Advanced Characterisation of Silicon Wafer Solar Cells

Advanced Characterisation of Silicon Wafer Solar Cells

Abstrak

Advanced characterisation plays an important role for further improvements of the cost effectiveness ($/Wp) of solar cells. This paper presents an overview of advanced characterisation techniques that are presently being used for the analysis of silicon wafer solar cells, either in the laboratory or in the factories. Techniques covered include
luminescence imaging, lifetime spectroscopy, and optical and electrical measurements. We present a detailed loss analysis, entirely based on measured parameters, that quantifies the main loss processes in silicon wafer solar cells.This loss analysis is completely based on high-precision measurements and provides a detailed quantification (in
W/cm2) of the power losses of the solar cell due to front metal shading, front surface reflection of the active area,front surface escape, series and shunt resistance, non-perfect active-area internal quantum efficiency, and the forward-bias current at the one-sun maximum power point. We also show that a thorough characterisation of the
individual processing steps and a detailed loss analysis of the final solar cells can be used to improve the average efficiency and yield of industrial silicon wafer solar cells.
1. Introduction
Silicon wafer solar cells currently dominate the market and their market share is even increasing. The overwhelming majority of these solar cells are produced by a fabrication sequence consisting of the following steps:
i. Surface texture including saw damage removal
ii. Phosphorus diffusion (either tube or inline diffusion)
iii. Phosphorus silicate glass removal
iv. Silicon nitride deposition
v. Screen printing of front and rear metal contacts
vi. Edge isolation
For every industrial solar cell, its solar energy conversion efficiency will be measured. However, a significant amount of information can be obtained from the silicon samples prior to and after completion of the silicon wafer solar cell. In this paper some typical process related issues are presented that can beextracted from partly processed silicon wafers. In addition, a bottom-up loss analysis for a finished silicon wafer solar cell is presented that quantifies the seven most important loss mechanisms. This method
can serve as a guide in the optimisation of silicon wafer solar cells.
2. Characterisation of partly processed silicon wafers
2.1. Raw wafer analysis by photoluminescence imaging
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. Saw penyingkiran kerosakan dan tekstur
Wafer silikon yang diterima mengandungi lapisan yang rosak pada setiap permukaan (depan dan belakang), akibat daripada proses menggergaji. Hayat pembawa minoriti dalam lapisan yang rosak gergaji ini agak rendah disebabkan oleh kekotoran kimia dan ketidaksempurnaan kristal akibat daripada proses menggergaji. Lapisan yang rosak ini dikeluarkan melalui pemprosesan kimia, biasanya dalam langkah yang sama yang digunakan untuk mentekstur permukaanwafer silikon. Adalah penting bahawa lapisan yang rosak dikeluarkan sepenuhnya dalam langkah kimia ini.
Walau bagaimanapun, ketebalan lapisan yang rosak berbeza-beza antara pembekal wafer, jadi jujukan pencirian diperlukan untuk memastikan bahawa lapisan yang rosak dikeluarkan sepenuhnya. Dalam Rajah 2(a) satu aliran proses ditunjukkan yang membenarkan pengekstrakan masa etsa kerosakan gergaji (SDE) minimum yang diperlukan untuk jenis wafer silikon tertentu. Struktur seumur hidup yang dipasifkan secara simetri disediakan daripada wafer Si yang telah menerima pelbagai masa SDE (KOH pada 80oC). Selepas itu jangka hayat berkesan ditentukan oleh, sebagai contoh, pereputan fotokonduktans keadaan seakan mantap (WCT-120, Sinton Consulting, USA) [3]). Daripada Rajah 2(b) kita dapat melihat bahawa masa SDE minimum ialah 4 minit untuk jenis wafer tertentu ini.
 
Rajah 2. (a) Aliran proses eksperimen yang digunakan untuk menentukan masa goresan kerosakan gergaji minimum yang diperlukan untuk wafer silikon; (b) Hayat pembawa minoriti berkesan bagi sampel seumur hidup yang dipasifkan secara simetri meningkat dengan ketara untuk meningkatkan masa goresan kerosakan gergaji. Untuk wafer Si jenis ini, masa goresan kerosakan gergaji minimum sebanyak 4
minit hendaklah digunakan.
