Ortsaufgelöste Charakterisierung in der Photovoltaik mit der CELLO-Technik (Solar Cell Local Characterization)

Schütt, Andreas

Im Rahmen dieser Arbeit wurden viele verschiedene Solarzellen (-typen) charakterisiert. Die dafür notwendigen Änderungen in der CELLO-Hard- und Software ermöglichten die Vermessung neuer Solarzellentypen und neuer Solarzellenparameter. So wurde durch die Messungen dieser Arbeit klar, dass die mechanische Verspannung einen wesentlichen Einfluss auf die Absorption im tiefinfrarotenWellenlängenbereich (934 nmWellenlänge, 55 µm Eindringtiefe) besitzt: Messreihen von CELLO- Messungen an lokal mechanisch verspannten Solarzellen zeigten, dass besonders die Phasenverschiebung des Photostroms besonders empfndlich auf mechanische Spannung reagiert. Ein Modell wurde diskutiert, welches Änderungen der Laser- Eindringtiefe, die durch mechanische Verspannung induziert und wellenlängenabhängig sind, spannungsinduzierten Änderungen der Siliziumbandlücke zuordnet. Dies ermöglichte die komplette Kurvenanpassung von 16 CELLO-Rasterbildern, um lokale Werte der relativen Änderung der Bandlücke als Messgröße für lokale mechanische Verspannung zu extrahierten. Zur Analyse von Inhomogenitäten durch Co-Feuern bei Standard-Solarzellen wurden CELLO-Messungen verwendet, um lokale Bilder der Volumenlebensdauer T_life, der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit auf der Rückseite Sb und des Serienwiderstandes RSER zu erzeugen. Die Ergebnisse und Strategien für eine effziente Prozessoptimierung wurden diskutiert. Multikristalline Si-Solarzellen (120 µm dick) mit einer Rückseitenpassivierung durch eine SiO/SiN-Schicht und Al- Punktkontakte werden lokal mit der CELLO-Technik charakterisiert. Durch die Kombination verschiedener Standardmessmodi ist es nun möglich, die Effekte von "Parasitic shunting" von anderen Rückseiten-Effekten wie inhomogene Oberflächenpassivierung (z. B. durch die SiO/SiN-Schicht oder die Punktkontakte) oder Serienwiderstand zu separieren. Dies führte zu dem Schluss, dass die Serienwiderstandsverteilung der Rückseite für eine korrekte Interpretation von Photostromdaten, gemessen bei großen Wellenlängen, mit berücksichtigt werden muss. Des weiteren wurde die CELLO-Technik für die lokale Charakterisierung von a-Si/µ-Si-Tandemsolarzellen verwendet. Durch Verwendung eines blauen und eines infraroten Lasers in einem konfokalen Strahl mit verschiedenen Modulationsfrequenzen der Lichtintensitäten können die Zellen hinsichtlich des lokalen "Current matching" analysiert werden. Die Kombination dieser Daten mit z. B. der Antwort der zweiten Harmonischen, d. h. die lokale nicht lineare Wechselwirkung des Kurzschlussphotostromes, generiert von den beiden Lasern, ermöglicht die Analyse von zusätzlichen lokalen Eigenschaften, wie die Diodencharakteristik (Leckströme) von beiden Teilzellen oder lokale Serienwiderstände. Mehrere Beispiele für die Bestimmung von lokalen Defekten durch die Kombination von CELLO-Bildern wurden diskutiert. Es fanden Untersuchungen zu PID und Regeneration an Zellen und Minimodulen statt.Hier wurden experimentelle Ergebnisse präsentiert und diskutiert, die darauf hinweisen, dass der Laminierungsprozess selbst und die Oberflächen-Topologie der Solarzelle auch PID fördern können. Ein Modell, welches die experimentellen Ergebnisse erklären kann, wurde vorgestellt. Aus diesen Erkenntnissen lassen sich Ideen ableiten, PID zu vermeiden. Die Messergebnisse haben bewiesen, dass die CELLO-Technik flexibel und effektiv genutzt werden kann, um verschiedenste Solarzellentypen zu charakterisieren und somit einen Beitrag zur Verbesserung von Solarzellen (-konzepten) zu leisten.

In this work many different solar cell (types) were characterized. Nesessary adjustments in the CELLO hard- and sofware allowed to analyze new cell concepts and new cell parameters. During the measurements it became clear that mechanical stress has a major effect on the absorption in the deepinfrared wavelength regime (934 nm wavelength, 55 µm penetration depth): Measurements on locally mechanically stressed solar cells showed that the phase shift of the photocurrent responds sensitively to mechanical stress. A model is discussed that correlates changes of the laser penetration depth, that are induzed by mechanical stress and wavelength dependance, to stress induced changes of the silicon bandgap. That allows to extract local values of the relative change of the bandgap as quantity for locally induced mechanical stress from a complete fitt of 16 CELLO maps. To analyze inhomogeneities of co-fired standard solar cells CELLO measurements were used to extract maps of the bulk recombination lifetime Tau_life, the surface recombinationvelocity of the rear Sb, and the series resistance RSER. Results and strategies for an effcient process optimization were discussed. Multicrystalline Si solar cells (120 µm thick) with a rear side passivation by a SiO/SiN stack and Al point contacts were locally characterized by the CELLO technique. By combining various standard measurement modes it is now possible to separate effects of parasitic shunting from other rear side effects like inhomogeneous surface passivation (e.g. by the SiO/SiN stack or the point contacts) or series resistance. This leads to the result that the series resistance distribution of the rear side has to be measured for interpreting the photocurrent data of long wavelengths correctly. Additionally the CELLO technique was used for the local characterization of a-Si/µ-Si tandem solar cells. By using a blue and an infrared laser in a confocal beam with various modulation frequencies of the light intensity the sub-cells can now be analyzed according to local current matching. The combination of these data with e.g. the 2nd harmonic response, i.e. the local non-linear interaction of the short-circuit photocurrent generated by both lasers, allows for an analysis of additional local properties like diode characteristics (leakage currents) of both sub-cells or local series resistances. Serveral examples for the determination of local defects by combining CELLO maps were discussed. Analysis of PID degraded and regenerated cells and minimodules were performed. The experimental results presented and discussed here indicated that the lamination process itself and the surface topology of the solar cell can enhance PID. A model that can explain all our experimental results is presented. From these findings ideas can be derived in order to avoid PID. The presented measurements and results demonstrate that the CELLO technique can be used exibly and effectively to charactize various solar cell types and thus to contribute massively to the improvement of standard solar cells and new solar cell concepts.

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Schütt, Andreas: Ortsaufgelöste Charakterisierung in der Photovoltaik mit der CELLO-Technik (Solar Cell Local Characterization). 2015.

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