光致發光測量中摻雜濃度和少數載流子壽命分離的製作方法與工藝

2023-06-13 09:54:12

光致發光測量中摻雜濃度和少數載流子壽命分離本申請是申請日為2010年7月19日的題為「半導體材料光致發光測量中摻雜濃度和少數載流子壽命分離」的中國專利申請號201080033122.0的分案申請。技術領域本發明涉及通過光致發光測量法表徵半導體材料的特性，具體為涉及一種對由摻雜濃度和少數載流子壽命分別對光致發光信號產生的影響進行分離的技術。本發明主要改進了對於塊狀(非晶片)矽樣品的特性表徵，但本發明的改進並不僅僅局限於這一特定的使用領域。

背景技術：
採用商用晶片的太陽電池通常由尺寸為10×10cm2至22×22cm2的矽晶片製成。多晶矽鑄塊2(也稱為矽錠)如圖1所示，常規尺寸為1×1×0.7m3，將其切割成截面為正方形(10×10cm2至22×22cm2)的條塊4(俗稱為矽塊)，然後再切割成獨立的矽晶片，每一片矽晶片的厚度通常為120-250μm。矽錠通常被切割成4×4或5×5的矽塊。太陽電池通過採用不同的多晶矽錠或單晶矽錠的生長技術由多晶矽或單晶矽製成。對於晶片製造商來說，出於利益的考慮需要表徵切片以前的矽錠或矽塊的電子及結構特性。眾所周知，多晶(mc)矽錠鑄件的在矽的外側部位中摻雜濃度增大了，所述外側部位為矽錠的底部、頂部或側面。在矽錠底部和側面上，該摻雜濃度的增大是由於坩堝壁中的雜質向矽錠擴散而形成的，而在矽錠頂部，摻雜濃度的增大是由於在矽錠結晶過程中雜質向頂部液相分凝而形成的。雜質濃度的增大導致了電子材料質量的降低，表現為有效少數載流子壽命的降低。圖2從側面描述了多晶矽錠鑄件中典型的有效少數載流子壽命分布，即有效壽命高的材料8主要分布在矽錠的中心區域，而有效壽命低的材料10則分布在矽錠的頂部、底部和邊緣。目前，正在使用的用於表徵矽塊的實驗性技術包括紅外線透視法及少數載流子壽命掃描法。在紅外線透視技術中，次能帶隙的光透射過矽塊是採用紅外線照相機從不同的方向來測量的，其中，所述相機對於次能帶隙光譜範圍(對於矽來講，波長大於1100nm)較為敏感，從而提供諸如碳化矽(SiC)和氮化矽(Si3N4)的雜質濃度和位置的三維信息。目前，有效少數載流子壽命可以通過幾種實驗性技術進行測量，這些技術包括瞬態和準穩態光電導(QSSPC)法和微波光電導衰減(μ-PCD)法。這些技術手段測量出的有效少數載流子壽命，是受矽塊材料質量(如體少數載流子壽命)和表面複合影響的有效樣品的特性參數。尤其是對於非鈍化的表面，如切割的晶片，有效壽命通常很大程度上受到表面複合的影響或取決於表面複合。有效壽命橫向變化的二維信息，如在矽塊的某一表面上，可以通過採用上述方法在掃描模式下獲得，並通過手動或自動形式的點對點掃描，從而生成布局圖。在一些情況下，如採用準穩態光電導法，測出的有效壽命值可以在有限範圍內通過體壽命與有效壽命之間的預定關係轉換為體壽命值。儘管有效少數載流子壽命值比較容易測得，但體少數載流子壽命值對於光伏應用來說是更為重要，這是因為：(a)通過去除低壽命的表面材料並將表面鈍化可以顯著降低表面複合的影響；(b)不同於非鈍化樣品的有效壽命，體壽命值決定了太陽電池成品的電壓和電流。因此，特別是對於具有高表面複合的非鈍化樣品，將測得的有效壽命值轉換為體壽命值是很重要的。注入水平是決定少數載流子壽命的另一個重要因素。體壽命由多種複合機制決定，包括缺陷複合、輻射複合和俄歇複合。通過這些機制複合的複合率與少數載流子濃度成非線性關係，因此體少數載流子壽命本身取決於少數載流子的濃度。