2.3. Resapan fosforus
Cara piawai untuk pembentukan pemancar ialah resapan fosforus, sama ada melalui resapan sebaris atau tiub. Parameter utama yang diminati daripada resapan P ialah nilai mutlak rintangan kepingan dan keseragaman sisinya. Dalam Rajah 3, peta rintangan helaian ditunjukkan yang diperoleh dengan mengambil 49 ukuran individu dengan kuar empat mata (Crestbox, Napson, Jepun) pada wafer mono-Si. Untuk wafer khusus ini keseragaman adalah agak lemah, yang boleh membawa kepada isu-isu hubungan dalam logam Ag hadapan. Wafer mono-Si telah dimuatkan secara berturut-turut dalam kes ini, untuk meminimumkan resapan dopan ke permukaan belakang wafer. Walau bagaimanapun, imej keamatan PL menunjukkan kelebihan keamatan tinggi di sekeliling wafer yang boleh dikaitkan dengan resapan P parasit di bahagian belakang wafer. Oleh itu, resapan parasit ini harus diambil kira dalam baki jujukan fabrikasi sel suria, kerana ia boleh mengakibatkan shunting sel atau sentuhan atau pempasifan yang lemah di bahagian belakang.
 
Rajah 3. (a) Taburan rintangan helaian terukur bagi wafer mono-Si jenis-p 156 mm lebar pseudo-square n+ tersebar dengan rintangan helaian sasaran 60 Ohm/persegi. Ketidakseragaman yang jelas diperhatikan, yang boleh menyebabkan masalah pada peringkat akhir fabrikasi sel solar; (b) Imej keamatan PL bagi wafer yang sama juga menunjukkan ketara
ketidakseragaman di bahagian belakang wafer yang berkaitan dengan pemuatan back-to-back yang tidak optimum bagi wafer ke dalam proses resapan tiub.
2.4. Pemendapan silikon nitrida
Silikon nitrida kini merupakan salutan antipantulan (ARC) tercanggih untuk sel suria wafer silikon, kerana filem itu mengurangkan kehilangan pantulan dan pada masa yang sama menyediakan pempasifan pukal dan permukaan. Adalah diketahui umum bahawa tahap pempasifan permukaan terbaik tidak selalunya bertepatan dengan sifat ARC terbaik filem; oleh itu, kedua-dua sifat harus ditangani secara selari. Dalam Rajah 4, ARC dan sifat pempasifan permukaan diplot sebagai fungsi indeks biasan filem silikon nitrida (SiNx). Kehilangan penyerapan dan pantulan optik ditentukan oleh gabungan pengesanan sinar dan kaedah matriks pemindahan, seperti yang diterangkan secara terperinci dalam Ruj. [4]. Ia boleh dilihat bahawa adalah penting untuk mempertimbangkan kedua-dua pantulan dan kehilangan penyerapan yang disebabkan oleh filem silikon nitrida pada wafer mono-Si bertekstur. Penghantaran filem harus dioptimumkan kerana ini mengehadkan arus yang boleh diperolehi bagi sel suria.
Fig. 4. (a) Weighted average reflection, absorption and transmission as a function of the refractive index of the SiNx film on alkaline textured mono-Si wafers. The optical thickness of the SiNx film was kept constant at 150 and the reflection, absorption and transmission were modelled using ray tracing in combination with the transfer matrix method. The optical losses were weighted by the photon flux of the AM1.5G spectrum; (b) Emitter saturation current density measured by photoconductance decay on SiNx-passivated textured mono-Si wafers with a 70 Ohm/sq n+ diffusion on both sides, as a function of the refractive index of the SiNx film.
With respect to surface passivation, it can be seen that a range of silicon nitride films provide a good level of surface passivation on an n-type emitter, but that care should be taken if the film is stable under a standard industrial firing. By combining both the ARC and passivation properties the best silicon nitride film can be selected (in this case a silicon nitride film with a refractive index of 2.0).
