Correlation of breakdown sites and bulk defects in multicrystalline

Transkript

1 Photovoltaik-Symposium Solare Energieversorgung quo vadis? 5. Und 6. November 2009 Bitterfeld-Wolfen Correlation of breakdown sites and bulk defects in multicrystalline silicon solar cells D. Lausch, K. Petter, R. Bakowskie, H. von Wenckstern, M. Grundmann, Fraunhofer CSP

2 Inhalt Motivation Welche Verfahren sind geeignete um Durchbrüche zu lokalisieren? Positionen der Durchbrüche? Korrelation der Durchbruchspositionen mit Volumendefekten 2

3 I [A] Was ist ein Durchbruch? 0,10 0,08 0,06 Flussrichtung Sperrrichtung 0,04 0,02 0,00-0,02 Durchbruch -0,04-0, ,2 0,4 0,6 0,8 U [V] 3

4 Warum ist Untersuchung der Solarzelle in Sperrrichtung interessant? Verschattung von Modul abgeschattete Solarzelle in Sperrrichtung gepolt (generierte Spannung der nicht-verschatteten Solarzellen) lokal fließender Strom im Durchbruchsfall resultierende Erhitzung führt zu Beschädigungen des Moduls 1. An welchen Positionen bricht eine Solarzelle durch? 2. Warum bricht eine Solarzelle durch? 4

5 Durchbruchsmechanismen Tunneldurchbruch [1] Avalanchedurchbruch [2] Tunnelprozeß Freibewegliche Ladungsträger Stoßionisation Freibewegliche Ladungsträger [1] C. Zener, Proc. Roy. Soc. A145, 523 (1934) [2] K. G. McKay und K. McAfee, Phys. Rev. 91, 1079 (1953) 5

6 I [A] Räumliche Verteilung der Durchbrüche Im Durchbruchsfall fließender Strom verursacht Joulesche Wärme Sichtbar mit Thermografie DLIT 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0, ,2 0,4 0,6 0,8 U [V] 6

7 Räumliche Verteilung der Durchbrüche Im Durchbruchsfall fließender Strom verursacht Joulesche Wärme Sichtbar mit Thermografie DLIT Probleme Begrenzte räumliche Auflösung Relativ zeitaufwendig Teures Equipment 7

8 I [A] Elektrolumineszenz 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0, ,2 0,4 0,6 0,8 U [V] n p 8

9 I [A] ReBEL Reversed Biased Elektrolumineszenz 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0, ,2 0,4 0,6 0,8 U [V] Helle Bereiche mit hoher EL-Intensität 9

10 I [A] Korrelation ReBEL/DLIT Korrelation zwischen EL und DLIT in Sperrrichtung Positionen der Durchbrüche sind in der EL in Sperrrichtung lokalisierbar 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00-0,02-0,04-0, ,2 0,4 0,6 0,8 U [V] 10

11 Zusammenfassung I Bereiche mit frühem Durchbruch sind gekennzeichnet durch: I. Geringe EL-Intensität in Flussrichtung II. III. Kleine Diffusionslängen / hohe Defektdichten Hohe EL-Intensitäten in Sperrrichtung Korrelation DLIT / EL in Sperrrichtung Für Untersuchung der Durchbrüche geeignet 11

12 Positionen der Durchbrüche 3 mm An welchen Positionen brechen Solarzellen durch? EL in Sperrrichtung unter dem Mikroskop (µ-rebel) 12

13 Hilfsmittel saure Texturierung Saure Textur besitzt defektätzende Wirkungung Versetzungen Korngrenzen 50 µm saure Textur 13

14 Auflichtmikroskopie 400 µm 14

15 Auflichtmikroskopie 400 µm 15

16 I [A] µ-rebel 0,04 0, µm 0,00-0,02-0,04-0, U [V] 16

17 I [A] µ-rebel 0,04 0, µm 0,00-0,02-0,04-0, U [V] 17

18 I [A] µ-rebel 0,04 0, µm 0,00-0,02-0,04-0, U [V] 18

19 I [A] µ-rebel 0,04 0, µm 0,00-0,02-0,04-0, U [V] 19

20 I [A] µ-rebel 0,04 0, µm 0,00-0,02-0,04-0, U [V] 20

21 I [A] µ-rebel 0,04 0, µm 0,00-0,02-0,04-0, U [V] 21

22 µ-rebel gegen Auflicht 22

23 Zusammenfassung II ReBEL eignet sich als Methode um Durchbrüche mit hoher Ortsauflösung zu lokalisieren! Durchbrüche an Korngrenzen Nicht alle Korngrenze zeigen Durchbrüche Durchbrüche an einzelne Versetzungen bisher nicht beobachtet Positionen der Durchbrüche durch Oberflächenstruktur oder durch Volumendefekte beeinflusst? 23

