Luminescence Imaging Techniques for Silicon Photovoltaics

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2013
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Dissertation
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Zusammenfassung

In this work, new approaches for the characterization of crystalline silicon wafers and solar cells using electroluminescence imaging (ELI) and photoluminescence imaging (PLI) were presented.



Basis for the measurements was the construction of a sensitive, camera based luminescence imaging setup with a widely adjustable field of view. GaAs based optical filters were introduced for near optimal excitation light suppression. The illumination of samples for PLI is possible both with an LED panel and a homogenized solid-state laser. Both light sources have an adjustable and calibrated photon flux.



A lifetime calibration method for PL images based on QSSPC measurements was implemented. To correlate the spatially resolved PLI data with integral QSSPC values, the QSSPC sensitivity distribution was characterized.



In addition to the default Si CCD camera, several InGaAs cameras were evaluated and compared for the measurement of defect band luminescence. Corresponding measurements of a multicrystalline Si solar cell at different temperatures show both an anticorrelation of band-to-band PL with defect band PL and a PL increase for low temperatures.



To separate the contributing factors to solar cell series resistance, a technique based on EL images was developed. A multilayered 2-D model of the solar cell is solved and fitted to p-n junction voltage maps from ELI until both voltage distributions agree. The series resistances of front metallization grid, metallization contact, emitter and base are parameters in the solar cell model and reach their respective values during fitting. The obtained results for different solar cells qualitatively respond correctly to changes, e.g. of emitter sheet resistance. However, light scattering effects lead to a systematic underestimation of the solar cell resistivity. Further refinements taking care of this issue are required to make quantitatively correct measurements.



A newly developed technique for calibration-free imaging of the minority charge carrier lifetime tau_eff using time-resolved photoluminescence imaging (TR-PLI) was presented. The measurement is based on a modulated illumination of the sample, synchronized to a periodically shuttered recording of the PL emission. Three different shutter setups were described, with increasing experimental complexity and correspondingly higher time-resolution. The first setup uses a rotating shutter wheel in front of the camera lens and was able to resolve tau_eff down to ~300µs. The second setup-which was filed for patent-uses a shutter wheel in the intermediate image plane between two objective lenses, extending the measurement range down to ~5µs. The third setup is based on an electronically switched image intensifier unit, which allows reliable mapping of tau_eff from ~2.5µs to several ms. The electronic shuttering also simplifies evaluation and calibration, making this setup the preferred choice if the required image intensifier can be acquired.



A comparison of the three shutter setups shows very similar results within their respective measurement range. The choice of excitation frequency has significant impact on the uncertainty of the measurement, an empirical optimum was found at f_exc = 1/tau_eff,max. Compared to the established lifetime measurement techniques QSSPC and µ-PCD, very good agreement was observed. At low excess carrier densities the measurements could not be compared as the results from QSSPC and µ-PCD were impaired by trapping and DRM artifacts, to which TR-PLI is less susceptible.



To increase the dynamic range of the measurement, the TR-PLI lifetime map can be used to calibrate steady-state PL images. Also, a map of tau_eff at a laterally homogeneous excess carrier density can be obtained by the combination of several measurements.





During the course of this work, several ideas to improve upon the presented techniques could not yet be realized. The series resistance characterization method would benefit from the implementation of a solar cell model including carrier diffusion, as well as the deconvolution of blurring effects in the luminescence images. The combined use of EL and PL might improve the robustness of the fitting procedure for this technique.



For TR-PLI, a change of the evaluation method to use discrete Fourier transformation instead of fitting a model function is a promising approach to speed up the evaluation procedure, provided it does not degrade measurement quality. Alternatively, the procedure may be accelerated by the use of GPU computing for the evaluation algorithm. To extend the TR-PLI measurement range to even shorter lifetimes, a pulsed laser might be used for illumination. Extending the evaluation theory to account for rise and fall times of the illumination is another possible step to a greater measurement range.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

In dieser Arbeit wurden neue Ansätze für die Charakterisierung kristalliner Siliziumwafer und -solarzellen mittels Elektrolumineszenzbildgebung (ELI) und Photolumineszenzbildgebung (PLI) vorgestellt.



Grundlage der Messungen war die Konstruktion eines hochempfindlichen, kamerabasierten Aufbaus zur Lumineszenzbildgebung mit flexibel einstellbarem Bildfeld. Die eingesetzten optischen Filter auf GaAs-Basis sorgen für eine nahezu optimale Unterdrückung des Anregungslichts. Die Beleuchtung der Proben für PLI ist sowohl mit einem LED-Panel, als auch durch einen homogenisierten Halbleiterlaser möglich. Beide Lichtquellen verfügen über einen einstellbaren und kalibrierten Photonenfluss.



Des Weiteren wurde eine Methode zur Lebensdauerkalibrierung von PL Bildern, basierend auf QSSPC Messungen, umgesetzt. Zur Korrelation der räumlich aufgelösten PLI Daten mit integralen QSSPC-Werten wurde die Empfindlichkeitsverteilung der QSSPC-Messung charakterisiert.



Zusätzlich zur hauptsächlich genutzten Si CCD-Kamera wurden mehrere InGaAs-Kameras zur Messung von Defektlumineszenz bewertet und verglichen. Entsprechende Messungen an einer multikristallinen Siliziumsolarzelle bei unterschiedlichen Temperaturen zeigen sowohl eine Antikorrelation von Band-zu-Band PL und Defektlumineszenz, als auch eine Zunahme der PL für tiefe Temperaturen.