2.5. Screen printing and firing
Sentuhan logam hadapan dan belakang sel suria wafer Si yang tipikal dibentuk dengan percetakan skrin dan penembakan bersama seterusnya bagi kenalan dalam relau penembakan. Cabarannya adalah untuk mendapatkan rintangan siri rendah dalam kombinasi dengan penggabungan semula pembawa cas purata ruang yang rendah di hadapan dan belakang sel suria. Selain itu, pecahan metalisasi di hadapan sel suria harus diminimumkan. Isu hubungan yang teruk boleh diatasi dengan mudah dengan memantau faktor isian dan rintangan siri sel (lihat
Bahagian 3), bagaimanapun, beberapa isu proses memerlukan pencirian yang diselesaikan secara spatial untuk dikesan. Dalam Rajah 5 dua imej keamatan electroluminescence (EL) ditunjukkan untuk sel suria wafer Si dengan isu sentuhan di hadapan dan belakang sel suria. Lebar garis grid logam hadapan sentiasa dikurangkan untuk mengurangkan pecahan metalisasi di hadapan sel suria. Walau bagaimanapun, ini boleh membawa kepada peningkatan rintangan siri yang disebabkan oleh konduktans talian atau jari terputus. Daripada Rajah 5(a) ia boleh
dapat dilihat bahawa jari yang patah boleh diambil dengan mudah oleh pengimejan EL. Isu hubungan dan/atau pempasifan kenalan belakang juga boleh diambil dengan mudah daripada imej EL, lihat Rajah 5(b). Dalam kes khusus ini imej cermin tali pinggang logam relau pembakaran boleh dilihat dalam imej, oleh itu, penembakan yang tidak optimum mengakibatkan sentuhan lemah setempat di bahagian belakang sekali gus mengurangkan faktor isian sel suria.
Rajah 5. (a) Imej keamatan EL bagi sel suria wafer mono-Si dengan jari hadapan Ag patah; (b) Imej keamatan EL sel suria wafer mono-Si dengan sentuhan Al belakang yang lemah.
3. Pencirian sel suria siap
Untuk semua sel suria, lengkung IV satu matahari diukur dan kecekapan penukaran tenaga ditentukan. Walau bagaimanapun, bagi penyelidik sel suria adalah penting untuk mengetahui faktor yang mengehadkan kecekapan sel suria tertentu. Atas sebab ini kaedah baru telah dibangunkan di SERIS yang melakukan analisis kehilangan bawah ke atas untuk sel suria wafer Si dan mengukur tujuh mekanisme kehilangan paling penting bagi sel suria pada titik kuasa maksimum (MPP) 1 matahari, dengan mengandaikan bahawa rintangan siri dibetulkan voltan MPP (Vmpp) sel kekal malar [5]. Oleh itu, analisis ini tidak bertujuan untuk mengukur kerugian berbanding dengan had kecekapan sel solar teori (tetapi secara praktikal tidak boleh dicapai). Sebaliknya, ia bertujuan untuk digunakan secara berulang, dengan menentukan mekanisme kehilangan yang dominan dalam sel suria tertentu, kemudian mengarang versi sel suria yang lebih baik, kemudian mengulangi analisis kehilangan, dan seterusnya. Kaedah analisis kerugian ditunjukkan di sini pada sel suria wafer Cz mono-Si jenis p yang cekap 18.1%
dibuat di SERIS. Sel ini mempunyai pemancar jenis-n homogen di permukaan hadapan dan lapisan medan permukaan belakang beralau luas penuh di permukaan belakang. Kedua-dua sesentuh hadapan Ag dan belakang Al telah dicetak skrin. Mekanisme kerugian yang disiasat dalam analisis kerugian SERIS ialah:
 Lorek grid logam hadapan
 Pemantulan permukaan hadapan di kawasan aktif;
 Melarikan diri permukaan hadapan
 Rintangan siri
 Rintangan Shunt
 Kecekapan kuantum yang tidak sempurna
 Penggabungan semula diod
Pertama, sifat elektrik sel suria ditentukan. Dalam kerja ini penguji IV satu matahari (SolSim-210, Aescusoft, Jerman) dengan simulator suria kelas super-A (WXS-220S-L2, Wacom, Jepun) telah digunakan. Daripada lengkung JV cahaya (tidak ditunjukkan di sini) parameter sel solar standard diperolehi: Voltan litar terbuka Voc, ketumpatan arus litar pintas Jsc, faktor isian FF, kecekapan Eff, voltan titik kuasa maksimum Vmpp dan ketumpatan arus titik kuasa maksimum Jmpp. Dari lengkung JV gelap rintangan shunt
