SWIR-Kamera Photolumineszenz-Prüfung für bessere Solarzellen

Photovoltaik-Anlage inspizieren.
Photovoltaik-Anlage inspizieren.

Der Wirkungsgrad einer Silizium-Solarzelle lässt sich schon ­in einem frühen Stadium ihrer Fertigung durch Photolumineszenz abschätzen. Dieses Phänomen ist jedoch schwach ausgeprägt und findet im nahen (NIR) und kurzwelligen Infrarot (SWIR) statt. Zudem ist es für herkömmliche CCD-Bildaufnehmer nur schwer oder überhaupt nicht nachweisbar. Die NIR/SWIR-­Kameras in InGaAs-Technologie von Xenics ermöglichen ­jedoch eine aussagekräftige Inline-Inspektion auch für Solarzellen-Fertigungsanlagen mit hohem Durchsatz.

Mit dem üblichen Verfahren der Elektrolumineszenz ist es erst im letzten Schritt möglich, eine Aussage über den Wirkungsgrad der Zelle zu gewinnen. Denn erst dann kann eine externe Spannung angelegt werden, die in die vielen pn-Übergänge einer Solarzelle Elektronen injiziert, welche dort teilweise mit vorhandenen Löchern rekombinieren. Ihre überschüssige Energie wird in Photonen umgesetzt, deren Wellenlänge von der Bandlücke des Absorptionsmaterials der Solarzelle abhängt. Bei Poly-Silizium liegt diese um 1.100 nm. Ihre spektrale Verteilung ist im Bild 1 als Lumineszenz-Spitze von Poly-Silizium (grün) gekennzeichnet.

Bilder: 4

Photolumineszenz-Prüfung für bessere Solarzellen

Die NIR/SWIR-­Kameras in InGaAs-Technologie von Xenics ermöglichen eine aussagekräftige Inline-Inspektion auch für Solarzellen-Fertigungsanlagen mit hohem Durchsatz.

Weist das Poly-Silizium-Material aber Defekte auf, dann sinkt dieser Spitzenwert und die Emission erfolgt mit geringerer Energie (sub-band gap) im Defekt-Band mit größerer Wellenlänge im Bereich von 1.300 bis 1.600 nm – im Bild 1 violett dargestellt. Dieses Verhalten lässt sich recht deutlich im Bild 2 verfolgen: Im oberen Bild wurde die Lumineszenz-Spitze durch ein Bandpassfilter mit einer mittleren Wellenlänge von 1.100 nm herausgefiltert und durch eine InGaAs-Kamera ortsaufgelöst dargestellt. Defekte lassen sich durch leicht schattierte Regionen erkennen. Dabei weisen dunklere Bereiche mit hoher Defektdichte auf verringerten Wirkungsgrad der Zelle hin.

esentlich kontrastreichere Bilder ergeben sich bei der Aufnahme der Lumineszenz im Sub-Bandlücken-Bereich, die von Defekten herrühren. So zeigt Bild 2 eine SWIR-Aufnahme mit vorgeschaltetem Tiefpassfilter, das nur Wellenlängen oberhalb 1.450 nm durchlässt. Je heller die Fläche, desto höher ist die Defektdichte und desto niedriger wird der Wirkungsgrad der Solarzelle sein.

Zur Untersuchung der Elektrolumineszenz wurden bisher vorwiegend CCD-Kameras in „Deep Depletion“-Silizium-Technologie mit Rückseiten-
beleuchtung eingesetzt. Deren mit der Wellenlänge stark sinkende Quanteneffizienz (blaue Kurve im Bild 1) trifft auf die ansteigende Flanke der Lumineszenz-Spitze bei 1.000 nm, so dass nur der im Bild 1 rosa schraffierte Bereich genutzt werden kann. Dies führt zu langen Untersuchungszeiten, die mit dem hohen Durchsatz moderner Fertigungsautomaten für Solarzellen nicht vereinbar sind.