理想狀態下，少數載流子壽命的實驗數值為注入水平的函數，無論該壽命值是面積平均的或空間分辨的。然而，用具有兩個獨立參量(位置和注入水平)的函數表徵數據較為困難，空間分辨數據如壽命圖像或壽命分布圖通常僅僅用來表示各個點的單獨注入水平。在基於矽晶片的光伏產業中使用高純度冶金級矽可以顯著降低成本。高純度冶金級矽錠和矽塊的顯著特性在於：由於原料中摻雜了大量(高濃度)的磷和硼，本底摻雜濃度呈現出從矽錠的底部至頂部的反轉。由於這些摻雜質具有不同的分凝係數，其摻入晶體的速度也不同。因此，高純度冶金級矽錠通常在其底部形成p型，而在其頂部形成n型，實現了位於底部和頂部之間所謂「補償區域」的無摻雜或極輕度摻雜。由於來自該區域的矽晶片以及來自於上述區域的上部的n型矽晶片不能用於採用n型矽晶片常規網版印刷的太陽電池生產線中，因此需要一種可以快速獲得過渡區域位置和形狀信息的方法。在題為「檢測間接帶隙半導體結構的方法和系統」的PCT專利申請WO2007/041758A1中，公開了一種利用光致發光圖像法測量矽晶片有效壽命的方法，該文獻在此作為引用文獻。半導體材料光致發光圖像中可測的光強取決於自激輻射率rsp，通常假定其與電子(n)濃度和空穴(p)濃度的乘積成線性關係，即rsp＝B*n*p,其中係數B學術上稱之為輻射複合率。光致發光圖像法應用在矽樣品，特別是其非鈍化表面時，通常為低注入水平情況，即非平衡少數載流子濃度Δn遠小於本底摻雜濃度Nd，即Δn<1050nm(圓點)對從15cm厚的矽樣品的被選區域發出的PL信號所產生的預期變化進行比較。波長越長，PL信號的靈敏度越高，是因為更長的檢測波可以檢測到樣品內(如矽塊)更深區域的載流子濃度，在該區域內，大部分過剩載流子的變化是由於長體壽命而產生的(相比於圖5(b))。實際上，這種長波長靈敏度的提高可以通過將截止波長為1000-1200nm範圍的長波長濾波器引入到探測系統中來提高相對長波長靈敏度的方式來實現，或者可通過使用在更長波長時具有更高靈敏度的探測器來提高絕對長波長靈敏度的方式來實現，所述探測器為銦鎵砷(InGaAs)相機。現在將結合圖8(a)至圖8(e)，舉例解釋如何將原始PL圖像轉換為體壽命圖像。圖8(a)為p型矽塊的側面獲取的PL圖像24，圖8(b)表示了該側面的p型雜質(硼)的具有代表性的分布26，其中，灰度表示雜質濃度。PL圖像中強度的變化取決於雜質濃度與有效載流子壽命的乘積，將圖8(a)所示的PL圖像根據圖8(b)所示的雜質分布被歸一化處理，從而得到歸一化的PL圖像30(如圖8(c)所示)。圖8(c)中強度變化表現了有效少數載流子的變化。為了將有效壽命轉換為體壽命，可以利用如圖8(d)所示的有效載流子與體壽命之間的有代表性的非線性關係，將歸一化後的PL圖像30修正為圖8(e)所示的體壽命圖32，表明了樣品矽塊側面的體壽命的變化。需要注意的是，圖8(d)所示的特殊非線性關係為簡化的三次方程式，用於表示這種類型的實際經驗關係或理論關係，所述的類型如圖6中實心圓點所示。2)矽塊/矽錠PL圖像中相對強度變化的解釋在一些具體應用中，如將絕對計數速率作為第二考慮因素，以及根據具體圖形或相對變化分析PL圖像時，無需進行上述實施例中的步驟ii)，即根據本底摻雜濃度或測量參數的變化對PL計數速率進行歸一化。兩個例子為高位錯密度的識別(例如圖3中所示)，和低壽命區域的識別，所述低壽命區域位於矽塊或矽錠頂部、底部和側壁(例如圖2圖3所示)。利用圖像處理算法，將圖像中不同的特徵區別開來。矽塊側面的PL圖像中觀察到的位錯密度可用於估計由該矽塊切割下來的晶片的位錯密度，以及估計矽塊內體位錯密度並作為矽塊內高度的函數。