Abstrakt
Avanceret karakterisering spiller en vigtig rolle for yderligere forbedringer af solcellers omkostningseffektivitet ($/Wp). Denne artikel præsenterer en oversigt over avancerede karakteriseringsteknikker, der i øjeblikket bruges til analyse afsilicium wafer solcellerenten i laboratoriet eller på fabrikkerne. Teknikker omfattet omfatter
luminescensbilleddannelse, livstidsspektroskopi og optiske og elektriske målinger. Vi præsenterer en detaljeret tabsanalyse, udelukkende baseret på målte parametre, der kvantificerer de vigtigste tabsprocesser i silicium wafer solceller. Denne tabsanalyse er fuldstændig baseret på højpræcisionsmålinger og giver en detaljeret kvantificering (i
W/cm2) af solcellens effekttab på grund af frontmetalafskærmning, frontoverfladereflektion af det aktive område, frontfladeudslip, serie- og shuntmodstand, ikke-perfekt intern kvanteeffektivitet i aktivt område og fremadrettet skævhed strøm ved en-sols maksimale effektpunkt. Vi viser også, at en grundig karakterisering af
individuelle behandlingstrin og en detaljeret tabsanalyse af de endelige solceller kan bruges til at forbedre den gennemsnitlige effektivitet og udbytte af industrielle silicium wafer solceller.
1. Introduktion
Silicium wafer solceller dominerer i øjeblikket markedet, og deres markedsandel er endda stigende. Det overvældende flertal af disse solceller er produceret af en fremstillingssekvens bestående af følgende trin:
jeg. Overfladetekstur inklusive fjernelse af savskader
ii. Fosfordiffusion (enten tube eller inline diffusion)
iii. Fjernelse af fosforsilikatglas
iv. Siliciumnitridaflejring
v. Serigrafi af metalkontakter foran og bagpå
vi. Kantisolering
For hver industriel solcelle vil dens solenergikonverteringseffektivitet blive målt. Imidlertid kan en betydelig mængde information opnås fra siliciumprøverne før og efter færdiggørelsen af siliciumwafer-solcellen. I denne artikel præsenteres nogle typiske procesrelaterede problemstillinger, som kan udvindes fra delvist forarbejdede siliciumwafers. Derudover præsenteres en bottom-up tabsanalyse for en færdig silicium wafer solcelle, der kvantificerer de syv vigtigste tabsmekanismer. Denne metode
kan tjene som vejledning i optimering af silicium wafer solceller.
2. Karakterisering af delvist forarbejdede siliciumskiver
2.1. Rå waferanalyse ved fotoluminescensbilleddannelse
Photoluminescence (PL) imaging has emerged in the last decade as a very versatile characterisation technique in the field of silicon wafer photovoltaics [1]. Of particular interest is that PL enables us to study partly processed silicon wafers in every step of the solar cell fabrication sequence. As an example, Fig. 1 shows PL intensity images taken on a high-quality and a low-quality multi-Si wafer (PL images taken with the LIS-R1 system from BT Imaging, Australia). The wafers were measured in their as-received state, i.e. no processing step was applied at SERIS. The high-quality wafer has a uniform appearance, apart from a lower intensity edge at the right which can be attributed to the block-casting process. The low-quality wafer has a clearly different appearance with a significant portion of the wafer appearing “dark”. It has been shown by Giesecke et al. that dark areas in raw wafers relate to areas with bulk minority carrier lifetimes of < 10 s [2]. Interestingly, the areas close to the grain boundaries are brighter in the PL image of the low-quality multi-Si wafer. This can be explained by the internal gettering of impurities by the grain boundaries, resulting in higher effective lifetimes in the proximity of grain boundaries in multi-Si with a high impurity content. This multi-Si wafer was clearly cut from either the top or bottom of the ingot. This result clearly shows that PL has the potential to assess the quality of as-received wafers before any processing. This information can be used for incoming quality control or to “bin” the incoming wafers into quality groups and to tailor especially the thermal processing in order to get the optimal cell efficiency for each quality group, instead of processing all wafers in the same way.
