Publikation: Neue Infrarotmeßtechniken für die Photovoltaik
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Zusammenfassung
The significant increase in solar cell production over the last few years has triggered an increased demand for characterization tools suitable for in-line and / or off-line process-control. Simultaneously, from a scientific perspective, there is a demand for characterization tools with high spatially resolution that may significantly contribute to a better understanding of the loss mechanisms in laterally inhomogeneous solar cells. This thesis contributes to the development of such characterization tools. Measurement instruments were developed that are capable to characterize performance limiting parameters of finished solar cells and solar cell precursor with sufficient lateral resolution. At the moment, the two- or three-dimensional modeling of solar cells with inhomogeneous parameters is only attainable in complex semiconductor simulation tools. Therefore, modeling tools were developed, that allow for a quick and simple evaluation of the influence of measured inhomogeneities on solar cell parameters. Among others, the characterization and modeling tools described in the following were developed in the framework of this thesis: The class model is a possibility to incorporate the effect of the frequency distribution of a laterally inhomogeneous parameter, as e.g. carrier lifetime, in a one dimensional solar cell simulation. The basic idea is to calculate an appropriately weighted mean of the lifetime distribution and use this weighted mean in the 1D simulation. It was shown, that especially for lifetime and diffusion length distributions, the class model is capable to incorporate the complete effect of inhomogeneous material quality in a 1D simulation. A measurement station for Dark Lock-In Thermography (DLT) after the principle proposed by Breitenstein and Langenkamp was built. A disadvantage of Dark Lock-In Thermography is that the measurements are performed on an un-illuminated solar cell with electrical excitation. It is well known, that illuminated and un-illuminated current paths in a solar cell may differ considerably. Hence it is not amazing, that in a number of cases DLT-measurements may not give a realistic image of the relative impact of different loss mechanisms in the solar cell. For this reason Dark Lock-In Thermography was further developed to the principle of Illuminated Lock-In Thermography (ILT) within this thesis. In Illuminated Lock-In Thermography the electrical excitation source is replaced by a modulated light source. This method allows for a direct and spatially resolved measurement of the power losses in a solar cell at the operation point (MPP). This enables a realistic evaluation of the influence of the spatial distribution of power losses and different loss mechanisms on solar cell performance. The method of Carrier Density Imaging (CDI) enables for the first time the measurement of lifetime topographies of essentially every silicon wafer relevant for photovoltaics without the need for scanning the sample. Thus CDI decreases measurement times for spatially resolved lifetime images by at least a factor of 100 compared to other state-of-the-art lifetime measurement equipment. An additional advantage of CDI is the contactless measurement of absolute lifetime values under low-level injection conditions. CDI can be used in either an absorption or an emission mode. In Emission-CDI a slightly increased sample temperature results in a significant increase in signal strength and thus leads to a further reduction of measurement time. A second possibility for the further reduction of measurement time is to use a flash instead of the semiconductor laser for illumination purposes. Measurement times below 100 ms were realized with this Flash-CDI within this work. The setup that is used for CDI-measurements may as well be used for the investigation of emitter sheet resistance RSh if the measurement conditions are appropriately altered. An according measurement method (Sheet Resistance Imaging SRI) was developed. In contrary to four-point-probing, which is the standard method for measurements of RSh at the moment, SRI is a contactless measurement with measurement times of a few seconds. As in CDI measurements a good spatial resolution of e.g. 350 µm on a 100x100 mm² sample may be achieved without the need for time-consuming scanning of the sample. The class model was used to simulate the dependence of solar cell performance on the distance from the bottom of a multicrystalline ingot. With this method important information about the size of the useable part of a silicon ingot was attained. In addition, the influence of different conditions in the phosphor diffusion process on bulk lifetime of multicrystalline samples was investigated. In this investigation, the class model helped to determine the optimal diffusion conditions from the controversial demands for high and low lifetime areas.