這些信息可用於將晶片分揀入質量箱。結合從矽塊的二至四個側面的PL圖像中提取的信息可以使上述估計更為精確。類似的，利用矽塊一個側面的PL圖像可以識別頂部、底部以及在一些情況下側壁的少數低壽命區域的位置和範圍。結合從矽塊的二至四個側面的PL圖像中提取的信息可以使該分析結果更為精確。矽塊的PL圖像還可用於預測從矽塊切割下來的晶片中的壽命分布；圖3所示圖像左手側的低壽命區域10(深色區域)可導致從矽塊該部位切割下來的晶片邊緣附近的低壽命區域。矽錠側面的PL圖像還可用於將矽錠切割成矽塊的切割導引。3)對不同測量條件下得到的圖像進行合併(a)不同探測波長在上述公開號為WO2008/014537A1的PCT申請中，介紹了通過在相機鏡頭前安裝不同光譜濾波器，獲取至少兩張發光圖像的技術。由於在重複吸收之前，長波長的光照射在樣品中具有更高的平均光程長度，因此通過在探測系統前設置不同濾波器的測量方法，可以捕捉樣品中不同深度輻射出的光。兩臺不同濾波器下測得的光照強度比可以轉換為體擴散長度。相比於太陽電池成品的電致發光(EL)圖像，上述方法的優點在於在電池的EL成像中通常存在二極體電壓的局部變化，而在光照強度比中，消除了該變化，因此兩張未校正的圖像的強度比可以提供絕對單位的擴散長度。該方法的基礎在於，樣品厚度上的相對載流子濃度分布根據擴散長度而變化，但是一旦擴散長度大於樣品厚度的多倍時，該方法對於擴散長度的變化並不敏感。相同論述還可以用於解釋應用在厚度大於10cm的矽塊的類似技術內容，但是，現在的情況是，在更大的範圍值上，擴散長度都比樣品的厚度小，具體言之，該範圍值可以是對於矽塊所有被感興趣的有實際價值的值。因此，造成體壽命或體擴散長度的變化對光照強度比產生影響的矽塊中的體壽命或體擴散長度範圍要遠大於晶片或電池中相應的範圍。應用上述方法，計算相同激發但不同探測下的圖像的強度比具有兩個優點：第一，可以從PL強度比可以估算出矽塊的本底摻雜變化；第二，兩張均為相對單位(每次測量以相同的入射光強照射並且每次測量均根據成像設備曝光時間和面元進行歸一化處理)的未校正的PL圖像比率，其中每張圖像均為無需另外校正即可提供絕對體壽命或體擴散長度。按下列步驟實施本方法：步驟(i)：使用相同或相近光強度但兩個不同探測波段測量兩張PL圖像。其中一次測量優選使用短波光子，以得到前表面附近載流子濃度的增強信息，而第二次測量使用長波光子，從而測得樣品中達到某一具體深度的平均載流子濃度。步驟(ii)：或者，對每張圖像進行關於相機曝光時間以及面元的歸一化，必要時，還可以對每張圖像進行關於光照強度和/或集光效率的實驗測得的變化或模型化變化的歸一化。步驟(iii)：對於每個像素，對兩張歸一化的圖像進行強度比的計算。步驟(iv)：根據預定關係式，將計算得到的各像素上的強度比轉換為體壽命。或者，根據光照強度的變化和/或集光效率進行多張圖像的合併歸一化可以被用於計算強度比。步驟(iv)所述的預定關係式是將實驗得到的PL強度比與實驗體壽命或體擴散長度數據進行比較後，根據經驗確定的，或在不同體壽命/體擴散長度的範圍內，利用常用建模程序(如DESSIS，PC1D)分析或數值計算得到相對載流子分布，然後考慮重複吸收和傳感器靈敏度因素，利用載流子分布計算兩張預期測量得到PL強度，從而得到體壽命/擴散長度值。對兩張PL圖像分別進行上述計算通過計算預期強度比，得到體壽命/擴散長度值，並將強度比作為體壽命/擴散長度的函數，生成分析曲線或查詢列表。厚度為15cm的矽樣品，作為體壽命函數探測到的PL強度的計算數據如圖7所示。