LIBS法在CIGS薄膜分析中的作用

段雅楠

摘 要：本文提出了利用激光誘導擊穿光譜技術對銅銦鎵硒太陽能薄膜元素含量進行分析的方法，在實驗優化參數下，測定了CIGS薄膜的橫向均勻性，分析可得實驗所用的CIGS薄膜中間部分摻雜均勻，兩側元素含量分布有偏差，從而對改進制備工藝提供了建議。

關鍵詞：激光誘導擊穿光譜 銅銦鎵硒 制備工藝 分布均勻性

近幾年，世界各國加速發展各種可再生能源替代傳統的化石能源，以解決日益加劇的溫室效應、環境污染和能源枯竭等全球危機。作為理想的清潔能源，太陽能永不枯竭，正成為當今世界最具發展潛力的產業之一。由于晶硅電池的高成本和生產過程的高污染，成本更低、生產過程更加環保的薄膜太陽能電池得到快速發展。銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽電池具有生產成本低、污染小、不衰退、弱光性能好等特點，光電轉換效率居各種薄膜太陽能電池之首，接近晶體硅太陽電池，而成本則是晶體硅電池的三分之一。此外，該電池具有柔和、均勻的黑色外觀，是對外觀有較高要求場所的理想選擇，如大型建筑物的玻璃幕墻等，在現代化高層建筑等領域有很大市場。如何能夠對CIGS薄膜的化學成分比和橫向均勻性進行精確快速地一次性的檢測，為高質量薄膜制備提供參考是薄膜性能測試中的一道技術難關。

以河北大學物理科學與技術學院麥耀華科研團隊制備的CIGS太陽能電池薄膜為實驗對象，實驗利用激光誘導擊穿光譜技術（簡稱LIBS，laser induced breakdown spectroscopy）裝置，實現對CIGS薄膜的化學成分比和橫向均勻性的檢測。

LIBS技術作為分析科學領域里的一種新的光譜檢測技術，具有在線、實時、遠程檢測的優點，近年來得到了快速發展，其應用范圍不斷擴大，新的研究成果不斷涌現，在分析物質成分元素方面顯示出勃勃生機和巨大的應用潛力。它可用于惡劣環境下的現場分析檢測，可實現對實驗樣品無損或微損檢測，整個操作快捷方便、分析過程所需時間短且可以同時檢測多種元素等，廣泛適用于固體、液體和氣體。雖然LIBS方法應用很廣，但是目前利用其裝置檢測薄膜材料性質方面的應用并不多見。究其原因主要是薄膜材料只有微米甚至納米量級的厚度，測量結果易受環境、實驗條件、自身基底等的影響，因此選擇合適的激光能量、探測延遲時間、環境氣氛氣壓等是精確測量的重要前提條件。

現階段已有前人在LIBS技術測試領域已積累了大量經驗，并對不同薄膜材料的激光誘導等離子體發射光譜進行了預研，取得了較理想的實驗效果。目前，LIBS技術在諸多領域得到應用，如：工業冶金，環境檢測，文物保護，地質勘探，材料科學，航空航天和生物醫學中血液樣本的評估等領域。

由于薄膜樣品太薄，激光取樣量太少，光譜信息強度太小，不足以滿足含量分析，因此LIBS技術在薄膜分析方面還不成熟。通過今年來光譜工作者課不懈努力和不斷研究，在薄膜方面應用也取得了許多新的成果，如：葛錦蔓[1]等應用LIBS技術對薄膜損傷特性進行表征的方法，研究了納秒脈沖激光作用下薄膜損傷時的等離子體光譜特征；蔡志龍[2]等用飛秒激光誘導擊穿光譜（fs-LIBS）技術研究了銅鋁合金濺射薄膜的時間分辨等離子體光譜特性；孫玉祥[3]等應用LIBS分析技術研究不同元素在等離子體中不同位置的分布并對未知納米薄膜定量探測，這就說明利用LIBS法分析薄膜樣品中的元素也是可行的。

CIGS薄膜厚度很薄，僅為微米甚至納米量級，因此LIBS技術測量結果易受環境、實驗條件、自身基底等的影響。通過選擇合適的激光能量、探測延遲時間、環境氣氛氣壓等可以提高激光誘導等離子體發射光譜的信噪比，通過優化光譜的收集光路可以有效提高檢出限。采用實驗條件：脈沖能量為120mJ，時間間隔為10/3s，延遲時間為425ns，光柵光譜儀的分辨率為0.04nm，光柵參數為1200BLZ=300nm，門寬為100ns，氣體流量為55sccm。

正因為CIGS薄膜作為太陽能電池的光吸收層，所以它成為提高光電轉換效率的核心材料， CIGS的制備工藝決定了薄膜性能的優劣。它既與太陽電池轉換效率相關，又與降低生產成本相關，而且與規模化生產能否實現等問題聯系緊密。CIGS薄膜的元素組分比、均勻性、結晶度、晶格結構及晶界等決定太陽電池的性能。通過大量的實驗可以看出：材料要得到越好的光學吸收特性，就要求元素組分與化學計量比偏離越小、結晶度好、元素組分均勻，這些都對提高太陽電池的光電轉換效率有很大好處。由實驗結果可知：在薄膜的邊緣位置0cm～2cm、4cm～6cm處各譜線的強度大小有波動變化。則可以推論薄膜中心處樣品蒸鍍比較均勻，而薄膜邊緣的蒸鍍有不均勻性。由CIGS薄膜的制備工藝可知，薄膜的確可能存在中心蒸鍍膜均勻而邊緣不均勻的現象，則驗證了可以用LIBS裝置來檢驗蒸鍍膜的均勻性。

在優化條件下，可以用LIBS裝置檢測CIGS薄膜太陽能電池各組分的含量，還可以根據各元素的特征譜線強度值來估計薄膜元素分布的均勻性，從而判斷電池吸收層的吸收性能，改進工藝。LIBS技術是一種材料識別、實時地進行定性和定量分析的新型技術，可廣泛用于實驗室和工業現場在線檢測。這種方法已成為一種炙手可熱的準確可靠的元素檢測的方法，為制備高效率的CIGS薄膜太陽能電池提供實驗依據和參考，相信LIBS也將在更多領域創造出更高的應用價值。

參考文獻：

[1] 葛錦蔓， 蘇俊宏， 徐均琪， 等.激光誘導擊穿光譜在薄膜損傷分析中的應用[J].光子學報，2016，45（04）：111-116.

[2] 蔡志龍，楊秋松，王陽.銅鋁合金濺射薄膜的飛秒激光誘導擊穿光譜分析[J].中國激光，2015，42（06）：307-314.

[3] 孫玉祥， 鐘石磊， 盧淵， 等.氧化鋯納米薄膜的激光誘導擊穿光譜（LIBS）分析技術研究[J].光譜學與光譜分析，2015，35（05）：1376-1382.