Schnelle quantitative und ortsaufgelöste Komplettcharakterisierung von Solarzellen durch Kombination von "CELLO" auf FFT Impedanzspektroskopie
Final Report Abstract
Alle im Antrag genannten Ziele wurden erreicht, und es wurden darüber hinausgehende Erkenntnisse gewonnen. Neben spezieller Elektronik wurde ein in das CELLO-System integriertes Optikmodul gebaut, das es erlaubt, eine Solarzelle gleichzeitig mit bis zu vier intensitätsmodulierten Lasern ortstreu bei hohen Geschwindigkeiten zu scannen. Aus praktischen Gründen (Minimierung der Störsignale) werden jedoch nur 2 oder allenfalls 3 Laser gleichzeitig betrieben. In einem Scan werden damit z. B. 16 Primärmaps erhalten (je 8 Amplituden- und Phasenmaps für insgesamt 4 Modulationsfrequenzen). Aus den Primärmaps lassen sich bereits weitreichende Schlußfolgerungen über Solarzelleneigenschaften ableiten. Eine Auswertung durch einen Fit an weiterentwickelte Impedanzmodelle erlaubt das Mapping definierter Parameter, darunter wichtige Größen wie die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit oder die Diffusionskoeffizienten der Minoritätsladungsträger. Erst die Verwendung der unterschiedlichen Laserwellenlängen erlaubt dabei eine robuste Trennung zwischen Vorderseiten-, Volumen- und Rückseiteneinfluß. Eine Vielzahl verschiedener Silizium-Solarzellentypen wurde im Detail analysiert, darüber hinaus auch andere Zelltypen, z. B. organische Solarzellen und Mehrfachzellen. Dem blauen Laser kommt dabei immer die Rolle zu, vorderseitennahe Defekte sicher zu identifizieren bzw. bei Mehrfachzellen nur die obere Teilzelle anzusprechen, was in vielen Fällen erst eine sinnvolle Messung bzw. eine schlüssige Interpretation der Ergebnisse möglich macht. Das CELLOplus-System wurde damit wie geplant realisiert und erprobt, es ist das derzeit mächtigste Instrument zur quantitativen Detailuntersuchung von Solarzellen und kann für sehr unterschiedliche Typen von Solarzellen genutzt werden. Im Rahmen von CELLOplus können auch nichtlineare Effekte erfaßt werden, z. B. die Stromantwort auf lokale Störungen bei der Frequenz ω1(Laser 1) + ω2(Laser 2). Experimentell wurde gefunden, daß ein nichttriviales nichtlineares Verhalten durch spezielle Solarzelleneigenschaften verursacht werden kann, wie z. B. die Injektionslevelabhängigkeit der Lebensdauer, eine schlechte Auskopplung der Minoritätsladungsträger (etwa bei organischen oder Dünnschicht-Solarzellen) oder die Stromanpassung bei Tandemzellen. Das Mapping der höheren Harmonischen trägt damit sowohl zur Robustheit der Messung als auch zur Gewinnung zusätzlicher Informationen über die Solarzelle bei. Als spezielle Form eines LBIC-Systems (LBIC: light-beam induced current) ist CELLO sensitiv auf Minoritätsladungsträgerverluste. Daher erwies es sich im Verlauf des Projekts als Besonderheit, daß sich auch ein reiner Majoritätsladungsträgereffekt auf nichttriviale Weise im Meßsignal bemerkbar macht. Die Phase des externen RC-Dämpfungsgliedes zeigt eine Frequenz- und Wellenlängenabhängigkeit, aus der anhand eines neu entwickelten Modells Informationen über das Serienwiderstandsverhalten der Majoritäten gewonnen werden können, insbesondere zu Verlusten im Volumen. Damit ist eine Auswertemöglichkeit der Phasendaten von CELLOplus identifiziert, die einen neuartigen Zugang zu wichtigen Solarzellenparametern verspricht.
Publications
- "CELLO measurements with FFT impedance analysis: Drastic increase of measurement speed for analysis of local solar cell defects", in Proceedings of the 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1AO.6.1, Valencia (2008)
J. Carstensen, A. Schütt, H. Föll
- "New modes of FFT impedance spectroscopy applied to semiconductor pore etching and materials characterization", Phys. Status Solidi A 205(11), 2485 (2008)
J. Carstensen, E. Foca, S. Keipert, H. Föll, M. Leisner, A. Cojocaru
- "CELLO FFT impedance analysis as a routine tool for identifying various defect types on crystalline silicon solar cells", in Proceedings of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1AO.4.5, Hamburg (2009)
J. Carstensen, A. Schütt, H. Föll
- "CELLO FFT impedance analysis of solar cells with a strong injection level dependence", in Proceedings of the 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2CV.3.27, Valencia (2010)
J. Carstensen, A. Schütt, G. Popkirov, H. Föll
- "CELLO measurements for local and global characterization of grid finger, contact, and emitter resistance losses of large area solar cells", in Proceedings of the 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2CV.3.19, Valencia (2010)
J. Carstensen, A. Schütt, A. Pape, H. Föll
- "CELLO measurement technique for local identification and characterization of various types of solar cell defects", Phys. Status Solidi C 8(4), 1342 (2011)
J. Carstensen, A. Schütt, G. Popkirov, H. Föll
- "Spectrally resolved local CELLO characterization of tandem solar cells using linear and 2nd harmonic response analysis", in Proc. of the 27th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 3DV.1.61, Frankfurt (2012)
A. Schütt, J. Carstensen, J.-M. Wagner, M. Nguyen, S. Klein
- "Comparison of local solar cell efficiency analysis performed by DLIT and CELLO", in Proc. of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2CV.3.15, Paris (2013)
O. Breitenstein, J. Carstensen, A. Schütt, J.-M. Wagner
- "Influence of surface and process induced defects on potential-induced degradation and regeneration", in Proc. of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2BO.3.2, Paris (2013)
A. Schütt, J. Carstensen, J.-M. Wagner, H. Föll
- "Injection-level dependent series resistance: Comparison of CELLO and photoluminescence-based measurements", Energy Procedia 38, 199 (2013)
J.-M. Wagner, M. Hoppe, A. Schütt, J. Carstensen, H. Föll
- "Local characterization of co-firinginduced inhomogeneities of conventional mc-Si solar cells", in Proc. of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2CV.3.13, Paris (2013)
A. Schütt, J. Carstensen, J.-M. Wagner, H. Föll
- "Qualitative and quantitative evaluation of thin-film solar cells using solar cell local characterization", J. Appl. Phys. 113(6), 064503 (2013)
J.-M. Wagner, J. Carstensen, A. Schütt, H. Föll
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4790479)