參考左手側的Y軸，在950-1000nm光譜範圍內採集到的理論PL強度以實心方點繪製，而大於1050nm光譜範圍採集到的理論PL強度以實心圓點繪製。參考右手側的Y軸，圖7還顯示了作為體壽命函數的兩次PL信號的比(空心三角)，可以看出通過強度比的變化可以直接對體壽命進行修正，兩張濾波合成圖像在低壽命時屈服於相同的PL計數速率，得到統一的強度比結果，這一巧合是選擇了特定的波長間隔以及在具體實驗條件模型所導致的。如果銦鎵砷相機、紅外敏感的光電倍增矽相機或類似的在1100-1300nm範圍內具有明顯光譜敏感的傳感器和適當的較長波長濾波器聯合起來被使用，則可以探測矽塊內更深位置的載流子濃度變化，從而探測更長擴散長度的擴散長度變化。圖7所示的強度比曲線表明，在體壽命值較高時，強度比的變化最為顯著，因此，本方法可被特別用於測量多晶矽塊或矽錠的側面或高壽命多晶矽塊的表面。介質濾波器由於具有陡峭的起始和截止波長，即從高透射到低透射的過渡，原則上可以對不同PL波段進行很好的篩選。然而介質濾波器的透射有很強的角相關特性，隨著入射角的增大，起始/截止波向短波方向移動。本申請中需考慮該影響，如圖11所示，來自擴展樣品42的PL輻射40，在一定的入射角範圍內衝擊設置於相機46之前的介質濾波器44，其中，所述樣品可以是矽晶片或矽塊。很明顯，這將影響單張PL圖像中的PL強度分布，並由此進一步影響強度比和分析結果。若使用介質長通(LP)濾波器獲取長波PL圖像，和使用短通(SP)濾波器獲取短波PL圖像時，該影響會更為明顯，這是由於起始/截止波的角相關性對長通或短通濾波器後採集到的圖像具有反向效應。隨著入射角的增大，起始/截止波向短波方向移動的意義為，通過短通(SP)濾波器後採集到的PL圖像在離軸位置強度相對減小，而由長通(LP)濾波器採集到的PL圖像在離軸位置的強度相對增大。有很多技術手段可以用於緩解上述問題，這些技術手段可以單獨地或結合起來被應用。如圖11所示，表示了增加相機46(以及濾波器44)與樣品42之間的距離，可以減小入射角的範圍，但這樣就約束了系統設計，並且由於樣品表面PL輻射的類朗伯體模型，必然使得被吸收信號強度的減小。另一方法為利用關於各濾波器的測量得到的平場校正數據，同時考慮了透射的角相關性的，對長波圖像或短波圖像進行適當的校正。例如，對給定的濾波器進行平場校正，可以通過濾波器來採集高質量多晶矽晶片的PL圖像，所述矽晶片可以認為在其整體區域內具有統一的PL響應。由此導出的平場校正還可校正系統中其他的非均勻性情況，尤其是集光效率的角相關性。由於幾臺介質濾波器在其區域內不是各向同性的，因此還必需針對某一具體濾波器定位做平場校正的測量，並且接下來在採集圖像的過程中需要維持這種定位。當利用不同濾波器計算兩張圖像的強度比時，既可以在計算強度比之前對各圖像進行校正，也可以採用聯合平場校正對強度比圖像進行校正。為了闡述該校正過程，圖12(a)和圖12(b)分別表示了通過1000nm短通濾波器和1050nm長通濾波器採用矽CCD陣列採集到的矽太陽電池的PL圖像。圖13(a)為圖12(a)圖像沿橫截面對角線的PL強度分布，而圖13(b)為圖12(b)為相應的PL圖像強度分布。從強度分布圖中可以看出，高強度區域48和低強度區域50疊加在由金屬手指導致的梳狀信號52上，以及由於母線導致的低強度尖鋒54上。圖12(a)(短通)圖像的強度在角落處顯著降低，其中一部分是由於上述濾波器的角相關性所造成的。我們注意到圖12(b)(長通)圖像的強度在角落出也降低了，儘管降低的趨勢要小於短通圖像；這是因為使得角落的強度增大的濾波器角相關性的影響沒有其它的影響大，這些其它的影響可以是集光的角相關性影響。