ditentukan oleh padanan linear dalam julat -50 mV hingga 50 mV. Dengan mengalihkan lengkung JV satu matahari oleh Jsc dari kuadran keempat ke kuadran pertama (ditunjukkan dalam Rajah 6) dan mengandaikan bahawa sel suria mematuhi prinsip superposisi, rintangan siri pada titik kuasa maksimum satu matahari (Rs.light). ) ditentukan daripada perbezaan voltan antara gelap dan lengkung JV satu matahari yang dialihkan di Impp, seperti yang diterangkan oleh Aberle et al. [6]. Tambahan pula, ketumpatan arus tepu diod berkesan J0.eff dan neff faktor idealiti berkesan ditentukan daripada lengkung JV cahaya yang dibetulkan Rs. Kesemua nilai terbitan ini diringkaskan dalam Jadual 1.
 
Kecekapan kuantum sel suria ditentukan dalam kerja ini dengan kaedah tindak balas spektrum pembezaan, menggunakan gabungan cahaya monokromatik termodulat dengan cahaya pincang putih keadaan mantap [7]. Sistem yang digunakan dalam kerja ini (Fimo-210, Aescusoft, Jerman) mempunyai monokromator berasaskan roda penapis dengan 34 penapis jalur sempit dan kelinearan sel diperiksa sebelum pengukuran. Kecekapan kuantum luaran dan dalaman bagi kawasan bebas logam sel suria ditunjukkan dalam Rajah 7.
Kawasan logam permukaan hadapan sel diukur menggunakan sistem pengukuran penglihatan 3D automatik (MeasurVision, Sunny Instruments, Singapura). Raa pantulan bagi kawasan sel aktif kemudiannya dikira daripada pantulan hemisfera yang diukur (Lambda 950, PerkinElmer, Amerika Syarikat), pecahan pemekatan permukaan hadapan yang diukur, dan pantulan terukur bagi grid logam hadapan yang digunakan. IQE bagi kawasan aktif (IQEaa) kemudiannya dikira menggunakan pecahan metalisasi sel yang diukur dan Raa yang dikira bagi kawasan bebas logam. IQEaa digunakan di bawah untuk pengiraan kehilangan penggabungan semula dalam sel litar pintas.
Pada bahagian akhir analisis, kehilangan kuasa (dalam mW/cm2) pada MPP sel suria dikira untuk setiap tujuh mekanisme kehilangan yang dikaji, dengan mengandaikan bahawa sel mematuhi prinsip superposisi. Kerugian optik dan kerugian akibat IQEaa yang tidak sempurna dikira dengan menimbang data yang diukur dengan spektrum AM1.5G, yang mana kehilangan arus yang dikira pada litar pintas ditukar kepada kehilangan kuasa pada MPP melalui pendaraban dengan Vmpp. Kerugian rintangan dan pincang ke hadapan
arus dikira pada keadaan MPP, menggunakan nilai terukur sel suria daripada Jadual 1 dan model litar setara satu diod. Analisis kami dengan itu mengandaikan bahawa perbezaan antara Jsc dan Jmpp adalah sepenuhnya disebabkan oleh penggabungan semula tambahan yang dicetuskan dalam peranti oleh voltan pincang ke hadapan, yang benar jika sel mematuhi prinsip superposisi dan rintangan shunt cukup tinggi. Keputusan kehilangan kuasa analisis ini diberikan dalam Jadual 2. Seperti yang dinyatakan di atas, analisis mengandaikan bahawa rintangan siri diperbetulkan voltan titik kuasa maksimum kekal malar. Dapat dilihat bahawa untuk sel tertentu ini kehilangan kuasa disebabkan oleh IQEaa yang tidak sempurna adalah dominan (37%), diikuti oleh kehilangan kuasa akibat teduhan logam hadapan (24%). Ia juga boleh dilihat bahawa jumlah kehilangan arus pada MPP (12.6 mA/cm2) digabungkan
dengan Jmpp yang diukur menambah sehingga 47.2 mA/cm2, yang sangat hampir dengan jumlah arus yang mungkin dari spektrum AM1.5G untuk panjang gelombang sehingga 1200 nm (47.0 mA/cm2). Oleh itu, semua proses kehilangan semasa foton utama telah diambil kira.
