进提供科学依据。仪器信息网策划了“半导体检测”专题，特别邀请到布鲁克光谱中国区总经理赵跃就此专题发表看法。布鲁克光谱中国区总经理 赵跃赵跃先生拥有超过20年科学分析仪器领域丰富的从业经历，先后服务于四家跨国企业，对于科学分析仪器以及材料研发行业具有深刻理解，促进了快速引进国外先进技术服务于中国的科研创新和产业升级。2020年9月，习近平主席在第75届联合国大会上，明确提出中国力争在2030年前实现“碳达峰”，2060年前实现“碳中和”的目标。“双碳”目标的直接指向是改变能源结构，即从主要依靠化石能源的能源体系，向零碳的风力、光伏和水电转换。加快能源结构调整，大力发展光伏等新能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的必然选择。目前，光伏产业已成为我国少有的形成国际竞争优势、并有望率先成为高质量发展典范的战略性新兴产业，也是推动我国能源变革的重要引擎。太阳能光伏是通过光生伏特效应直接利用太阳能的绿色能源技术。2021年，全球晶硅光伏电池产能达到423.5GW，同比增长69.8%；总产量达到223.9GW，同比增长37%。中国大陆电池产能继续领跑全球，达到360.6GW，占全球产能的85.1%；总产量达到197.9GW，占全球总产量的88.4%。截止到2021年底，我国光伏装机量为3.1亿千瓦时。据全球能源互联网发展合作组织预测，到2030、2050、2060年我国光伏装机量将分别达到10、32.7、35.51亿千瓦时，到2060年光伏的装机量将是今天的10倍以上。从发电量来看，虽然其发电容量仍只占人类用电总量的很小一部分，不过，从2004年开始，接入电网的光伏发电量以年均60%的速度增长，是当前发展速度最快的能源。2021年我国光伏发电量3259亿千瓦时，同比增长25.1％，全年光伏发电量占总发电量比重达4％。预计到2030年，我国火力发电将从目前的49%下降至28%，光伏发电将上升至27%。预计2030年之后，光伏将超越火电成为所有能源发电中最重要的能源，光伏新能源作为一种可持续能源替代方式，经过几十年发展已经形成相对成熟且有竞争力的产业链。在整个光伏产业链中，上游以晶体硅原料的采集和硅棒、硅锭、硅片的加工制作为主；产业链中游是光伏电池和光伏组件的制作，包括电池片、封装EVA胶膜、玻璃、背板、接线盒、逆变器、太阳能边框及其组合而成的太阳能电池组件、安装系统支架；产业链下游则是光伏电站系统的集成和运营。硅料是光伏行业中最上游的产业，是光伏电池组件所使用硅片的原材料，其市场占有率在90%以上，而且在今后相当长一段时期也依然是光伏电池的主流材料。在2011年以前，多晶硅料制备技术一直掌握在美、德、日、韩等国外厂商手中，国内企业主要依赖进口。近几年随着国内多晶硅料厂商在技术及工艺上取得突破，国外厂商对多晶硅料的垄断局面被打破。我国多晶硅料生产能力不断提高，综合能耗不断下降，生产管理和成本控制已达全球领先水平。2021年，全球多晶硅总产量64.2万吨，其中中国多晶硅产量50.5万吨，约占全球总产品的79%。全球前十硅料生产企业中中国有7家，世界多晶硅料生产中心已移至中国，我国多晶硅料自给率大幅提升。与此同时，在多晶硅直接下游硅片生产中，因单晶硅片纯度更高，转化效率更高， 消费占比也不断走高，至 2020 年，单晶硅片占比已达 90%的水平。用于光伏生产的太阳能级多晶硅料一般纯度在6N～9N之间。无论对于上游的硅料生产，还是单晶硅片、多晶硅片生产，硅中氧含量、碳含量、III族、V族施主、受主元素含量、氮含量测量是硅材料界非常重要的课题，直接影响硅片电学性能。故准确测试上游硅料、单晶硅片中相应杂质元素含量显得尤为必要、重要。在过去的十几年中，ASTM International（前身为美国材料与试验协会）已经对上述杂质元素的定量分析方法提出了国际普遍通行的标准，其中，分子振动光谱学方法因其相对低廉的设备成本、快速、无损、高灵敏度的测试过程，以及较低的检测下限，倍受业内从事品质控制的机构和组织的青睐。