圖12(c)所示的圖像為圖12(a)和圖12(b)所示圖像的強度比，而圖13(c)為沿橫截面對角線的PL強度分布，同樣在角落呈現滾降。最後，圖12(d)和圖13(d)為平場校正後的強度比圖像及其相應的PL強度分布，可以明顯看出角相關性的假象被消除了。或者，吸收濾波器可被用於對不同PL波段進行選擇。與介質濾波器不同，其透射與入射角幾乎無關，但是其吸收邊緣較平緩，從而導致波段選擇/濾除的質量較低。我們注意到圖12(b)的圖像，其具有較長波長的PL輻射，與圖12(a)的圖像相比更為灰暗。這是因為矽對波長較長的光的吸收率低，導致了矽CCD相機像素中的橫向拖尾效應。正如在公開為WO09/121133的PCT申請中所討論的一樣，在上述情況下，圖像對比度可以通過光探測系統的理論或實驗測量點的擴展函數得以增強。強度比測量法的實際應用如圖14(a)和14(b)所示。採用強度為1Sun的由二極體雷射陣列發出的近紅外光對P型多晶矽塊的一側進行照射，然後採用矽CCD相機首先通過1050nm的長通濾波器被成像，然後通過1000nm的短通濾波器對PL輻射進行成像。對圖像的強度比進行逐一像素的計算，最終得到的比率圖如圖14(a)所示，其中比率範圍從在低壽命區域的1到在高壽命區域的3。然後，通過理論關係式將各像素上的強度比轉換為體壽命，轉換後的體壽命圖像如圖14(b)所示。需要注意的是，由於矽塊的尺寸，需要通過每臺濾波器採集的兩張圖像並將其縫合在一起；圖14(a)和圖14(b)上的接頭採用箭頭來表示。使用光濾波器篩對PL圖像的波長範圍進行選擇，可以降低相機採集到的PL信號強度，潛在地導致了圖像採集時間的增加和測量速度的下降。或者，通過使用像素拼合和兩張按先前描述的用於獲取體壽命的低空間解析度圖像的方式處理得到的圖像來採集具有低空間解析度的短波長和長波長PL圖像，但並未將信號歸到噪聲比。然後，對沒有進行像素拼合的高解析度PL圖像進行採集，然而這並未採用光濾波器和用於獲取體壽命高解析度圖像的相關數據。本實施方式需要對第三張PL圖像進行採集，但是由於濾波後的圖像可以被更快地採集到，因此本實施方式的過程進行的更快。從強度比圖像中獲得的體壽命數據與未濾波PL圖像的對比可以用於獲取樣品中本底摻雜變化的信息。(b)不同激發波長以類似的方式，可以採用相同的探測波段但是不同激發波長，從矽塊或矽錠的PL圖像比中獲取絕對體壽命/擴散長度分布，其中，所述激發波長在樣品內不同深度處產生過剩載流子。如圖9所示為兩張PL圖像的作為體壽命函數的光照強度比，其中所述PL圖像為在800nm激發和600nm激發下從厚度為15cm的矽塊分別獲取的。圖9中的強度比曲線表明本方法僅可以得到短擴散長度/低壽命下的絕對體壽命或擴散長度信息，這是因為當體壽命值大於10μs時，不同激發得到的PL強度比對體壽命變化極不敏感。對於長擴散長度，激發波長對相對載流子濃度無顯著影響，因此PL強度比為常數。然而，本方法同樣具有關於探測波長範圍變化測量的一些相同的優點，其中，可以根據PL強度比和兩張未被校正的PL圖像對樣品的本底摻雜變化進行估算，每張圖像均在相對單位下(每張圖片採用相同入射光強度進行測量且根據成像相機曝光時間和面元進行歸一化)提供了絕對體壽命或體擴散長度無需進行外部校正。(c)不同探測和激發波長用樣可以通過獲取兩張PL圖像的強度比來確定樣品體特徵參數，其中，在所述PL圖像中激發和探測波長在兩張圖像間被改變。