Praktikumsversuch Elektrolumineszenz, Thermographie

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1 VNr Stand: Version 1.3 S. 1/8 1 Aufgabenstellung 1) Variieren Sie die Integrationszeit (number of periods) im Bereich von 1 bis 600 in zwanzig Schritten an einer geeigneten Solarzelle (Es sollten Defekte bei der Messung zu sehen sein). Beurteilen Sie die verschiedenen Bilder auf ihr Signal-Rausch- Verhältnis und wählen Sie eine Integrationszeit, mit der die darauffolgenden Messungen durchführt werden. 2) Variieren Sie die Lock-in-Frequenz von 1 Hz bis 40 Hz in 2 Hz-Schritten. Bestimmen Sie aus Ihrer Messreihe eine geeignete Frequenz für die nachfolgenden Messungen. 3) Verändern Sie die an die Zelle angelegte Spannung von -13 V bis 1 V in 0,5 V- Schritten. Passen Sie gegebenenfalls die Integrationszeit an. 4) Überprüfen Sie an mindestens fünf Zellen die Widerstandscharakteristik eines Shunts. Dazu legen Sie nacheinander 0,5 V; -0,5 V; -5 V; -13 V Spannung an die Zelle an. Um welchen Shunttypen könnte es sich handeln? 5) Nehmen Sie von mindestens zehn Zellen, an denen Sie vorher eine Thermographiemessung durchgeführt haben, ein Elektrolumineszenzbild (Vorwärtsund Rückwärtsrichtung) auf. Diskutieren Sie eventuelle Gemeinsamkeiten und Unterschiede. Literatur: S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley, New York O. Breitenstein, W. Warta, M. Langenkamp, Lock-in Thermography, Springer 2 Grundlagen 2.1 Grundlagen der Rekombination von Ladungsträgern und der Lumineszenz Die Grundlagen der Ladungsträger-Rekombination und der Lumineszenz werden nicht hier, sondern in den Kap. 2.1 und 2.3 des Praktikumsversuchs Quantitative Photolumineszenz behandelt. 2.2 Besonderheiten der Elektrolumineszenz von Solarzellen Bei der Elektrolumineszenz erfolgt die Generation von Ladungsträgern über das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Solarzelle. Mit einem geeigneten Versuchsaufbau kann das Spektrum der emittierten Strahlung aufgenommen werden. In diesem Spektrum sind verschiedene Peaks sichtbar, die einzelnen Rekombinationsmechanismen zugeordnet werden können (vergl. Praktikumsversuch Quantitative Photolumineszenz). Eine weitere Möglichkeit zur Auswertung der Messung, und damit zur Qualität der Solarzelle, ist die Aufnahme des Elektrolumineszenzsignals integriert über alle (oder einen Teil der) Wellenlängen des Lumineszenzsignals. Dieses Helligkeitssignal wird in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung aufgenommen. Hierzu eignen sich infrarotempfindliche Kameras, so dass ein Topogramm der Lumineszenzstärke der Solarzelle erstellt werden kann.

2 VNr Stand: Version 1.3 S. 2/8 Wird die Solarzelle in Vorwärtsrichtung betrieben (wie müssen dabei die elektrischen Kontakte angeschlossen werden?), rekombinieren die Ladungsträger im p-n-übergang. Es wird elektromagnetische Strahlung im infraroten Spektralbereich (λ 1100 nm) emittiert. Defektstellen und nicht kontaktierte Bereiche der Solarzelle erscheinen dunkel. Wird eine Spannung in Sperrrichtung (Rückwärtsrichtung) angelegt, wird ein Stromfluss durch die Solarzelle behindert (Welcher Strom fließt jetzt noch über den p-n-übergang?). Treten in der Solarzelle Shunts (Kurzschlüsse im p-n-übergang) auf, fließt durch diese ein Strom, der zur Erwärmung der betroffenen Stelle führt. Die Infrarotkamera detektiert diese Bereiche als Wärmestrahlung (das ist keine Lumineszenz). Abbildung 1 und Abbildung 2 zeigen zwei verschiedene Solarzellen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Einige Defekte sind in beiden Messungen sichtbar (Abbildung 1), andere nicht (Abbildung 2). Deshalb ist es sinnvoll, das Signal der Vorwärtsrichtung und der Rückwärtsrichtung einer Zelle aufzunehmen. a) b) Abbildung 1: a) Vorwärtsrichtung: Die Korngrenzen des Kristalls sind als dunkle Stellen zu erkennen. In der Mitte ist ein großer schwarzer Bereich zu erkennen. b) Rückwärtsrichtung: Der in Vorwärtsrichtung dunkel erscheinende Bereich ist nun hell zu sehen. a) b) Abbildung 2: a) Vorwärtsrichtung: Defekt im rechten Bereich der Zelle. b) Rückwärtsrichtung: Viele Defekte werden sichtbar, die in Vorwärtsrichtung nicht zu sehen sind.