In einem weiteren Teil der Arbeit wurde zur Trennung unterschiedlicher Beiträge zum Serienwiderstand von Solarzellen ein auf EL-Bildern basierendes Verfahren entwickelt. Dabei wird ein mehrschichtiges 2-D Modell der Solarzelle gelöst und an eine aus ELI bestimmte Spannungsverteilung des p-n Übergangs angepasst, bis beide Spannungsverteilungen übereinstimmen. Die Serienwiderstände von Vorderseitenmetallisierung, Metallkontakt, Emitter und Basis sind Parameter des Solarzellenmodells, welche während des Anpassens an die Messdaten ihre jeweiligen Werte annehmen. Die Ergebnisse reagieren qualitativ korrekt auf Änderungen beispielsweise des Emitter-Schichtwiderstandes. Allerdings führen Lichtstreueffekte zu einer systematischen Unterschätzung des Solarzellenwiderstands. Für quantitativ korrekte Messungen sind daher weitere Verbesserungen unter Einbeziehung dieses Effekts erforderlich.



Zuletzt wurde ein neu entwickeltes Verfahren zur kalibrationsfreien Abbildung der Minoritätsladunsträgerlebensdauer tau_eff mittels zeitaufgelöster Photolumineszenzbildgebung (TR-PLI) vorgestellt. Die Messung basiert auf einer modulierten Beleuchtung der Probe, welche mit einer periodisch unterbrochenen Aufnahme der PL-Emission synchronisiert ist. Drei verschiedene Kameraverschluss-Einrichtungen mit zunehmender experimenteller Komplexität und entsprechend höherer Zeitauflösung wurden beschrieben. Der erste Aufbau nutzt eine rotierende Unterbrecherscheibe vor der Kameralinse und konnte tau_eff bis minimal ~300µs auflösen. Der zweite, zum Patent angemeldete Aufbau verwendet eine Unterbrecherscheibe in der Zwischenbildebene zweier Objektive und vergrößert den Messbereich bis hinunter zu ~5µs. Der dritte Aufbau basiert auf einer elektronisch schaltbaren Bildverstärkereinheit, welche zuverlässige tau_eff Messungen von ~2.5µs bis zu mehreren ms erlaubt. Der elektronische Bildverschluss vereinfacht zudem die Auswertung und Kalibrierung, was dieses Setup zur bevorzugten Wahl macht, falls der erforderliche Bildverstärker verfügbar ist.



Ein Vergleich der drei Aufbauten zeigt gute Übereinstimmung innerhalb der jeweiligen Messbereiche. Die Wahl der Anregungsfrequenz hat einen deutlichen Einfluss auf die Messunsicherheit; das empirisch gefundene Optimum liegt bei f_exc = 1/tau_eff,max. Im Vergleich mit den etablierten Lebensdauermessmethoden QSSPC und µ-PCD wurde ebenfalls eine sehr gute Übereinstimmung beobachtet. Bei niedrigen Überschussladungsträgerdichten war kein Vergleich möglich, da die Ergebnisse von QSSPC und µ-PCD durch trapping und DRM beeinträchtigt sind, für welche die TR-PLI Methode weniger anfällig ist.



Zur Erhöhung des dynamischen Bereichs der Messung kann das mit TR-PLI gemessene Lebensdauerbild zur Kalibrierung stationärer PL-Bilder genutzt werden. Ebenso kann eine Abbildung von tau_eff bei lateral homogener Überschussladungsträgerdichte aus der Kombination mehrerer Messungen berechnet werden.





Einige Ansätze zur Verbesserung der vorgestellten Methoden konnten in dieser Arbeit noch nicht umgesetzt werden. Die Methode zur Charakterisierung von Serienwiderständen würde von der Anwendung eines Solarzellenmodells profitieren, welches die Ladungsträgerdiffusion einschließt; ebenso von der Reduktion von Unschärfeeffekten in den Lumineszenzbildern durch Entfaltung. Die kombinierte Nutzung von EL und PL könnte die Stabilität des Fitalgorithmus für dieses Verfahren verbessern.



Ein vielversprechender Ansatz zur Beschleunigung der TR-PLI-Auswertung ist die Verwendung diskreter Fouriertransformation anstelle des Anfittens einer Modellfunktion, vorausgesetzt dies beeinträchtigt nicht die Qualität der Messung. Alternativ könnte auch eine Beschleunigung des Auswertealgorithmus durch dessen Ausführung auf einem Grafikprozessor (GPU) erreicht werden. Eine Möglichkeit zur Erweiterung des TR-PLI Messbereichs hin zu kürzeren Lebensdauern besteht in der Nutzung eines Impulslasers zur Beleuchtung. Auch eine Erweiterung der Auswertungstheorie, die Anstiegs- und Abfallzeiten der Beleuchtung berücksichtigt, ist ein möglicher Schritt zu einem größeren Messbereich.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690KILIANI, David, 2013. Luminescence Imaging Techniques for Silicon Photovoltaics [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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At low excess carrier densities the measurements could not be compared as the results from QSSPC and µ-PCD were impaired by trapping and DRM artifacts, to which TR-PLI is less susceptible.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;To increase the dynamic range of the measurement, the TR-PLI lifetime map can be used to calibrate steady-state PL images. Also, a map of tau_eff at a laterally homogeneous excess carrier density can be obtained by the combination of several measurements.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;During the course of this work, several ideas to improve upon the presented techniques could not yet be realized. The series resistance characterization method would benefit from the implementation of a solar cell model including carrier diffusion, as well as the deconvolution of blurring effects in the luminescence images. 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November 4, 2013
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