2.2. Savskade fjernelse og teksturering
De modtagne siliciumskiver indeholder et defekt lag på hver overflade (for og bag), som følge af saveprocessen. Minoritetsbærerens levetid i dette savbeskadigede lag er relativt lav på grund af kemiske urenheder og krystalufuldkommenheder som følge af saveprocessen. Dette defekte lag fjernes ved kemisk bearbejdning, typisk i det samme trin, som bruges til at teksturere overfladerne påsilicium wafer. Det er af afgørende betydning, at det defekte lag fjernes fuldstændigt i dette kemiske trin.
Tykkelsen af det defekte lag varierer dog mellem waferleverandører, så der kræves en karakteriseringssekvens for at sikre, at det defekte lag fjernes fuldstændigt. I fig. 2(a) er der vist et procesflow, der tillader udtrækning af den minimalt nødvendige savskadeætsningstid (SDE) for en bestemt siliciumwafertype. Symmetrisk passiverede livstidsstrukturer fremstilles af Si-wafere, som har modtaget forskellige SDE-tider (KOH ved 80oC). Efterfølgende bestemmes den effektive levetid af for eksempel quasi-steady-state fotokonduktansforfald (WCT-120, Sinton Consulting, USA) [3]). Fra fig. 2(b) kan vi se, at den minimale SDE-tid er 4 minutter for denne særlige type wafer.
Fig. 2. (a) Eksperimentel procesflow brugt til at bestemme den minimale ætsetid for savskader, der kræves for en siliciumwafer; (b) Den effektive minoritetsbærerlevetid for den symmetrisk passiverede levetidsprøve øges signifikant for at øge savskadens ætsningstid. For denne type Si wafer, en minimal savskader ætsningstid på 4
minutter skal bruges.
2.3. Fosfordiffusion
Standardmåden for emitterdannelsen er fosfordiffusion, enten ved inline- eller rørdiffusion. De vigtigste parametre af interesse fra P-diffusionen er den absolutte værdi af plademodstanden og dens laterale ensartethed. I fig. 3 er vist et arkmodstandskort, som blev opnået ved at tage 49 individuelle målinger med en firepunktssonde (Crestbox, Napson, Japan) på en mono-Si-wafer. For denne specifikke wafer er ensartetheden relativt dårlig, hvilket kan føre til kontaktproblemer i den forreste Ag-metallisering. Mono-Si-waferne blev i dette tilfælde lagt ryg-mod-rygge for at minimere dopingmiddeldiffusion ind i den bagerste overflade af waferen. Imidlertid viser PL-intensitetsbilledet en højintensitetskant omkring waferen, der kan tilskrives parasitisk P-diffusion på bagsiden af waferen. Derfor bør denne parasitære diffusion tages i betragtning i resten af solcellefremstillingssekvensen, da det kan resultere i shunting af cellen eller en dårlig kontakt eller passivering bagtil.
Fig. 3. (a) Målt plademodstandsfordeling af en 156 mm bred pseudo-kvadrat n+ diffuseret p-type mono-Si wafer med en målplademodstand på 60 Ohm/kvadrat. Der observeres en tydelig uensartethed, som kan give problemer i senere faser af solcellefremstillingen; (b) PL-intensitetsbilledet af den samme wafer afslører desuden signifikant
uensartetheder på bagsiden af waferen relateret til den ikke-optimale ryg-til-ryg-belastning af waferne i rørdiffusionsprocessen.
2.4. Siliciumnitridaflejring
Siliciumnitrid er i øjeblikket den avancerede antirefleksbelægning (ARC) til siliciumwafer-solceller, da filmen reducerer refleksionstab og samtidig giver bulk- og overfladepassivering. Det er velkendt, at det bedste niveau af overfladepassivering ikke altid falder sammen med filmens bedste ARC-egenskaber; begge ejendomme bør derfor behandles parallelt. I fig. 4 er egenskaberne for ARC og overfladepassivering afbildet som en funktion af brydningsindekset for siliciumnitrid (SiNx) filmen. De optiske absorptions- og reflektionstab blev bestemt ved en kombination af strålesporing og transfermatrixmetoden, som beskrevet detaljeret i Ref. [4]. Det kan ses, at det er vigtigt at overveje både refleksions- og absorptionstab induceret af siliciumnitridfilmen på teksturerede mono-Si wafers. Transmissionen af filmen bør optimeres, da dette begrænser den opnåelige strøm i solcellen.