值得一提的是，我国也在近几年陆续制定和出台了多个以分子振动光谱学为品控方法的相关行业标准 （见附录）。这标志着我国硅料生产与品控规范进入了更成熟、更完善、更科学、更自主的新阶段。德国布鲁克集团，作为分子振动光谱仪器领域的领军企业，几十年来坚持为工业生产和科学研究提供先进方法学的助力。由布鲁克光谱（Bruker Optics）研发制造的CryoSAS全自动、高灵敏度低温硅分析系统，基于傅立叶变换红外光谱技术，专为工业环境使用而设计。顺应ASTM及我国相关标准中的测试要求，此系统可以室温和低温下（＜15K）工作，通过测试中/远红外波段（1250-250cm-1）硅单晶红外吸收光谱（此波段红外吸光光谱涵盖了硅晶体中间隙氧，代位碳，III-V族施主、受主元素以及氮氧复合体吸收谱带。），可以直接或间接计算出相应杂质元素含量值。检测下限可低至ppta(施主，受主杂质)和ppba量级(代位碳，间隙氧)，很好地满足了上游硅料品控的要求，为中游光伏电池和光伏组件的制作打下了扎实的原料品质基础。随着硅晶原料产能的逐年提高，布鲁克公司的 CryoSAS仪器作为光伏产业链上游的重要品控工具之一，已在全球硅料制造业中达到了极高的保有量。随着需求的提升，电子级硅的生产需求也在持续增加。布鲁克公司红外光谱技术也有成熟的方案和设备，目前国内已有多个用户采用并取得了良好的效果。低温下(~12 K)，硅中碳测试结果（上图），硅中硼、磷测试结果（下图）附录：产品国家标准：《GB/T 25074 太阳能级多晶硅》《GB/T 25076 太阳能电池用硅单晶》测试方法国家标准：《GB/T 1557 硅晶体中间隙氧含量的红外吸收测量方法》《GB/T 1558 硅中代位碳原子含量红外吸收测量方法》《GB/T 35306 硅单晶中碳、氧含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》《GB/T 24581 硅单晶中III、V族杂质含量的测定 低温傅立叶变换红外光谱法》（布鲁克光谱 供稿）

在绿色能源的发展得到各国越来越多的重视与青睐的今天，光伏科技和太阳能电池的产业成长与技术研发成为了工业界和学术界共同的焦点。而这其中被广泛关注的当属使用具有钙钛矿结构的材料所合成的太阳能电池。钙钛矿结构是具有通式ABX3结构的一类化合物，除了CaTiO3外，还有BiFeO3、CsPbI3也具有这一结构。基于钙钛矿结构材料所合成的电池则一般被统称为有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池（PVSCs）。在光伏领域的研究中，钙钛矿太阳能电池因其能量转化率在近几年的飞速提高而备受关注。其中的佼佼者更是可以达到25%的能量转化率。 然而，在我们期待上述的有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池从实验室走向工业应用的时候，一个无法回避的问题出现在了研究者的面前：这种电池的环境敏感性非常之高。在电池的使用过程中，其性能稳定性和使用寿命很容易被环境湿度，环境热度，环境光照所影响，且这种影响多为负面影响。也就是说，要想让PVSCs能够被大规模应用，其环境耐性必须得到改进。 针对上述问题，香港城市大学Fengzhu Li于今年（2022年）4月在Advance Energy Materials中发表了等离激元局域光热现象调控钙钛矿太阳能电池应力以提升效率和稳定性的研究工作。该课题组发现二氧化硅包覆的金纳米管（GNR@SiO2）可有效提高钙钛矿太阳能电池的性能，尤其通过减小材料生成过程中所产生的残留应变，在维持电池高效转化率（23%）的前提下，大幅提高了电池的工作稳定性。这种GNR@SiO2有着8.2 nm的平均直径和40 nm的平均长度。其中的二氧化硅外壳结构的厚度在15 nm左右。图1. 