高灵敏度光伏硅杂质元素分析仪的研制

　　目前，随着我国的光伏产业迅猛发展，对光伏多晶硅的需求逐渐增大. 对于生产太阳能电池的多晶硅而言，多晶硅中杂质含量是其中最关键的性能控制参数之一. 多晶硅中的杂质主要为 Al、P、B 等非金属元素和 Cu、Co、Ni、Fe、Zn、Ti、V、Cr、Mn 等金属元素. 对于光伏硅中杂质含量的测定，通常使用 ICP - MS、ICP - AES、AAS、GDMS 等质谱类仪器，其主要缺点是价格昂贵、运行成本高.因而研制开发造价低廉、运行成本低，且准确度高的新型光伏硅杂质含量测定仪，便成为重要的研究课题.

　　能量色散型 X 射线荧光( EDXRF) 分析仪具有体积小、易维护、运行成本低的特点，已被广泛应用于化工检测、地矿等领域的在线或现场分析.自 1973 年 Porter[1]首次发表能量色散谱仪的原理和应用以来，1987 年刘亚文又对 X 射线荧光分析方法( XRFA) 的基本原理进行了研究[2]、2008年杨明太等详细论述了 EDXRF 仪基本结构和工作原理[3]. 本文所研制的光伏硅杂质元素分析仪是以能量色散谱仪的工作原理为依据，采用先进的硅漂移探测器( Silicon Drift Detector 简称 SDD)和数字脉冲处理器( Digital Pulse Processor 简称DPP) 为核心，并设计了独特的双靶激发系统，属于一种新型的 X 射线荧光类光谱仪.

　　对于 EDXRF 而言，探测系统一直是其最关键的部件. E. Gatti 和 P. Rehak[4 -5]在 1983 年首先提出硅漂移探测器的结构. 它具有输出电容小( 一般小于 0. 1 pF) 且不依赖于探测器面积、电子学噪声远小于同样面积和厚度的 Si - PIN 探测器、只需采用简单的半导体制冷，其能量分辨率即可达到甚至超过液氮制冷的 Si( Li) 探测器等特点[6 -7]，使得能量色散类 X 荧光分析仪的分辨率有了极大地提高，其分析精度亦可满足生产实际的需要. 但该类仪器是否能够满足太阳能光伏电池用多晶硅的杂质含量探测，尚需深入的研究.

　　1 仪器结构

　　高灵敏度光伏硅杂质元素分析仪是由 X 射线激发系统、探测系统、软件系统 3 大部分组成. 仪器的系统结构框图如图1 所示.

　　1.1 X 射线激发系统

　　X 射线激发系统主要采用小功率的双靶 X光管. X 光管电压为 0 ～30 keV、电流取值范围为0 ～ 1 mA，受外部稳压高压电源控制. 为了能同时对测量范围内的元素进行高灵敏度探测，仪器采用了双靶激发系统[8].

　　1.2 SDD - 硅漂移探测器

　　探测器选用美国 Amptek 公司生产的 XR -100 型 SDD 探测器.该探测器可在室温下使用，从而省去了 Si( Li) 半导体探测器需要频繁补充液氮的麻烦，以及 Si - PIN 半导体探测器需要电制冷的复杂结构.对于55Fe 的 Kα特征 X 射线( E =5. 9keV) ，其能量分辨率( FWHM) 可达到 139 keV. 与Si( Li) 和 Si - PIN 相比，在分辨率相同的条件下，其计数率有数量级上的提高，这对提高 X 射线的测量限具有重要的意义. 图 2 为 SDD 测量光伏硅的谱图，由此可以看出，该探测器对于 Co、Ni、Cu、Zn 等具有很高的计数率.