Fig. 4. (a) Vægtet gennemsnitlig refleksion, absorption og transmission som funktion af brydningsindekset for SiNx-filmen på alkalisk teksturerede mono-Si-wafere. Den optiske tykkelse af SiNx-filmen blev holdt konstant ved 150, og reflektionen, absorptionen og transmissionen blev modelleret ved hjælp af ray tracing i kombination med transfer matrix-metoden. De optiske tab blev vægtet af fotonfluxen af AM1.5G-spektret; (b) Emittermætningsstrømtæthed målt ved fotokonduktans-henfald på SiNx-passiverede teksturerede mono-Si-wafere med en 70 Ohm/sq n+ diffusion på begge sider, som en funktion af SiNx-filmens brydningsindeks.
Med hensyn til overfladepassivering kan det ses, at en række siliciumnitridfilm giver et godt niveau af overfladepassivering på en n-type emitter, men at man skal passe på, hvis filmen er stabil under en standard industriel brænding. Ved at kombinere både ARC- og passiveringsegenskaberne kan den bedste siliciumnitridfilm vælges (i dette tilfælde en siliciumnitridfilm med et brydningsindeks på 2,0).
2.5. Serigrafi og brænding
Den forreste og bageste metalkontakt på en typisk Si wafer solcelle dannes ved serigrafi og efterfølgende samfyring af kontakterne i en fyringsovn. Udfordringen er at opnå en lav seriemodstand i kombination med en lav rumlig gennemsnitlig ladningsbærer-rekombination foran og bag på solcellen. Desuden bør metalliseringsfraktionen foran på solcellen minimeres. Alvorlige kontaktproblemer kan nemt afhjælpes ved at overvåge cellens fyldfaktor og seriemodstand (se
Afsnit 3), kræver nogle procesproblemer dog rumligt løst karakterisering for at blive opdaget. I fig. 5 er to billeder af elektroluminescens (EL) intensitet vist for Si wafer solceller med kontaktproblemer foran og bag på solcellen. Bredden af de forreste metalgitterlinjer reduceres konstant for at reducere metalliseringsfraktionen foran på solcellen. Dette kan dog føre til en stigning i seriemodstanden forårsaget af ledningskonduktansen eller afbrudte fingre. Fra fig. 5(a) kan det
ses, at knækkede fingre meget let kan opfanges ved EL-billeddannelse. Kontakt- og/eller passiveringsproblemer af rygkontakten kan også nemt opfanges fra EL-billeder, se fig. 5(b). I dette specifikke tilfælde er et spejlbillede af brændeovnens metalbånd synligt på billedet, og derfor resulterer den ikke-optimale fyring i lokaliseret dårlig kontakt bagpå, hvorved solcellens fyldningsfaktor reduceres.
Fig. 5. (a) EL-intensitetsbillede af en mono-Si wafer-solcelle med knækkede Ag-forfingre; (b) EL-intensitetsbillede af en mono-Si wafer solcelle med en dårlig bageste Al-kontakt.
