铜铟镓硒化(CIGS)薄膜太阳能电池的激光诱导击穿光谱

基于cigs的薄膜太阳能模块是一种极具成本效益的太阳能转化为电能的候选者。一个薄膜模块由许多单个太阳能电池组成，这些电池是“单片互连”的(见图1)。这种互连是通过在生产过程中沿着模块选择性地去除10 -100微米宽凹槽中的层来实现的。为了制造这种允许电互连的小沟槽(或“抄写器”)，激光工艺是注定的。然而，重要的是要确保激光只将材料去除到一定深度而不损坏底层，例如导电Mo膜。

激光加工过程中诱发的等离子体发射可用于识别烧蚀材料，以控制激光刻划的“深度”。这是可能的，因为太阳能电池的每一层都有不同的组成，因此根据烧蚀层发射不同的特征辐射。

在这项基础研究中，我们展示了我们的设置关于识别单层的能力，使用我们的层中包含的元素的特征等离子体发射。此外，我们还确定了适合这种分析的波长范围。

图1:薄膜太阳能电池的互连区。Mo分别形成太阳能电池的后电极(+)和前电极(-)。前电极和后电极通过“P2”抄写器电连接

材料与方法

我们的样品由50 nm CdS、50 nm ZnO、~1.5 m CIGS和~400 nm Mo组成的层堆组成。该层堆沉积在3 mm厚的钠钙玻璃样品上(SLG，参见图2)。

图2:薄膜样品由50 nm薄ZnO层、50 nm CdS层、1.5 m CIGS层和约。在苏打石灰玻璃(SLG)样品上沉积了400 nm薄Mo层

为了烧蚀单层，我们使用激光系统提供1030 nm、515 nm或343 nm波长的超短脉冲(脉冲持续时间<1 ps)。采集系统包括一台czery - turner型光谱仪(Andor Shamrock SR-500i-B1)和一台ICCD探测器(Andor USB iStar DH340T-18U-E3)。烧蚀区(等离子体形成的地方)通过聚焦镜(见图3)在光纤的一端成像。光纤的另一端连接到摄谱仪，形成入口“狭缝”。

为了确定和调整激光脉冲和门激活(“门打开”)之间的时间延迟，我们使用示波器来监测激光内部快速光电二极管的信号和MCP(微通道板)的电子信号。采用cnc定位系统进行样品定位。

图3:采集系统由超快激光系统(波长l = 1030 nm，具有二次/三次谐波(SHG/ THG)，用于波长转换为515 nm和343 nm)、三叶草光谱仪、用于延迟调整的示波器和基于cnc的样品定位系统组成。

结果

我们展示了第一个基本测试，其中我们在样品的相同位置应用单激光脉冲，并获得了每个激光射击的相应光谱。经过一定数量的脉冲后，我们用共聚焦激光扫描显微镜测量了烧蚀深度。图4显示了得到的光谱取决于样品的烧蚀深度。请注意，所示的每个光谱对应于特定的烧蚀深度，因此适用于样品相同位置的不同脉冲数。通过观察不同元素的特征线，我们的样品的所有层都被分解在图4中，甚至包括50 nm薄的ZnO和CdS层。

由于它的许多光谱线，可以很容易地识别。因此，可以通过监测特定的光谱线来控制激光刻槽的深度。此外，LIBS还可用于样本诊断。

图4:单发模式下获得的光谱与样品烧蚀深度的关系。Zn、Cd、Mo、Ga、In的对应谱线突出

致谢

感谢多米尼克·巴特尔·罗伯特，博世公司，部门研究和先进工程，斯图加特。

参考文献

D. Bartl, Robert Bosch GmbH，斯图加特，德国(2013年10月)。