或者，也可以將兩種方法結合在一起，從而在高體壽命區域內對採用不同探測波長獲取的兩張圖像強度比進行分析，而在低壽命區域內對採用不同激發波長獲取的圖像比進行分析。4)獲取本底摻雜變化信息以下應用尤其適用於矽塊和矽錠，但原則上也可用於摻雜濃度橫向變化的晶片。由於測得的PL信號與有效壽命和本底摻雜濃度均成正比，因此可以通過對被測的PL強度進行關於在單獨壽命測量中測得的壽命變化的歸一化來獲取本底摻雜強度的信息。具體言之，第3節中描述的方法可以用於獲取體壽命信息，無需校正。根據任何體壽命變化數據和如圖6所示的歸一化PL計數速率與體壽命之間的關係，可以計算出期望的歸一化的PL強度變化。根據測量到的PL圖像和基於體壽命的期望PL強度之間的比可以得到樣品摻雜濃度的相對變化。尤其可以採用通過第3節中所描述的方法獲取的體壽命數據對本方法進行應用。在這種情況下，PL圖像可以是兩張採用不同探測波長或不同光照波長獲得的獨立的PL圖像中的任意一張，或為一第三張PL圖像。或者，當採用單獨的測量法測量有效壽命時，進行關於有效壽命變化的歸一化得到的PL圖像為一張具有相對摻雜濃度變化的圖像。無論採用哪一種方法，如果在某一點上的摻雜濃度或樣品的平均摻雜濃度是已知的，那麼，樣品的相對摻雜濃度變化可以被校正為絕對摻雜濃度圖像。當該校正被應用於生產中具有相似表面特性的樣品上時，該校正則不必要被應用到每個樣品上。或者，相同的校正常量可被應用於具有相似的或實質相同的光學表面特性的不同樣品上，所述樣品可以是拋光後的矽塊。在有效壽命可以被假定為恆定的情況下，測量得到的PL強度變化為相對摻雜濃度變化的圖像，其中，如果在某一點上的摻雜濃度或樣品的平均摻雜濃度是已知的，所述PL強度變化則可被校正為絕對摻雜濃度圖像。例如，在上述假設成立的前提下，對於樣品為具有高體壽命的非鈍化的晶片來說；樣品有效壽命(相比於圖6中的方點)為恆定，且PL強度直接揭示了摻雜變化。這可以被用於測量多晶矽晶片中的雜質條紋。在其他特定情況下，摻雜濃度變化非常顯著，從而有效壽命的微小變化僅能導致微小誤差，而這些微小誤差對於某些應用來說是無關緊要的。這種情況涉及到補償後或UMG矽塊，在其由p型向n型過渡的區域內，有效摻雜濃度的變化非常明顯，表現在PL計數速率中的最小值。例如，圖4中所示的UMG矽塊的PL圖像，頂部附近的深色帶16表示了該過渡區域的精確位置，而無需就壽命變化對PL信號進行補償。能夠對過渡區域進行快速地且精確地定位，這為晶片生產商提供了切割導引，以識別並對晶片的P型區域、過渡區域和N型區域分類。接下來是在不考慮壽命中變化的情況下進行的分析。因此假設有效壽命的變化遠小於有效摻雜濃度的變化。為了闡明將PL數據直接轉換為摻雜濃度變化的過程，圖(10)表示了(參考左手側Y軸)圖4所示的PL圖像中PL強度從底部到頂部(從左往右)的線掃描34，以及(參考右手側Y軸)擬合後的理論有效摻雜濃度，即摻硼濃度和摻磷濃度的絕對差值(虛線36)，其中各濃底均參考Scheil方程式計算得到。當有效壽命未發生變化時，PL強度有望與有效摻雜濃度成正比。在計算理論有效摻雜濃度時，晶體矽中硼與磷的分凝係數keff均為從文獻中得到。唯一剩餘擬合參數為原料中的初始摻硼濃度NB(0)和摻磷濃度NP(0)；改變上述參數使得在相對單位36的有效摻雜和已測PL強度的線掃描34間實現最好的擬合。NB(0)和NP(0)的變化可以導致絕對有效摻雜的變化和有效摻雜的最小值在X軸上的移動，且，當最小值恰巧與PL強度38的最小值重合時，停止改變上述參數。