4. Kesimpulan
Dalam makalah ini kami telah menunjukkan bahawa sejumlah besar maklumat boleh diekstrak daripada wafer silikon yang diproses sebahagiannya, dengan menggunakan pelbagai teknik pencirian. Tambahan pula kami telah membentangkan kaedah analisis kehilangan kuasa untuk sel suria wafer silikon yang mengukur tujuh mekanisme kehilangan kuasa utama pada titik kuasa maksimum sel berdasarkan analisis bawah ke atas. Kaedah ini menganggap bahawa Vmpp sel kekal malar apabila pelbagai mekanisme kehilangan dihapuskan; dengan itu,
ia harus digunakan secara berulang apabila menambah baik sel solar, kerana Vmpp akan berubah juga. Analisis ini boleh disesuaikan dengan mudah kepada teknologi fotovoltaik lain seperti filem nipis Si, CIGS, dan sel suria berasaskan CdTe, dan kepada modul fotovoltaik. Seperti yang diterangkan dalam kertas ini, pencirian lanjutan memainkan peranan penting dalam meningkatkan kecekapan dan hasil teknologi fotovoltaik.
Rujukan
[1] Trupke T, Bardos RA, Schubert MC, Warta W. Pengimejan Photoluminescence wafer silikon. Appl. Fizik. Lett. 2006; 89:044107.
[2] Giesecke JA, The M, Kasemann M, Warta W. Pencirian spasial menyelesaikan wafer potong silikon dengan pengimejan photoluminescence. Prog. Fotovolt. 2009; 17: 217.
[3] Sinton RA, Cuevas A. Penentuan tanpa sentuhan ciri voltan semasa dan hayat pembawa minoriti dalam semikonduktor daripada data fotokonduktans keadaan-kuasi mantap. Appl. Fizik. Lett. 1996; 69:2510.
[4] Duttagupta S, Ma F, Hoex B, Mueller T, Aberle AG. Salutan antipantulan dioptimumkan menggunakan silikon nitrida pada permukaan silikon bertekstur berdasarkan ukuran dan pemodelan pelbagai dimensi. Proc. International Conf. pada Bahan untuk
Advanced Technologies 2011, Simposium O, Singapura; Energy Procedia, 2011.
[5] Aberle AG, Zhang W, Hoex B. Kaedah analisis kehilangan lanjutan untuk sel suria wafer silikon. Proc. SiliconPV 2011 Conf. (Perpaduan Antarabangsa Pertama mengenai Crystalline Silicon Photovoltaics), Freiburg, Jerman; Energy Procedia, 2011, jilid 8, hlm. 244-9.
[6] Aberle AG, Wenham SR, Green MA. Kaedah baharu untuk pengukuran tepat bagi rintangan siri terkumpul sel suria. Proc. 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Louisville, Amerika Syarikat; 1993, hlm. 133-8.
[7] Metzdorf J. Penentukuran sel suria. 1: Kaedah tindak balas spektrum pembezaan. Appl. Optik 1987; 26: 1701
Sumber:Sciencedirect
Untuk maklumat lanjut, sila layari laman web kami:www.powerwaywafer.com, send us email at sales@powerwaywafer.com  or powerwaymaterial@gmail.com

Kongsi catatan ini