椭偏仪在ALD制备SnO2薄膜中的应用

钙钛矿太阳能电池作为新一代光伏技术，具备低成本、可柔性、制备简单等优势，目前实验室光电转换效率（PCE）已突破 26%，成为下一代太阳能电池的核心研究方向。

电子传输层是电池器件中的重要组成部分，SnO₂为当前较优电子传输层材料之一，相较传统 TiO₂，SnO₂具有高电子迁移率、能带匹配性好、低温制备（<150℃）、光稳定性佳等优势，可见光透过率 > 80%，带隙 3.6-4.5 eV。

图1.  SnO₂电子传输层在钙钛矿电池中的结构定位

SnO₂电子传输层的制备方法分为化学法和物理法两大类，主要包括旋涂法、化学浴沉积（CBD）、原子层沉积（ALD）、磁控溅射等方法。其中，ALD有着薄膜致密、缺陷少、均匀性较佳等优势，应用于高性能小面积器件及叠层电池的制备。

准确测量SnO₂电子传输层的膜厚，对钙钛矿叠层电池的研发及设计起到重要作用。用台阶仪测试SnO₂膜厚，易划伤薄膜，且超薄膜的测量误差大；用扫描电镜（eg. SEM）测试SnO₂膜厚，需要破坏样件、测量速度慢且成本高。与其他膜厚测量手段相比，椭偏仪具有非破坏性、测量精度高和测量速度快等优点。

对ALD工艺制备的SnO₂薄膜，SE-VM高精度椭偏仪可精确测量薄膜单点的膜厚以及光学常数nk；ME-Mapping高精度椭偏仪在SE-VM的基础上，可以快速而准确测量并输出薄膜的膜厚、光学常数nk的均匀性。

SE-VM和ME-Mapping均可满足白玻璃和Si衬底上SnO₂膜层的测量需求。

图2. SE-VM（左）和ME-Mapping（右）高精度椭偏仪

案例展示：准确测量ALD工艺制备的SnO₂薄膜

a. 对于Si衬底上20nm SnO₂薄膜，SE-VM可以精确表征薄膜的膜厚以及光学常数nk。

THK：25.27nm

 

图3. Si衬底上SnO₂薄膜的椭偏拟合曲线

图4. SnO₂的nk曲线

b. 对于玻璃衬底上80nm SnO₂薄膜，SE-VM可以精确表征薄膜的膜厚以及光学常数nk，并且SnO₂膜厚拟合结果和同片TEM膜厚数据保持高度一致性！

THK：80.05nm

 

图5. 玻璃衬底上SnO₂薄膜的椭偏拟合曲线

图6. SE-VM与TEM同片膜厚结果展示

c. 使用SE-VM，长期监控同一片SnO₂样件（非同点位测试），多日监控的SnO₂薄膜膜厚及折射率数据展现了较好的稳定性。

图7. SnO₂薄膜膜厚及折射率的长期监控数据

d. 使用ME-Mapping，可对SnO₂薄膜进行自定义多点位扫描测量。以2D/3D热力图的形式展示SnO₂薄膜的膜厚分布，并输出膜厚均匀性结果。

图8. SnO₂薄膜的2D/3D膜厚热力图