薄膜太陽能應用---- CIGS（銅銦鎵硒）和CdS（硫化鎘）的薄膜厚度測量

銅銦鎵硒作為第三代太陽能電池應用于光伏產業，具有性能穩定、抗輻射能力強，光電轉換效率高的特點。

在此，我們使用MProble VisNIR薄膜測厚儀測量了Mo(鉬)基底上的CIGS(銅銦鎵硒)和CdS(硫化鎘)薄膜的厚度。反射率的測量范圍在400-1700nm，我們首先用可見光(400-900nm)范圍波長來測量CdS(硫化鎘)薄膜的厚度和表面粗糙度，近紅外(900-1700nm)范圍波長用來測量CIGS(銅銦鎵硒)薄膜的厚度，因為通常情況下CIGS(銅銦鎵硒)在可見光范圍內是不透光的。800-1000nm的透光范圍對于測量CIGS(銅銦鎵硒)薄膜的厚度是很重要的。

CIGS(銅銦鎵硒)是由四種元素組成的材料，我們利用已知化學組成的CIGS(銅銦鎵硒)折射率和消光系數來估算未知CIGS(銅銦鎵硒)的化學組成。

圖1. 不同化學組成的CIGS(銅銦鎵硒)的折射率(n)和消光系數(k)

一、Mo(鉬)基底上的CIGS(銅銦鎵硒)層厚度的測量

CIGS(銅銦鎵硒)薄膜結構：CIGS_rough.em2/2.5 um CIGS_mis.comp/Mo，其中CIGS_mis.comp是一個銅銦鎵硒混合模型，軟件可以代入已知銅銦鎵硒化學組份，CIGS_rough.em2代表表面粗糙度(銅銦鎵硒+空隙的有效近似模型)。數據分析的優化：

a. 銅銦鎵硒薄膜層和粗糙層的材料是相同的，且兩層是相連的。

b. CIGS_rough.em2只代表部分粗糙效應，并不代表光散射，光散射模型使用Kirchoff近似模型。

c. 500nm一下的反射率非常低(小于0.5%)，所以400-500nm的反射率數據幾乎沒用處，計算時去除400-500nm的反射率數據。

計算參數：

1. 銅銦鎵硒薄膜層的厚度(d1)

2. 銅銦鎵硒的化學組成

3. 粗糙度層的厚度(d2)

4. 均方根粗糙度(與d2層的厚度接近，但需要單獨計算)

如圖2-圖6所示，模型曲線與測量得到的反射率曲線非常吻合。

圖2. 樣品1測量結果，曲線擬合度很好，

銅銦鎵硒薄膜層的厚度：2.58um+93nm(粗糙度)，銅銦鎵硒的化學組成：44%。

RMS：85nm

圖3. 放大后的擬合曲線(圖2)，測量得到的反射率曲線與模型曲線高度擬合圖4. 樣品2測量結果，曲線擬合度很好，

圖4. 樣品2測量結果，曲線擬合度很好

RMS：67nm

圖5. 樣品3測量結果，曲線擬合度很好，

銅銦鎵硒薄膜層的厚度：2.3um+97nm(粗糙度)，銅銦鎵硒的化學組成：35%。

RMS：97nm

圖6. 樣品4測量結果，曲線擬合度很好，

銅銦鎵硒薄膜層的厚度：1.71um+100nm(粗糙度)，銅銦鎵硒的化學組成：27%。

RMS：97nm

圖7. 樣品4掃描電鏡銅銦鎵硒薄膜層的厚度測量結果：1824nm，與圖6的測量結果一致(1.71um+100nm)

二、測量Mo(鉬)基底上的CdS(硫化鎘)和CIGS(銅銦鎵硒)薄膜厚度

硫化鎘層積在粗糙的銅銦鎵硒層表面，與銅銦鎵硒的粗糙表面形成共形覆膜，相比于單獨的銅銦鎵硒薄膜，其結構更復雜：硫化鎘+銅銦鎵硒+空隙，需要用以下膜層結構來分析數據：100nm CdS (rough)/1.7um CIGS/Mo。

我們測量的三個Mo(鉬)基底上的CdS(硫化鎘)和CIGS(銅銦鎵硒)薄膜樣品的厚度，如圖8-圖10所示

圖8. 硫化鎘樣品1測量結果，曲線擬合度很好，銅銦鎵硒薄膜層的厚度：1.54um，硫化鎘薄膜層的厚度：77nm，RMS：61nm，銅銦鎵硒化學組成：45%，硫化鎘層中的孔隙率：20%

圖9. 硫化鎘樣品2測量結果，曲線擬合度很好，銅銦鎵硒薄膜層的厚度：1.82um，硫化鎘薄膜層的厚度：95nm，RMS：95nm，銅銦鎵硒化學組成：51%，硫化鎘層中的孔隙率：8%

圖10. 硫化鎘樣品3測量結果，曲線擬合度很好，銅銦鎵硒薄膜層的厚度：1.77um，硫化鎘薄膜層的厚度：87nm，RMS：81nm，銅銦鎵硒化學組成：51%，硫化鎘層中的孔隙率：18%