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Analyse von Silizium-Solarzellen

Silizium-Solarzellen aus ihrer eigenen Produktion oder ihrem Forschungsbetrieb können bei uns mit etablierten Methoden unabhängig untersucht werden.

Am ISFH stehen eine Reihe von elektronischen Messtechniken für eine umfassende Solarzellencharakterisierung zur Verfügung. Hierbei unterscheiden wir zwischen Messmethoden, die globale Werte einer Solarzelle liefern und abbildenden Messmethoden, mit denen sich ortsaufgelöste Informationen gewinnen lassen. Die wesentlichen Methoden zur Bestimmung globaler Parameter sind Messungen von Strom-Spannungs-Kennlinien und Messungen der spektralen Empfindlichkeit. Als abbildende Verfahren stehen kamerabasierte Elektrolumineszenz und Lock-In Thermografie sowie als scannendes Verfahren Light Beam Induced Current (LBIC) für Routinemessungen zur Verfügung.

Simulator Sunny II
Kennlinien-Messplatz (Sunny II)

Strom-Spannungs-Kennlinien (Sunny I und II)

Für die Messung von Strom-Spannungs-Kennlinien stehen am ISFH zwei Messsysteme mit Konstantlichtquellen zur Verfügung. Unter Standardtestbedingungen (25°C, Beleuchtungsintensität 0,1 W/cm2, 1 Sonne) werden die zentralen Solarzellenkenngrössen Leerlaufspannung Voc, Kurzschlussstrom Jsc, Füllfaktor FF, Wirkungsgrad η so wie die Stromdichte JMPP und die Spannung VMMP am Punkt maximaler Leistungsabgabe ermittelt. Für eine umfassendere Analyse von Solarzellen auf Basis des Zwei-Dioden-Modells können zusätzlich Jsc-Voc-Kennlinien aufgenommen werden.

Elektrolumineszenz-Aufnahme
Elektrolumineszenz-Aufnahme einer Si-Solarzelle

Spektrale Quantenausbeute

Bei dieser Messung wird bestimmt, wieviele Elektronen die Solarzelle für jedes eingestrahlte Photon zum Kurzschlussstrom beiträgt. Gemessen wird dazu der Kurzschlussstrom der Solarzelle unter monochromatischer Beleuchtung im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1200 nm bei gleichzeitiger Beleuchtung mit weissem Licht und einer Intensität zwischen null und einer Sonne. In Kombination mit einer Reflexionsmessung lässt sich die interne Quanteneffizienz (IQE) ermitteln. Eine detaillierte Analyse der IQE Daten liefert sowohl Informationen über die Emitterqualität, die Diffusionslänge und die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit als auch Informationen über die optischen Eigenschaften der Zelle.

Shunt-Mapping
IR-Thermographieaufnahme einer Si-Solarzelle

Kamerabasierte Elektrolumineszenz

Kamerabasierte Elektrolumineszenzmessungen eröffnen die Möglichkeit einer Solarzellencharakterisierung mit hoher Ortsauflösung innerhalb weniger Sekunden. Elektrolumineszenz ist die Aussendung von Licht als Folge einer von außen an die Solarzelle angelegten Spannung. Die in die Solarzelle injizierten Elektronen rekombinieren mit vorhandenen Löchern, wobei die in diesem Vorgang frei werdende Energie zu einem geringen Teil in Form eines Photons abgegeben wird. Das mit einer CCD-Kamera aufgenommene Bild zeigt die Intensitätsverteilung der Lumineszenstrahlung. Generell sind alle Effekte, die zu lokaler Reduzierung der Ladungsträgerkonzentration führen, im Elektrolumineszenzbild sichtbar. Die Ursachen für eine reduzierte Ladungsträgerkonzentration sind vielfältig und lassen sich in den meisten Fällen gut unterscheiden. Die Ortsauflösung ist durch die Pixelzahl des Detektors limitiert und beträgt 150 µm bei einer Solarzelle mit einer Kantenlänge von 15 cm.

Kamerabasierte Lock-In Thermografie

Zur Bestimmung der lokalen Verlustleistung in Solarzellen mit hoher Ortsauflösung wird am ISFH eine Wärmebildkamera eingesetzt. Bei dem als Lock-In Thermografie bezeichneten Verfahren wird zwischen Messungen im Dunkeln (DLIT) und unter Beleuchtung (ILIT) unterschieden.
Im Falle von DLIT werden Ladungsträger über den pn-Übergang in die Solarzelle injiziert. Orte hoher lokaler Rekombination zeigen einen lokalen Temperaturanstieg. Mittels Lock-In-Technik lässt sich dieser Temperaturanstieg mit einer Auflösung von bis zu 25 µK messen. Bei der Solarzellencharakterisierung wird dieses Verfahren zum Auffinden von Shunts eingesetzt. Im Falle von ILIT werden Überschussladungsträger optisch mit Hilfe von Leuchtdiodenarrays erzeugt. Wird an die Solarzelle gleichzeitig eine Spannung angelegt, so ist eine präzise Bestimmung der Verteilung von Leistungsverlusten unter Betriebsbedingungen möglich. Bei geeigneter Lock-In Frequenz ist die Ortsauflösung durch die Pixelzahl des Detektors limitiert und beträgt 625 µm bei einer Solarzelle mit einer Kantenlänge von 15 cm.

Spektral aufgelöstes LBIC (SR-LBIC)

Spectrally Resolved Light Beam Induced Current (SR-LBIC) erlaubt, die örtliche Verteilung des Kurzschlussstroms einer Solarzelle zu messen und so material- und prozessbedingten lateralen Inhomogenitäten zu bestimmen. Am ISFH steht ein kommerzielles System der Firma Semilab mit vier Lasern im Spektralbereich von 650 nm bis 985 nm zur Verfügung. Die gleichzeitige Messung der Reflexion erlaubt eine Bestimmung der lokalen internen Quantenausbeute und damit der lokalen effektiven Diffusionslänge Leff.

Ansprechpartner
Dr. Karsten Bothe
Tel.: +49 (0) 5151-999 425
E-Mail: k.bothe@isfh.de

SR-LBIC-Aufnahme einer Si-Solarzelle

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