3 VNr Stand: Version 1.3 S. 3/8 2.3 Grundlagen der Thermographie Jeder Körper mit einer endlichen Temperatur emittiert elektromagnetische Strahlung ( Wärmestrahlung ). Ein Körper, der die gesamte auftreffende Strahlung absorbiert (α = 1), emittiert auch im gesamten Spektralbereich (ε = 1) [Kirchhoffsches Strahlungsgesetz]. In diesem Fall spricht man von einem schwarzen Strahler/Körper. Die von diesem Körper in einen Halbraum abgestrahlte Energie M λ (T) bei einer Wellenlänge λ und der Temperatur T ist nach Planck: 2 2πhc ( ) hc M exp 1 λ T = 5 (1) λ λkbt 1 h ist das Plancksche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit und k B die Boltzmannkonstante. Abbildung 3 zeigt den Verlauf des emittierten Spektrums bei verschiedenen Temperaturen. Abbildung 3: Emittierte Strahlung eines schwarzen Körpers nach Gleichung (1) bei verschiedenen Temperaturen. Emittiert (absorbiert) ein Körper weniger als 100% des eingestrahlten Lichts (ε < 1), so spricht man von einem grauen Strahler. Die Ausbreitung von Wärmewellen ergibt sich aus der Lösung der Wärmeleitungsgleichung: 2 T T cp ρ = λw + p (2) 2 t z c p ist ist die spezifische Wärmekapazität des Stoffs, ρ die Dichte, λ w die Wärmeleitfähigkeit und p die abgeführte Wärme. Mit der Annahme einer harmonischen Erwärmung und Abkühlung an der gesamten Oberfläche und p = 0 ergibt sich die Lösung T z z ( z, t) = Aexp exp i ωt Λ Λ (3)

4 VNr Stand: Version 1.3 S. 4/8 Λ = 2λw ρc ω p Λ wird als thermische Diffusionslänge bezeichnet. Diese ist umgekehrt proportional zur Wurzel der Modulationsfrequenz des Wärmeeintrags. Der Amplitudenfaktor A ist direkt proportional zur an der Oberfläche eingebrachten Leistungsdichte.

5 VNr Stand: Version 1.3 S. 5/8 2.4 Messprinzip Elektrolumineszenz Der schematische Versuchsaufbau einer Elektrolumineszenzmessung ist in Abbildung 4 gezeigt. Abbildung 4: Schematischer Aufbau einer Elektrolumineszenzmessung (aus: F. Dreckschmidt et al. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, 2007) Typische Spannungen, die bei der Messung in Vorwärtsrichtung an die Solarzelle angelegt werden, sind 0,4 0,6 V. Für die Messung in Rückwärtsrichtung werden meist -13 V angelegt Lock-in-Thermographie Um ein im Vergleich zum Rauschen schwaches Wechselsignal zu detektieren, hat sich die Lock-in-Technik bewährt. Dabei wird das zu messende Wechselsignal mit einer bekannten Lock-in-Frequenz f lock-in moduliert (genauer: multipliziert). Am Detektor wird das modulierte Signal über eine günstig gewählte Integrationszeit gemittelt. Das Rauschen (in der Regel statistisch verteilt) mittelt sich bei der Integration heraus; das zu messende Signal hingegen liefert ein Gleichsignal. Der Absolutwert (Amplitude) des Gleichsignals lässt sich in Abhängigkeit der Phasenlage der Modulationsfrequenz einstellen. Deshalb wird ein Lock-in- Verstärker auch häufig phasenabhängiger Gleichrichter genannt Darstellungsformen des Lock-in-Signals Bei der Lock-in-Thermographie wird die Wärmeänderung des Wafers (hervorgerufen durch einen oszillierenden Wärmeeintrag mit der Frequenz f lock-in ) mit einer Thermokamera aufgenommen. Jedes Kamerapixel setzt sich aus zwei Messwerten (2-Kanal-Korrelation) zusammen: Der Temperatur-Modulationsamplitude in-phase (0 -Signal T 0 ) und der Temperatur-Modulationsamplitude um 90 zum Wärmeeintrag verschoben (-90 -Signal T -90 ). Die negative Phasenverschiebung wird gewählt, da der Wärmeeintrag der Temperaturänderung vorauseilt. Abbildung 5 zeigt die 2-Kanal-Korrelation schematisch. Das aufgenommene Signal F(t) wird im ersten Kanal mit dem sin(t ) [in-phase] und im zweiten

6 VNr Stand: Version 1.3 S. 6/8 Kanal mit dem cos(t) [-90 ] gewichtet. Die Ergebnisse sind für die beiden Kanäle dargestellt. Abbildung 5: Prinzip der 2-Kanal-Korrelation bei der kameraunterstützten Lock-in-Thermographie. Aus den Signalen T 0 (x,y) und T -90 (x,y) kann die ortsabhängige Amplitude A(x,y) und die Phase Φ(x,y) der Temperaturmodulation berechnet werden: ( T ( x, y) ) + T ( x, ) ( ) 2 A( x, y) = y T x, y) = arctan T Φ ( 0 90 ( x. y) ( x, y) (4) Eine Lock-in-Thermographie-Messung liefert also vier verschiedene Bilder: das 0 -Bild, das Bild, das phasenunabhängige Amplitudenbild und das Phasenbild (Abbildung 6).