作者所生成的GNR@SiO2的 (a) TEM与EDS扫描图样 (b)直径和长度的分布统计 在通过标准流程测得生成的太阳能电池的能量转化效率可以达到23%之后，接下来研究者的关注点则聚焦到了GNR@SiO2对电池稳定性——也就是钙钛矿材料层的稳定性的提高之上。在此研究中，Neaspec研发的近场光学显微镜起到了至关重要的作用。科研者利用此设备获取了相关材料基于中红外激光吸收的形貌图（光学成像）和与之对应的纳米傅里叶红外光谱结果。实验使用了一台相干宽波长中红外激光器，通过Neaspec近场光学显微镜将激光聚焦于镀铂金AFM针，从而表征了四组参照薄膜材料：（a）新生成的钙钛矿结构材料（PVK）（b）新生村的掺杂了GNR@SiO2的PVK（c）经过疲劳测试的PVK（d）经过疲劳测试的GNR@SiO2的PVK。图2 实验原理示意图和Neaspec近场光学显微镜AFM照摄像头在测试四组材料时的光学镜头成像。 在PVK所对应的中红外成像和纳米傅里叶红外光谱中，信号的产生主要源自材料里的脒结构中的非对称碳氮键的拉伸模式的变化。所有之后的分析都是基于上述四种材料所产生的这种信号（对应材料中脒的浓度也就是材料的降解程度）。下图a-d对应四种材料的1700 cm–1 中红外激光成像结果。而为了研究疲劳测试对材料稳定性的影响，研究者在每个结果中都选取了5个数据点，直接进行纳米傅里叶红外光谱的测试 （下图 e-h）。研究者通过对比发现，在没有掺杂GNR@SiO2的PVK中，疲劳测试使得材料的脒含量降到了原来的45%。而通过掺杂GNR@SiO2，PVK中的则能维持在原来的75%。可见，掺杂GNR@SiO2有效地减慢了PVK薄膜材料的降解和损耗速度。而使得这一结果得以获得的，正是Neaspec的近场光学显微镜可以同时对样品进行中红外成像和纳米傅里叶红外吸收谱分析的这一特性。图3 四组参照薄膜材料的中红外成像结果以及对应图上5个数据点的纳米傅里叶红外光谱结果参考文献：[1]. Fengzhu Li, Tsz Wing Lo, Xiang Deng, Siqi Li, Yulong Fan, Francis R. Lin, Yuanhang Cheng, Zonglong Zhu, Dangyuan Lei*, Alex K.-Y. Jen*, Plasmonic Local Heating Induced Strain Modulation for Enhanced Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells, Advanced Energy Materials，DOI: 10.1002/aenm.202200186

p　　美国家技术标准研究院(NIST)近日发布消息声称，该机构研究人员利用两种新技术，首次以纳米级精度检测了广泛使用的太阳能电池的化学成分及缺陷的变化。新技术检测了用碲化镉半导体材料制造的常见太阳能电池，有望帮助科学家更好地了解太阳能电池的微观结构，并可能提出进一步提高太阳能光电转化效率的方法。/pp　　在研究中，NIST科学家利用两种依赖原子力显微镜(AFM)的辅助方法，通过光诱导共振(PTIR)来测量太阳能电池样品从可见光到中红外线的宽波长范围吸收光的数量，从而在纳米级尺度得到太阳能电池的构成及其缺陷。另一项技术，被称为扫描近场光学显微镜(dt-NSOM)，通过记录特定位置传输光的数量来捕捉太阳能电池的组成及缺陷的变化，从而形成详细的纳米尺度图像。/pp　　实验表明，材料晶体排列的缺陷与其化学构成中的杂质相关，新技术能检测碲化镉样品中所谓的深层次缺陷的空间变化。这些缺陷引起碲化镉与其它半导体中的电子和质子(带正电荷的颗粒)重新组合而不是发电，这是导致太阳能电池无法取得理论成效的关键原因之一。/pp　　该研究成果具有广泛适用性，将有助于太阳能电池研究，更好地了解各种光伏材料。该研究成果发表在2017年4月12日的《Nanoscale》杂志上。/p