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Aufgrund der starken Ausweitung der Produktionskapazitäten in der Solarzellenindustrie gewinnt die Entwicklung geeigneter In- und Off-Line-Tools zur Prozesskontrolle und -diagnose zunehmend an Bedeutung. Gleichzeitig besteht auch aus wissenschaftlicher Sicht ein Bedarf an Mess- und Analysemöglichkeiten mit guter Ortsauflösung um unter anderem zum besseren Verständnis der Verlustmechanismen in lateral inhomogenen Solarzellen beizutragen. Die vorliegende Arbeit setzt an diesen Punkten an. Es werden ortsaufgelöste, schnelle Messmethoden entwickelt, um die entscheidenden leistungslimitierenden Parameter der fertigen Solarzelle sowie von Solarzellenvorstufen mit hinreichender lateraler Auflösung messen zu können. Da die zwei- und dreidimensionale Modellierung von Solarzellen zur Zeit nur aufwendig mit komplexen Halbleitersimulatoren möglich ist, werden ferner Modellierungswerkzeuge entwickelt, die eine schnelle und einfache Beurteilung des Einflusses der gemessenen Inhomogenitäten auf die Solarzellenparameter ermöglichen. In dieser Arbeit wurden unter anderem die im Folgenden beschriebenen Mess- und Analysetechniken entwickelt: Das Klassenmodell ermöglicht es, die Häufigkeitsverteilung eines lateral inhomogenen Parameters, wie z.B. der Ladungsträgerlebensdauer, in eine eindimensionale Simulation einzubringen. Dies geschieht über die Berechnung eines geeignet gewichteten Mittelwerts der einzelnen Messwerte. Es wurde gezeigt, dass insbesondere für Lebensdauer- oder Diffusionslängenverteilungen das Klassenmodell in der Lage ist, den Einfluss einer inhomogenen Materialqualität vollständig in eine eindimensionale Solarzellensimulation zu übertragen. Es wurde ein Messplatz nach dem von Breitenstein und Langenkamp vorgeschlagenen Verfahren der Dunkel-Thermographie aufgebaut. Nachteil der Dunkel-Thermographie ist jedoch, dass die Messung an einer unbeleuchteten Solarzelle mit elektrischer Anregung erfolgt. Da sich Dunkel- und Hellstrompfade in Solarzellen deutlich unterscheiden können, geben die Messungen häufig kein realistisches Bild des Einflusses verschiedener Verlustmechanismen in der Solarzelle wieder. Deshalb wurde in dieser Arbeit die Dunkel-Thermographie zur Hell-Thermographie weiterentwickelt. Bei der Hell-Thermographie wird anstelle der elektrischen Anregung eine modulierte Beleuchtung verwendet. Mit dieser Methode ist es möglich, ein direktes Verlustleistungsbild der untersuchten Solarzelle am Arbeitspunkt zu erzeugen, so dass eine realistische Bewertung der räumlichen Verteilung der Verlustleistungen und ein Vergleich des Einflusses der verschiedenen Verlustmechanismen auf das Solarzellenergebnis möglich ist. Mit der Methode des Carrier Density Imaging (CDI) wurde erstmals die Möglichkeit geschaffen, die Lebensdauertopographie an quasi allen für die Photovoltaik interessanten Siliziumscheiben mit guter Ortsauflösung zu messen, ohne auf ein aufwendiges Abrastern der Probe zurückgreifen zu müssen. Somit wurden die Messzeiten um mindestens einen Faktor 100 gegenüber herkömmlichen Methoden gesenkt. Weitere Vorteile der CDI sind die berührungslose Messung der absoluten Lebensdauer unter Niederinjektionsbedingungen. CDI kann entweder im Absorptions-Modus oder als Emissions-CDI betrieben werden. Letztere Methode ermöglicht über eine moderate Erhöhung der Probentemperatur eine erhebliche Steigerung der Stärke des Messsignals, durch die eine weitere Verkürzung der Messzeit möglich wird. Eine andere Möglichkeit zur Reduktion der Messzeit stellt die Flash-CDI dar, bei der anstelle des Halbleiterlasers ein Blitz zur Beleuchtung der Probe verwendet wird. Mit dieser Methode wurden im Rahmen dieser Arbeit Messzeiten von unter 100ms realisiert. Der gleiche Messaufbau, der auch zur CDI-Messung verwendet wird, kann unter modifizierten Messbedingungen zur Untersuchung des Emitterschichtwiderstands RSh verwendet werden. Eine entsprechende Methode (Sheet Resistance Imaging - SRI) wurde entwickelt. Im Gegensatz zur 4-Spitzen-Messung, die zur Zeit die Standardmethode zur Bestimmung von RSh darstellt, ist SRI eine kontaktlose Messung mit Messzeiten von wenigen Sekunden. Auch hier ist, wie bei der CDI, eine gute Ortsauflösung von z.B. 350µm bei 100x100mm2 großen Proben ohne zeitaufwendiges Abrastern der Probe erreichbar. Durch Anwendung des Klassenmodells konnte die Abhängigkeit des Wirkungsgrads der Solarzellen vom Abstand der Ausgangsscheibe vom Tiegelboden bei blockgegossenem multikristallinem Silizium simuliert und so wichtige Informationen über den verwertbaren Anteil eines Siliziumblocks gesammelt werden. Ferner wurde der Einfluss verschiedener Bedingungen bei der Phosphordiffusion auf die Lebensdauer von multikristallinen Scheiben untersucht. Mithilfe des Klassenmodells konnte aus den sich widersprechenden Anforderungen für Bereiche hoher und niedriger Lebensdauer ein Optimum der Diffusionstemperatur ermittelt werden.
