Messung von Minoritätsladungsträger-Diffusionslängen in Silicium-Solarzellen mit Lumineszenzmethoden
Messung von Minoritätsladungsträger-Diffusionslängen in Silicium-Solarzellen mit Lumineszenzmethoden
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Date
2008
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Giesecke, Johannes
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Title in another language
Measurement of Minority Charge Carrier Diffusion Lengths in Silicon Solar Cells via Luminescence
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Diploma thesis
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Abstract
Spatially resolved luminescence images of silicon solar cells and wafers reveal information on quantities which affect the efficiency of solar cells. These quantities comprise recombination properties such as minority charge carrier diffusion length and surface recombination velocities as well as local series- and parallel resistance and optical properties of interfaces.
This work aims at improving the interpretation of luminescence measurements on PV-Silicon with respect to minority charge carrier diffusion length. Both electrical excitation of solar cells (electroluminescence) and optical excitation of silicon wafers (photoluminescence) are investigated with an emphasis on the determination of a spatially resolved excess charge carrier depth distribution through optical filtering.
To begin with, a method to determine electron diffusion lengths in electrically excited Silicon solar cells based on optical filtering was tested (Würfel et al., J. Appl. Phys. 101, 123110). The successful implementation of this method required some considerations that have not been mentioned in literature so far - such as a certain class of lateral inhomogeneity of optical filters and taking into account the exact sample temperature. It turned out that the extension of this method to Photoluminescence on wafers is complicated by several challenges. A new technique to determine minority charge carrier diffusion lengths from single photoluminescence images was implemented, which is in good agreement with reference techniques. Building on this approach as well as on the work of Würfel et al., a spatially resolved separation of recombination properties between defects related to bulk material on the one hand and defects related to surfaces on the other hand was developed and successfully tested on both solar cells and wafers.
Finally, a new technique to estimate low minority charge carrier diffusion lengths in saw damaged silicon wafers (as-cut) was implemented.
This work aims at improving the interpretation of luminescence measurements on PV-Silicon with respect to minority charge carrier diffusion length. Both electrical excitation of solar cells (electroluminescence) and optical excitation of silicon wafers (photoluminescence) are investigated with an emphasis on the determination of a spatially resolved excess charge carrier depth distribution through optical filtering.
To begin with, a method to determine electron diffusion lengths in electrically excited Silicon solar cells based on optical filtering was tested (Würfel et al., J. Appl. Phys. 101, 123110). The successful implementation of this method required some considerations that have not been mentioned in literature so far - such as a certain class of lateral inhomogeneity of optical filters and taking into account the exact sample temperature. It turned out that the extension of this method to Photoluminescence on wafers is complicated by several challenges. A new technique to determine minority charge carrier diffusion lengths from single photoluminescence images was implemented, which is in good agreement with reference techniques. Building on this approach as well as on the work of Würfel et al., a spatially resolved separation of recombination properties between defects related to bulk material on the one hand and defects related to surfaces on the other hand was developed and successfully tested on both solar cells and wafers.
Finally, a new technique to estimate low minority charge carrier diffusion lengths in saw damaged silicon wafers (as-cut) was implemented.
Summary in another language
Ortsaufgelöste Lumineszenzmessungen an Silicium für die Photovoltaik offenbaren eine Information über Größen, die die Qualität von Solarzellen beeinflussen - so z.B. über Rekombinationseigenschaften wie die lokale Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger und lokale Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeiten, aber auch über den lokalen Serien- und Parallelwiderstand sowie optische Eigenschaften von Substratoberflächen.
Diese Arbeit verfolgt das Ziel einer besseren Interpretation von Lumineszenzmessungen an Silicium-Solarzellen und Wafern in Bezug auf die lokale Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern. Dabei wird sowohl auf elektrische (Elektrolumineszenz) als auch auf optische Anregung (Photolumineszenz) zurückgegriffen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Bestimmung des Tiefenprofils der Überschussladungsträgerdichte durch optische Filterung der emittierten Lumineszenz.
Zunächst wurde dazu eine auf optischer Filterung der Lumineszenz basierende Methode der Diffusionslängenbestimmung mittels Elektrolumineszenz an Solarzellen umgesetzt (Würfel et al., J. Appl. Phys. 101, 123110). Die erfolgreiche Umsetzung dieser Methode setzte einige Überlegungen voraus, die bisher in der Literatur keine Beachtung fanden, wie z.B. die Berücksichtigung der genauen Substrattemperatur und einer bestimmten Klasse von Filterinhomogenitäten. Es konnte weiter gezeigt werden, warum die Erweiterung dieser Methode auf Photolumineszenz an Wafern mit großen methodeninhärenten Problemen behaftet ist. In einem nächsten Schritt wurde ein neuer Ansatz zur absoluten Kalibrierung einer einzigen Photolumineszenz-Messung auf Diffusionslängen verfolgt, der eine erstaunliche Konvergenz mit Referenzmessungen zeigte. Aufbauend darauf wurde eine Methode zur ortsaufgelösten Trennung von Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und Diffusionslänge entwickelt und an Solarzellen sowie an Wafern erfolgreich überprüft. Abschließend ist ein neues Verfahren zur Abschätzung niedriger Diffusionslängen an sägerauen Wafern mit Photolumineszenz vorgestellt.
Diese Arbeit verfolgt das Ziel einer besseren Interpretation von Lumineszenzmessungen an Silicium-Solarzellen und Wafern in Bezug auf die lokale Diffusionslänge von Minoritätsladungsträgern. Dabei wird sowohl auf elektrische (Elektrolumineszenz) als auch auf optische Anregung (Photolumineszenz) zurückgegriffen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Bestimmung des Tiefenprofils der Überschussladungsträgerdichte durch optische Filterung der emittierten Lumineszenz.
Zunächst wurde dazu eine auf optischer Filterung der Lumineszenz basierende Methode der Diffusionslängenbestimmung mittels Elektrolumineszenz an Solarzellen umgesetzt (Würfel et al., J. Appl. Phys. 101, 123110). Die erfolgreiche Umsetzung dieser Methode setzte einige Überlegungen voraus, die bisher in der Literatur keine Beachtung fanden, wie z.B. die Berücksichtigung der genauen Substrattemperatur und einer bestimmten Klasse von Filterinhomogenitäten. Es konnte weiter gezeigt werden, warum die Erweiterung dieser Methode auf Photolumineszenz an Wafern mit großen methodeninhärenten Problemen behaftet ist. In einem nächsten Schritt wurde ein neuer Ansatz zur absoluten Kalibrierung einer einzigen Photolumineszenz-Messung auf Diffusionslängen verfolgt, der eine erstaunliche Konvergenz mit Referenzmessungen zeigte. Aufbauend darauf wurde eine Methode zur ortsaufgelösten Trennung von Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und Diffusionslänge entwickelt und an Solarzellen sowie an Wafern erfolgreich überprüft. Abschließend ist ein neues Verfahren zur Abschätzung niedriger Diffusionslängen an sägerauen Wafern mit Photolumineszenz vorgestellt.
Subject (DDC)
530 Physics
Keywords
Diffusionslänge,Oberflächenrekombination,electroluminescence,photoluminescence,solar cell,recombination,silicon
Conference
Review
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Cite This
ISO 690
GIESECKE, Johannes, 2008. Messung von Minoritätsladungsträger-Diffusionslängen in Silicium-Solarzellen mit Lumineszenzmethoden [Master thesis]BibTex
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