橢偏儀在ALD制備SnO2薄膜中的應用

鈣鈦礦太陽能電池作為新一代光伏技術，具備低成本、可柔性、制備簡單等優勢，目前實驗室光電轉換效率（PCE）已突破 26%，成為下一代太陽能電池的核心研究方向。

電子傳輸層是電池器件中的重要組成部分，SnO?為當前較優電子傳輸層材料之一，相較傳統 TiO?，SnO?具有高電子遷移率、能帶匹配性好、低溫制備（<150℃）、光穩定性佳等優勢，可見光透過率 > 80%，帶隙 3.6-4.5 eV。

圖1.  SnO?電子傳輸層在鈣鈦礦電池中的結構定位

SnO?電子傳輸層的制備方法分為化學法和物理法兩大類，主要包括旋涂法、化學浴沉積（CBD）、原子層沉積（ALD）、磁控濺射等方法。其中，ALD有著薄膜致密、缺陷少、均勻性較佳等優勢，應用于高性能小面積器件及疊層電池的制備。

準確測量SnO?電子傳輸層的膜厚，對鈣鈦礦疊層電池的研發及設計起到重要作用。用臺階儀測試SnO?膜厚，易劃傷薄膜，且超薄膜的測量誤差大；用掃描電鏡（eg. SEM）測試SnO?膜厚，需要破壞樣件、測量速度慢且成本高。與其他膜厚測量手段相比，橢偏儀具有非破壞性、測量精度高和測量速度快等優點。

對ALD工藝制備的SnO?薄膜，SE-VM高精度橢偏儀可精確測量薄膜單點的膜厚以及光學常數nk；ME-Mapping高精度橢偏儀在SE-VM的基礎上，可以快速而準確測量并輸出薄膜的膜厚、光學常數nk的均勻性。

SE-VM和ME-Mapping均可滿足白玻璃和Si襯底上SnO?膜層的測量需求。

圖2. SE-VM（左）和ME-Mapping（右）高精度橢偏儀

案例展示：準確測量ALD工藝制備的SnO?薄膜

a. 對于Si襯底上20nm SnO?薄膜，SE-VM可以精確表征薄膜的膜厚以及光學常數nk。

THK：25.27nm

 

圖3. Si襯底上SnO?薄膜的橢偏擬合曲線

圖4. SnO?的nk曲線

b. 對于玻璃襯底上80nm SnO?薄膜，SE-VM可以精確表征薄膜的膜厚以及光學常數nk，并且SnO?膜厚擬合結果和同片TEM膜厚數據保持高度一致性！

THK：80.05nm

 

圖5. 玻璃襯底上SnO?薄膜的橢偏擬合曲線

圖6. SE-VM與TEM同片膜厚結果展示

c. 使用SE-VM，長期監控同一片SnO?樣件（非同點位測試），多日監控的SnO?薄膜膜厚及折射率數據展現了較好的穩定性。

圖7. SnO?薄膜膜厚及折射率的長期監控數據

d. 使用ME-Mapping，可對SnO?薄膜進行自定義多點位掃描測量。以2D/3D熱力圖的形式展示SnO?薄膜的膜厚分布，并輸出膜厚均勻性結果。

圖8. SnO?薄膜的2D/3D膜厚熱力圖