24 Hilfsmittel verschiedene Texturarten Sauer: isotrope Ätze Oberflächenstruktur ohne Abhängigkeit bezüglich der Kristallorientierung Defekte durch Ätzgruben sichtbar! Alkalisch: Anisotrop Ätze Oberflächen-struktur in Abhängigkeit der Kristallorientierung Defekte nicht sichtbar! 24

25 Vergleich: alkalisch und sauer texturierte benachbarte Solarzelle Sauer Texturiert Alkalisch Texturiert U=-13V U=-17V [3] D. Lausch et al., Phys. Status Solidi RRL 3, (2009) 25

26 Vergleich: alkalisch und sauer texturierte benachbarte Solarzelle Sauer Texturiert Alkalisch Texturiert U=-13V [3] D. Lausch et al., Phys. Status Solidi RRL 3, (2009) U=-17V 26

27 Vergleich: alkalisch und sauer texturierte benachbarte Solarzelle Sauer Texturiert Alkalisch Texturiert U=-13V U=-17V 27

28 Vergleich: alkalisch und sauer texturierte benachbarte Solarzelle Alkalisch Texturiert U=-17V Sauer Texturiert U=-13V 28

29 Zusammenfassung ReBEL eignet sich als Methode um Durchbrüche mit hoher Ortsauflösung zu lokalisieren! Positionen der Durchbrüche sind unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit (Texturierung)! Durchbrüche werden in den gezeigten Beispielen durch Defekte im multikristallinen Siliziumwafer hervorgerufen. 29

30 Bachups 30

31 Spektral 31

32 Tempabh. ReBEL 32

33 Mögliche Mechanismen [6] P. Wolff, Journal of Physics and Chemistry of Solids 16, 3--4 (1960) [7] N. Akil et al., Journal of Applied Physics 88 (4), 1916 (2000) [8] T. Figielski und A. Torun, Int. Conf. of Phys (1962) a. Indirekter Intrabandübergang [6] b. Direkter Intrabandübergang [6] c. Direkter Interbandübergang [6] d. Indirekter Interbandübergang [6] e. Übergänge zwischen Leichtloch- und Schwerlochband [7] f. Bremsstrahlprozess im Coulomb Feld ionisierter Störstellen [8] SEITE EL Rückwärts Team R&D Leipzig,

34 Bilder EL Rückwärts 300K 5K 100mA SEITE EL Rückwärts Team R&D Leipzig,

35 LBIC - Light Beam Induced Current Bereiche mit Vordurchbruchscharakter besitzen kleine Diffusionslängen und hohe Defektdichten Elektronen Niedr. Difflänge Bereichen m schlechtem wirkungsgrad 35

36 EL - spektral aufgelöst in Vor.- und Rückwärtsrichtung Keine Defektlinien sichtbar! Spektrum bei tiefen Temperaturen aufnehmen SEITE EL Rückwärts Team R&D Leipzig,

37 SEITE EL Rückwärts Team R&D Leipzig,

38 Unsere Messung r = 0,31µm Benötigter Radius um durch Feldüberhöhung bei -13V die Durchbruchspannung von -50V zu erreichen r = 0,11µm [3] D. A. Vincent et al., Breakdown voltage of cylindrical Gaussian P-N junctions, Solid-State Electronics 14, (1971) Kein Durchbruch aufgrund Feldüberhöhung? SEITE EL Rückwärts Team R&D Leipzig,

39 Modulverschattung 39

40 12 V 12 V 36 V 36 V 12 V Normalbetrieb 72 Zellen Modul Verbraucher/Wechselrichter 12 V 0,5 V 0,5 V 0,5 V 0,5 V 40

41 12 V 0,6 V 23,4 V 23,4 V 12 V Verschattungsfall 72 Zellen Modul Wechselrichter 11,5 V 0,5 V 0,5 V 12,1 V 0,5 V I II 41

42 Berechnung Maschenregel (Kirchhoff): Die Summe aller Spannung ist null. Anzahl der Zellen im String I -12,1 V + 23 * 0,5 V + 0,6 V = 0 beschattete Zelle normale Zellen Bypassdiode 42

43 I [A] Warum ist das jetzt kritisch? Konstruktion abgeschatteter Fall U [V] 19 x vorwärts rückwärts 43