Fachgebiet (DDC)
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ISO 690
ISENBERG, Jörg, 2004. Neue Infrarotmeßtechniken für die Photovoltaik [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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Among others, the characterization and modeling tools described in the following were developed in the framework of this thesis: The class model is a possibility to incorporate the effect of the frequency distribution of a laterally inhomogeneous parameter, as e.g. carrier lifetime, in a one dimensional solar cell simulation. The basic idea is to calculate an appropriately weighted mean of the lifetime distribution and use this weighted mean in the 1D simulation. It was shown, that especially for lifetime and diffusion length distributions, the class model is capable to incorporate the complete effect of inhomogeneous material quality in a 1D simulation. A measurement station for Dark Lock-In Thermography (DLT) after the principle proposed by Breitenstein and Langenkamp was built. A disadvantage of Dark Lock-In Thermography is that the measurements are performed on an un-illuminated solar cell with electrical excitation. It is well known, that illuminated and un-illuminated current paths in a solar cell may differ considerably. Hence it is not amazing, that in a number of cases DLT-measurements may not give a realistic image of the relative impact of different loss mechanisms in the solar cell. For this reason Dark Lock-In Thermography was further developed to the principle of Illuminated Lock-In Thermography (ILT) within this thesis. In Illuminated Lock-In Thermography the electrical excitation source is replaced by a modulated light source. This method allows for a direct and spatially resolved measurement of the power losses in a solar cell at the operation point (MPP). This enables a realistic evaluation of the influence of the spatial distribution of power losses and different loss mechanisms on solar cell performance. The method of Carrier Density Imaging (CDI) enables for the first time the measurement of lifetime topographies of essentially every silicon wafer relevant for photovoltaics without the need for scanning the sample. Thus CDI decreases measurement times for spatially resolved lifetime images by at least a factor of 100 compared to other state-of-the-art lifetime measurement equipment. An additional advantage of CDI is the contactless measurement of absolute lifetime values under low-level injection conditions. CDI can be used in either an absorption or an emission mode. In Emission-CDI a slightly increased sample temperature results in a significant increase in signal strength and thus leads to a further reduction of measurement time. A second possibility for the further reduction of measurement time is to use a flash instead of the semiconductor laser for illumination purposes. Measurement times below 100 ms were realized with this Flash-CDI within this work. The setup that is used for CDI-measurements may as well be used for the investigation of emitter sheet resistance RSh if the measurement conditions are appropriately altered. An according measurement method (Sheet Resistance Imaging SRI) was developed. In contrary to four-point-probing, which is the standard method for measurements of RSh at the moment, SRI is a contactless measurement with measurement times of a few seconds. As in CDI measurements a good spatial resolution of e.g. 350 µm on a 100x100 mm² sample may be achieved without the need for time-consuming scanning of the sample. The class model was used to simulate the dependence of solar cell performance on the distance from the bottom of a multicrystalline ingot. With this method important information about the size of the useable part of a silicon ingot was attained. In addition, the influence of different conditions in the phosphor diffusion process on bulk lifetime of multicrystalline samples was investigated. 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