7 VNr Stand: Version 1.3 S. 7/8 Abbildung 6: Vergleich der verschiedenen Bilder. Die Skala wurde bei den einzelnen Bildern angepasst. (a) Amplitudenbild -0:7 7 mk, (b) Amplitudenbild hoher Kontrast -0,07 0,7 mk, (c) Phasenbild , (d) 0 -Bild -0,5 5 mk, (e) 0 -Bild hoher Kontrast -0,05 0,5 mk, (f) -90 -Bild -0,2 2 mk Das Amplitudenbild stellt den Betrag der dissipierten Wärme dar. Im Phasenbild werden lokale Wärmequellen verschiedener Intensität (aber vergleichbarer Helligkeit) sichtbar. Dieses Bild eignet sich zur Untersuchung benachbarter Wärmequellen verschiedener Intensitäten. Die beste Ortsauflösung von lokalisierten punktförmigen Wärmequellen liefert das 0 -Bild. Die Wärmeleitung um eine Wärmequelle wird im -90 -Bild sichtbar Einfluss der Lock-in-Frequenz Aus Gleichung (3) ist zu erkennen, dass die thermische Diffusionslänge von der Frequenz ω = 2 π flock in und den physikalischen Eigenschaften des Stoffes abhängt. Bei großen f lock-in wird eine bessere räumliche Auflösung erzielt, gleichzeitig verschlechtert sich das Signal- Rausch-Verhältnis Dunkel-Lock-in-Thermographie (DLIT) Bei der Dunkel-Lock-in-Thermographie (DLIT) wird im Dunkeln an die Solarzelle eine gepulste Spannung von (0,5 V, 0 V) in Vorwärtsrichtung angelegt. Die Spannung 0,5 V entspricht der Spannung am MPP (Arbeitspunkt mit maximaler Leistung). Alle Ströme fließen auch als Verlustströme beim Betrieb der Solarzelle (Erklären Sie diesen Zusammenhang mit Hilfe der Solarzellkennlinie!). Eine weitergehende DLIT-Messung enthält drei Einzelmessungen, festgelegt durch die drei angelegten Spannungen 0,5 V, -0,5 V und eine Spannung zwischen -5 V und -12 V (in der Regel gepaart mit 0 V). Weist ein Shunt bei 0,5 V und -0,5 V die gleiche Helligkeit auf, so ist seine Kennlinie linear. In der Literatur (O. Breitenstein et al., Shunt Types in Crystalline Silicon Solar Cells, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2004; 12: ) wird zwischen prozessinduzierten und materialinduzierten Shunts unterschieden. Die ausführliche Beschreibung der verschiedenen Shunttypen lesen Sie bitte in der angegebenen Veröffentlichung nach.

8 VNr Stand: Version 1.3 S. 8/8 Prozessinduzierte Shunts Prozessinduzierte Shunts werden in folgende Gruppen unterteilt: Lineare- und nicht-lineare Shunts an den Kanten, Risse/Löcher, sowie Schottky-artige Shunts (Kratzer und Aluminiumpartikel auf der Solarzelle). Materialinduzierte Shunts Herstellungsbedingt bilden sich in blockgegossenem Silizium (multikristallines Silizium) Einschlüsse. Bei diesen Einschlüssen handelt es sich um Siliziumkarbid- und Siliziumnitrid- Filamente. Die Filamente können den Emitter mit der Rückseite der Solarzelle kurzschließen Illuminated Lock-in-Thermographie (ILIT) Bei der Illuminated Lock-in-Thermographie (ILIT) wird die Zelle beleuchtet, so sind auch Messungen an Solarzellen in einem früheren Produktionsstadium möglich (ohne elektrische Kontaktierung, aber mit pn-übergang). Unterschieden wird in V OC -ILIT (Zelle nicht belastet), J SC -ILIT (Zelle im Kurzschluss betrieben) und MPP-ILIT (Zelle ist mit einem Widerstand so belastet, dass sie bei Beleuchtung am Arbeitspunkt maximaler Leistung arbeitet). 3 Messanleitung Die Messanleitungen liegen am Versuchsplatz aus.