薄膜太阳能应用---- CIGS（铜铟镓硒）和CdS（硫化镉）的薄膜厚度测量

铜铟镓硒作为第三代太阳能电池应用于光伏产业，具有性能稳定、抗辐射能力强，光电转换效率高的特点。

在此，我们使用MProble VisNIR薄膜测厚仪测量了Mo(钼)基底上的CIGS(铜铟镓硒)和CdS(硫化镉)薄膜的厚度。反射率的测量范围在400-1700nm，我们首先用可见光(400-900nm)范围波长来测量CdS(硫化镉)薄膜的厚度和表面粗糙度，近红外(900-1700nm)范围波长用来测量CIGS(铜铟镓硒)薄膜的厚度，因为通常情况下CIGS(铜铟镓硒)在可见光范围内是不透光的。800-1000nm的透光范围对于测量CIGS(铜铟镓硒)薄膜的厚度是很重要的。

CIGS(铜铟镓硒)是由四种元素组成的材料，我们利用已知化学组成的CIGS(铜铟镓硒)折射率和消光系数来估算未知CIGS(铜铟镓硒)的化学组成。

图1. 不同化学组成的CIGS(铜铟镓硒)的折射率(n)和消光系数(k)

一、Mo(钼)基底上的CIGS(铜铟镓硒)层厚度的测量

CIGS(铜铟镓硒)薄膜结构：CIGS_rough.em2/2.5 um CIGS_mis.comp/Mo，其中CIGS_mis.comp是一个铜铟镓硒混合模型，软件可以代入已知铜铟镓硒化学组份，CIGS_rough.em2代表表面粗糙度(铜铟镓硒+空隙的有效近似模型)。数据分析的优化：

a. 铜铟镓硒薄膜层和粗糙层的材料是相同的，且两层是相连的。

b. CIGS_rough.em2只代表部分粗糙效应，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的反射率数据几乎没用处，计算时去除400-500nm的反射率数据。

计算参数：

1. 铜铟镓硒薄膜层的厚度(d1)

2. 铜铟镓硒的化学组成

3. 粗糙度层的厚度(d2)

4. 均方根粗糙度(与d2层的厚度接近，但需要单独计算)

如图2-图6所示，模型曲线与测量得到的反射率曲线非常吻合。

图2. 样品1测量结果，曲线拟合度很好，

铜铟镓硒薄膜层的厚度：2.58um+93nm(粗糙度)，铜铟镓硒的化学组成：44%。

RMS：85nm

图3. 放大后的拟合曲线(图2)，测量得到的反射率曲线与模型曲线高度拟合图4. 样品2测量结果，曲线拟合度很好，

图4. 样品2测量结果，曲线拟合度很好

RMS：67nm

图5. 样品3测量结果，曲线拟合度很好，

铜铟镓硒薄膜层的厚度：2.3um+97nm(粗糙度)，铜铟镓硒的化学组成：35%。

RMS：97nm

图6. 样品4测量结果，曲线拟合度很好，

铜铟镓硒薄膜层的厚度：1.71um+100nm(粗糙度)，铜铟镓硒的化学组成：27%。

RMS：97nm

图7. 样品4扫描电镜铜铟镓硒薄膜层的厚度测量结果：1824nm，与图6的测量结果一致(1.71um+100nm)

二、测量Mo(钼)基底上的CdS(硫化镉)和CIGS(铜铟镓硒)薄膜厚度

硫化镉层积在粗糙的铜铟镓硒层表面，与铜铟镓硒的粗糙表面形成共形覆膜，相比于单独的铜铟镓硒薄膜，其结构更复杂：硫化镉+铜铟镓硒+空隙，需要用以下膜层结构来分析数据：100nm CdS (rough)/1.7um CIGS/Mo。

我们测量的三个Mo(钼)基底上的CdS(硫化镉)和CIGS(铜铟镓硒)薄膜样品的厚度，如图8-图10所示

图8. 硫化镉样品1测量结果，曲线拟合度很好，铜铟镓硒薄膜层的厚度：1.54um，硫化镉薄膜层的厚度：77nm，RMS：61nm，铜铟镓硒化学组成：45%，硫化镉层中的孔隙率：20%

图9. 硫化镉样品2测量结果，曲线拟合度很好，铜铟镓硒薄膜层的厚度：1.82um，硫化镉薄膜层的厚度：95nm，RMS：95nm，铜铟镓硒化学组成：51%，硫化镉层中的孔隙率：8%

图10. 硫化镉样品3测量结果，曲线拟合度很好，铜铟镓硒薄膜层的厚度：1.77um，硫化镉薄膜层的厚度：87nm，RMS：81nm，铜铟镓硒化学组成：51%，硫化镉层中的孔隙率：18%