3. Karakterisering af færdige solceller
For alle solceller måles en-sol IV-kurven, og energiomsætningseffektiviteten bestemmes. For solcelleforskere er det dog af afgørende betydning at vide, hvilke faktorer der begrænser effektiviteten af en given solcelle. Af denne grund blev der udviklet en ny metode hos SERIS, der udfører en bottom-up tabsanalyse for Si wafer solceller og kvantificerer de syv vigtigste tabsmekanismer for en solcelle ved 1-sol maksimum effektpunkt (MPP), forudsat at seriemodstandskorrigeret MPP-spænding (Vmpp) af cellen forbliver konstant [5]. Denne analyse har således ikke til hensigt at kvantificere tabene i forhold til den teoretiske (men praktisk talt ikke opnåelige) solcelleeffektivitetsgrænse. I stedet er det meningen, at den skal bruges på en iterativ måde, ved at bestemme de dominerende tabsmekanismer i en bestemt solcelle, derefter fremstille en forbedret version af solcellen, derefter gentage tabsanalysen og så videre. Tabsanalysemetoden demonstreres her på en 18,1 % effektiv p-type Cz mono-Si wafer solcelle
fremstillet hos SERIS. Cellen har en homogen n-type emitter på den forreste overflade og et fuldt areal legeret bagoverflade feltlag på den bagerste overflade. Både Ag front- og Al-bagkontakten blev screentrykt. Tabsmekanismerne undersøgt i SERIS-tabsanalysen er:
Frontafskærmning af metalgitter
Frontoverfladereflektans i det aktive område;
Forsideudslip
Seriemodstand
Shuntmodstand
Ikke-perfekt kvanteeffektivitet
Dioderekombination
Først bestemmes solcellens elektriske egenskaber. I dette arbejde blev der brugt en en-sol IV-tester (SolSim-210, Aescusoft, Tyskland) med en super-klasse-A solsimulator (WXS-220S-L2, Wacom, Japan). Fra lys JV-kurven (ikke vist her) udledes standard solcelleparametrene: Åbningsspænding Voc, kortslutningsstrømtæthed Jsc, fyldfaktor FF, effektivitet Eff, maksimal effektpunktspænding Vmpp og maksimal effektpunktstrømtæthed Jmpp. Fra den mørke JV-kurve shuntmodstanden
bestemmes af en lineær tilpasning i området -50 mV til 50 mV. Ved at forskyde én-sols JV-kurven med Jsc fra den fjerde til den første kvadrant (vist i fig. 6) og antage, at solcellen adlyder superpositionsprincippet, vil seriemodstanden ved én-sols maksimale effektpunkt (Rs.light) ) bestemmes ud fra spændingsforskellen mellem den mørke og den forskudte en-sol JV-kurve ved Impp, som beskrevet af Aberle et al. [6]. Ydermere bestemmes den effektive diodemætningsstrømtæthed J0.eff og den effektive idealitetsfaktor neff ud fra den Rs-korrigerede lys JV-kurve. Alle disse afledte værdier er opsummeret i tabel 1.
.jpg)
Solcellens kvanteeffektivitet bestemmes i dette arbejde med den differentielle spektrale responsmetode, ved hjælp af en kombination af moduleret monokromatisk lys med steady-state hvidt biaslys [7]. Systemet anvendt i dette arbejde (Fimo-210, Aescusoft, Tyskland) har en filterhjulsbaseret monokromator med 34 smalbåndsfiltre, og cellens linearitet kontrolleres før målingen. Den ydre og indre kvanteeffektivitet for solcellens metalfrie område er vist i fig. 7.
Det metalliserede område af cellens forside blev målt ved hjælp af et automatiseret 3D-synsmålesystem (MeasurVision, Sunny Instruments, Singapore). Refleksionsevnen Raa for det aktive celleareal beregnes efterfølgende ud fra den målte halvkugleformede reflektans (Lambda 950, PerkinElmer, USA), den målte metalliseringsfraktion af frontfladen og den målte reflektans af det brugte frontmetalgitter. IQE for det aktive område (IQEaa) beregnes derefter ved hjælp af den målte metalliseringsfraktion af cellen og den beregnede Raa for det metalfrie område. IQEaa bruges nedenfor til kvantificering af rekombinationstabene i den kortsluttede celle.
