硅作为最为广泛应用的半导体材料,在半导体芯片、微电子器件及太阳能光伏领域占有十分重要的地位。随着半导体芯片性能不断提升、太阳能电池发电量需求不断增加,对硅晶圆、硅基太阳能电池结构设计与制造工艺质量要求越来越高。硅晶圆载流子输运特性及硅基太阳能电池的载流子输运特性和电性能准确检测与分析已成为其质量控制的重要环节。因此,发展一种可靠的无损检测技术对硅晶圆及硅基太阳能电池特性进行准确表征与分析具有十分重要的意义。锁相光致载流子辐射检测技术是一种光致发光技术(Photolunminescence,PL)与锁相(lock-in)信号提取技术相结合的新型光学非接触检测技术,包括基于单点探测的光致载流子辐射检测技术(Photocarrier radiometry,PCR)和基于焦平面相机探测的锁相光致载流子成像检测技术(Lock-in carrierography/photolunminescence,LIC/LIPL)。相比传统光致发光检测技术,锁相光致载流子辐射检测技术(PCR/LIPL)具有频域动态、自校正、信噪比高等优势,为定量分析半导体材料特性参数(载流子参数与电性能参数)提供新途径。本文重点开展了硅晶圆、硅太阳能电池的光致载流子载流子密度波模型建立与PCR信号仿真、锁相光致载流子辐射系统研制、载流子输运参数检测、硅太阳能电池电性能参数LIPL成像检测及辐照损伤单晶硅太阳能电池主要特性的PCR/LIPL分析等研究工作。首先,基于载流子传输方程建立单层硅晶圆等效结构的一维零差、差动PCR模型、载流子有效寿命的PCR模型和双层太阳能电池等效结构的一维PCR模型。数值仿真分析光学参数、结构参数及载流子输运参数对PCR频域信号的影响,并利用零差、差动PCR信号对载流子输运参数变化进行灵敏性分析,为准确检测载流子输运参数奠定理论基础。其次,研制锁相光致载流子辐射PCR/LIPL检测系统。该系统集成零差和差动PCR与LIPL同步检测功能。基于Labview软件开发具有数据采集、处理与显示等功能的软件系统。利用该系统可实现n型和p型硅晶圆载流子有效寿命、掺杂浓度及电阻率的检测,检测结果与四探针方法吻合。利用零差、差动PCR和差动LIPL方法对硅晶圆载流子体寿命、表面复合速率的位置和非均匀分布进行检测,检测结果与光电导检测结果吻合;利用LIPL系统对氢氟酸清洗后硅晶圆不同时刻的载流子体寿命和表面复合速率进行成像检测。然后,通过太阳能电池光电辐射理论研究电性能参数、发光光强与过剩载流子浓度或密度之间的关系。建立太阳能电池的二维结构有限元模型,仿真分析饱和电流、串联电阻、并联电阻和断栅分布对发光光强的影响与规律。对单晶硅和多晶硅太阳能电池的电性能参数开展电荷迁移调制与光调制的锁相光致载流子辐射成像检测研究,在给定光注入条件下,两种调制方法成像检测与光致发光成像检测结果吻合。最后,利用PCR检测研究粒子辐照能量和注量对单晶硅太阳能电池载流子输运参数的影响及规律。提出PCR检测与I-V仿真相结合的辐照损伤太阳能电池电性能分析方法,利用该方法得到的主要电性能参数与电测结果较好吻合。通过PCR扫描成像对辐照前后载流子扩散长度分布进行研究,利用LIPL分析电子注量对饱和电流密度和串联电阻的影响及规律。结果表明:辐照损伤后的单晶硅太阳能电池,载流子扩散长度急剧降低且分布不均匀,饱和电流密度和串联电阻显著增大。PCR/LIPL为辐照损伤太阳能电池整体与局部载流子输运特性及电性能分析提供重要手段。