如圖(10)所示，將相對有效摻雜濃度擬合為的PL強度截面，實現了對NB(0)/NP(0)比率的量化，該方法是基於以下假設的：原料僅包含一種主要施主類型和一種主要受體類型，並且施主原子和受體原子均根據Scheil方程式分布。在上述假設條件下，對於其他矽中的摻雜原子，如鎵，該方法可以以相似的方式被執行。5)注水水平對少數載流子壽命的影響在背景技術中曾提到過，準穩態條件下，有效少數載流子壽命與產生率G成反比，與少數載流子濃度成正比，即τeff＝Δn/G。但實際上，少數載流子壽命還是注入水平的函數，這使得現有壽命測量技術變得複雜。S.Bowden和R.A.Sinton於2007年在應用物理期刊102,124501上發表了題為「利用載流子濃度的精確表達式確定矽塊和矽晶片中的壽命」的論文，採用QSSPC技術，針對恆定光照強度(即G為常數)對壽命數據進行報告，使得各有效壽命對應的注入水平不同(和晶片的PL圖像中的情況一樣)，或對於恆定注入水平來說，相當於報告不同光照強度照射下的壽命數據。上述兩種方法均存在一定的缺陷，即在相同注入水平下或相同光照強度下(或兩者的結合)，所得到的具體壽命範圍值，與太陽電池的工作相關性較小或沒有相關性。相反的，我們驚奇地發現，體矽樣品(如矽塊)的單張PL圖像可以允許在恆定光照水平以及在恆定的定義良好的平均注入水平下對大範圍的體壽命進行測量。為了理解該反常結果，則需考慮平均載流子濃度的定義和產生率。測量晶片壽命時，通常對Δn和G在樣品厚度內對取平均值。然而，Bowden和Sinton在其發表的論文中指出，該方法不適用於諸如矽塊的體樣品，這是因為相對於整體樣品厚度，大量的過剩載流子僅分布在光照表面附近的很小體積內(與如圖5(a)和圖5(b)所示的載流子濃度分布圖相比)。Bowden和Sinton提出了用於解決該問題的分析方法，即定義載流子濃度的加權平均值navg和有效樣品寬度Weff。我們在此使用上述定義，並相應地使用平均過剩載流子濃度的標記。利用上述Bowden和Sinton的論文中所介紹的分析模型，分別針對兩個吸收係數(α＝700cm-1，對應於800nm的入射光，α＝3.5cm-1，對應於1100nm的入射光)，過剩載流子濃度作為非鈍化矽塊內位置的函數可被計算得出，並被標繪在圖5(a)和圖5(b)中。表面(位置＝0)的過剩載流子濃度為零，這是因為該表面為非鈍化表面。圖5(a)和圖5(b)均表示了針對三個體壽命值，過剩載流子濃度與位置的對應關係，其中體壽命值分別為：10μs(標繪18)，100μs(標繪20)和1000μs(標繪22)。各圖中，矩形40(圖中僅針對τbulk＝100μs和τbulk＝1000μs的標繪)與坐標軸的交點為Δnavg和Weff的值。，對比圖5(a)中在短波長(α＝700cm-1)激發下的這些矩形，可以看出隨著體壽命的增長，載流子分布的變化主要為有效寬度的變化，而平均載流子濃度近似為恆定。在長波長(α＝700cm-1)激發下進行相同的比較，可知平均載流子濃度(與平均注入水平相關)隨著壽命的增大而顯著增大。根據Bowden和Sinton提出的下列方程式，作進一步觀察：其中，L為擴散長度，D為擴散係數，Ns為進入樣品的光通量，α為吸收係數。當αL>>1時，即在短波長激發(或長壽命)的條件下，方程式(1)可簡化為：表明，平均注入水平不再取決於壽命。另一方面，對於αL<>1，p型矽中擴散長度等於τbulk＝3.5μs。重要的是，在最相關區域τbulk>3.5μs內，用λ＝800nm的激發光橫向恆定照射，所得到的單張PL圖像為在注入水平近似恆定時的壽命變化。當D＝27cm2s-1，Ns＝3*1017cm-2s-1時，通過方程式(2)計算得到Δnavg＝8*1012cm-3，與壽命無關。