I den sidste del af analysen beregnes effekttabene (i mW/cm2) ved solcellens MPP for hver af de syv undersøgte tabsmekanismer, idet det antages, at cellen overholder superpositionsprincippet. De optiske tab og tabene på grund af en ikke-perfekt IQEaa beregnes ved at vægte de målte data med AM1.5G-spektret, hvorved det beregnede strømtab ved kortslutning omregnes til et effekttab ved MPP ved multiplikation med Vmpp. De resistive tab og den fremadrettede bias
strøm beregnes ved MPP-forhold, ved hjælp af de målte værdier af solcellen fra tabel 1 og en-diode ækvivalent kredsløbsmodel. Vores analyse antager således, at forskellen mellem Jsc og Jmpp helt og holdent skyldes den yderligere rekombination, der udløses i enheden af den fremadgående biasspænding, hvilket er sandt, hvis cellen adlyder superpositionsprincippet og shuntmodstanden er tilstrækkelig høj. Effekttabsresultaterne af denne analyse er angivet i tabel 2. Som nævnt ovenfor antager analysen, at den seriemodstandskorrigerede maksimale effektpunktspænding forbliver konstant. Det kan ses, at for netop denne celle er effekttabet på grund af den ikke-perfekte IQEaa dominerende (37%), efterfulgt af effekttabet på grund af frontmetalafskærmning (24%). Det kan også ses, at det samlede strømtab ved MPP (12,6 mA/cm2) tilsammen
med den målte Jmpp lægger op til 47,2 mA/cm2, hvilket er meget tæt på den samlede mulige strøm fra AM1.5G-spektret for bølgelængder op til 1200 nm (47,0 mA/cm2). Derfor er der taget højde for alle større fotonstrømtabsprocesser.
4 konklusioner
I denne artikel har vi vist, at en betydelig mængde information kan udvindes fra delvist forarbejdede siliciumwafers ved at anvende en række karakteriseringsteknikker. Desuden har vi præsenteret en effekttabsanalysemetode for siliciumwafer-solceller, som kvantificerer de syv vigtigste effekttabsmekanismer ved cellens maksimale effektpunkt baseret på en bottom-up-analyse. Metoden antager, at cellens Vmpp forbliver konstant, når de forskellige tabsmekanismer er elimineret; dermed,
det skal bruges iterativt ved forbedring af solceller, da Vmpp også vil ændre sig. Denne analyse kan nemt tilpasses til andre solcelleteknologier som f.eksSi tynd film, CIGS og CdTe baserede solceller og til fotovoltaiske moduler. Som beskrevet i dette papir spiller avanceret karakterisering en nøglerolle i at forbedre effektiviteten og udbyttet af fotovoltaiske teknologier.
Referencer
[1] Trupke T, Bardos RA, Schubert MC, Warta W. Fotoluminescensbilleddannelse af siliciumwafers. Appl. Phys. Lett. 2006; 89:044107.
[2] Giesecke JA, The M, Kasemann M, Warta W. Rumligt opløst karakterisering af silicium as-cut wafers med fotoluminescensbilleddannelse. Prog. Fotovolt. 2009; 17:217.
[3] Sinton RA, Cuevas A. Berøringsfri bestemmelse af strøm-spændingskarakteristika og minoritetsbærerlevetider i halvledere ud fra quasi-steady-state fotokonduktansdata. Appl. Phys. Lett. 1996; 69:2510.
[4] Duttagupta S, Ma F, Hoex B, Mueller T, Aberle AG. Optimerede antirefleksbelægninger med siliciumnitrid på teksturerede siliciumoverflader baseret på målinger og multidimensionel modellering. Proc. International konf. om materialer til
Advanced Technologies 2011, Symposium O, Singapore; Energy Procedia, 2011.
[5] Aberle AG, Zhang W, Hoex B. Avanceret tabsanalysemetode for siliciumwafer-solceller. Proc. SiliconPV 2011 Conf. (1st International Conf. on Crystalline Silicium Photovoltaics), Freiburg, Tyskland; Energy Procedia, 2011, bind 8, s. 244-9.
[6] Aberle AG, Wenham SR, Green MA. En ny metode til nøjagtige målinger af solcellers klumpede seriemodstand. Proc. 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Louisville, USA; 1993, s. 133-8.
[7] Metzdorf J. Kalibrering af solceller. 1: Den differentielle spektrale responsivitetsmetode. Appl. Optics 1987; 26:1701
Kilde: Sciencedirect
For mere information, besøg venligst vores hjemmeside:www.powerwaywafer.com, send os en e-mail på sales@powerwaywafer.com eller powerwaymaterial@gmail.com