Raman学堂 第9期丨赛默飞拉曼技术用于硅晶化率的测试分析

第九期

硅晶化率的测试与分析

沉积在玻璃或碳化硅上的硅广泛用于生产光伏电池，其优异的性能取决于无定型硅和微晶硅两种结构是否能达到预定比例和分布。因此监测这两种结构的硅可确保所制备太阳能电池的成本低、效率高并且寿命长。

拉曼光谱非常适合此应用。晶体硅具有高度一致的键角和键长，排列有序，可形成拉曼锐峰，其特征强散射带位于521cm-1；无定形硅结构相对无序，键角、键能、键长以及摇摆键范围大，可能的态分布会导致很宽的480cm-1拉曼峰，与晶体硅区别明显。采用两种结构的特征峰值（峰强或峰面积）可以实现硅晶化率的测试。

Thermo Scientific ™ DXR™ 3系列拉曼光谱技术可用于定量分析薄层沉积内无定型和晶体硅的量，实现晶化率的测试与分析。通过沉积硅区域的拉曼快速成像，可监测两种形态硅的分布均匀性。

仪器和软件 

Thermo Scientific™ DXR™3xi 显微拉曼成像光谱仪

Thermo Scientific™ DXR™3显微拉曼光谱仪

Thermo Scientific™ DXR™3 智能拉曼光谱仪

Thermo Scientific ™ DXR™ 3系列拉曼光谱仪具有独特的技术特点：

先进的自动化和智能化光学控制系统

超高的检测灵敏度和空间分辨率

“针孔式”真共焦，优异的Z轴空间分辨

无损深度层析/YZ“切面”扫描功能

软件控制、实时到样品的激光功率精细调节专 利技术

“一键式”操作，无需专业背景

功能强大、界面友好的分析软件

集成定量分析和定性分析方法的建模软件TQ Analyst

应用案例

 激光功率精细调节功能 

在测试中发现，过高的激发激光功率会将无定形硅转化为晶体硅，因此必须严格限制激光照射到样品的功率大小，特别是所建立的分析方法必须在多个生产工厂内与多个仪器上重复使用时。Thermo Scientific ™ DXR™ 3系列拉曼光谱仪配置了激光功率精心调节功能，可以实现到样品测试点的0.1mW步长连续调节，是此类应用的最 佳选择。

激光功率精细调节：从1mW到10mW依次进行不同功率下测试，可以明显观察到随着激光功率的提高，拉曼光谱信息显示从无定型逐渐向晶体硅转变

 硅晶化率定量测试与分析 

纯晶体硅和晶化度不一样的硅，其拉曼光谱表现出显著的峰差异。采用晶体硅521cm-1强散射峰和无定型硅以480cm-1为中心的宽峰（或峰面积），通过Xc=Ic/Ic+k*Ia（Ic为晶体峰，为无定型峰）计算关系，可以实现硅晶化率的定量测试和分析。也可以利用I521/I480（或峰面积比）采用简单的比尔定律分析两种硅的相对含量。在样品光谱分析时，有时需要对峰进行分峰拟合之后，再进行晶化率的计算。强大的OMNIC软件可以实现分峰拟合和定量计算，操作简单，易于使用。

从纯晶硅到包含无定型硅的一系列拉曼光谱         简单比尔定律建立晶体硅和无定型硅定量曲线

通过分峰拟合，获得两种结构的峰强，计算两个样品的晶化率，分别为：55.9%和0.7%

晶体硅与无定型硅的空间分布 

拉曼成像是一种实现沉积硅结晶区域检测的优异方法，能够快速获取这些区域的结构变化信息，监测晶体硅和无定型硅的分布均匀性。

沉积硅表面30um线扫描成像图：

在约12-18um范围出现晶体硅的分布（红色区域）

拉曼光谱是用于光伏领域沉积硅检测的优秀技术，该技术可轻松定量晶硅体和无定型硅，实现晶化率的测试与分析，同时优异的拉曼成像可提供不同形态硅在空间上的分布信息，实现宏观大尺寸上的结构变化和均匀性检测。