選擇波長λ＝800nm左右的近紅外光進行激發的另一優點在於，對於常規體壽命來講，其導致的矽塊內的平均注入水平非常接近於處於最大功率點的常規工業矽太陽電池成品中和注入水平。激發的變化或光照強度的變化(或改變兩者)，可使注入水平根據要求被進行微調。在該注入水平範圍內測量壽命數據可便於分析，且可避免材料參數的注入水平依賴關係的不精確，所述參數如載流子遷移率或輻射複合係數，所述參數在高注入水平時變化很大。分析模型定義了矽塊中空間平均注入水平，在該分析模型的基本限定中，PL成像為體壽命的評估提供了理想的條件。平均注入水平與採用短波長激發矽塊進行的PL測量中的體壽命相關性較小，這給出了另一個暗示，即注入水平與光照強度幾乎為線性相關。在不同光照強度下，對同一矽塊區域進行多次光致發光圖像的獲取，可以測得各點或圖像中具體區域內的取決於注入水平的壽命。以上的測量可以通過針對光照強度對被測量的圖片進行歸一化，然後將強度歸一化後的PL計數速率轉換為體壽命，後者的轉換方式已在先前被描述過。由於平均注入水平與產生率G成正比，而產生率G本身與入射光強度成正比，因此可以根據方程式(1)或方程式(2)將測得的入射光強度轉換為平均注入水平。通過採用不同光強照射得到的多張PL圖像，可以計算得出體壽命的注入水平依賴性，並繪製出具體區域或單個像素。就對比來說，我們考慮到注入水平對QSSPC數據的影響。例如，利用QSSPC工具，此工具為Sinton諮詢公司的「boule測試儀」，將體壽命報告為注入水平的函數。在恆定平均載流子濃度，通常為Δnavg＝5*1014cm-3下，體壽命估算值的線掃描被報告為處於一恆定平均載流子強度，通常為Δnavg＝5*1014cm-3。由於本系統使用的是寬帶光源，因此不可能採用簡單分析方式。假設照射光波長為1100nm(α＝3.5cm-1)，當體壽命τbulk<3ms時，認為αL<1，根據方程式(1)和方程式(3)計算得出，在該範圍內，平均注入水平隨著體壽命的增長而增大，這一點與晶片壽命的測量類似。當光照強度為1Sun(Ns＝3*1017cm-2s-1，且當τbulk＝10μs和τbulk＝100μs時，根據方程式(1)分別計算得到的Δnavg＝4.7*1012cm-3和的Δnavg＝3.7*1013cm-3。為了得到常規平均載流子濃度Δnavg＝5*1014cm-3，當τbulk＝10μs時，要求入射光強度應為100Suns(Ns＝3*1019cm-2s-1)左右。當Δnavg＝5*1014cm-3，為了達到更短的壽命則需要更強的光強度。需要注意的是，上述強度因素在很大程度上取決於光強分布圖中確切的光譜含量，但附圖表明，在進行典型的QSSPC測量時，為了達到Δnavg＝5*1014cm-3，通常要求較大光強度。對於傳統太陽電池的應用來說，這些光強度是不現實的，這是因為太陽電池通常工作在等同於1Sun的光照強度下且在某一工作點處，在該工作點處晶片內部載流子濃度被降低到在開放環路的條件下，且在0.05Sun光照強度下可被獲得一個值。因此在數十或數百個Sun下獲得壽命數據不太適用於太陽電池的應用。本文闡述了很多具體實施細節。但是，本發明的實施方式並不僅僅局限於這些具體細節。對於本發明未詳細闡述的其他實施方式、已知方法、結構和技術亦不會影響對本說明書的理解。儘管通過參考某些優選實施方式對本發明進行了闡述，但由此所引伸出的變化和變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。