Mikroskopische Untersuchungen der Sperrspannungselektrolumineszenz von (multi-) kristallinen Siliziumsolarzellen

Schneemann, Matthias; Rau, Uwe

doi:999910321241

Mikroskopische Untersuchungen der Sperrspannungselektrolumineszenz von (multi-) kristallinen Siliziumsolarzellen = Microscopic investigations of the reverse biased electroluminescence of (multi-) crystalline silicon solar cells

Schneemann, Matthias (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Matthias Schneemann, geb. Wilke

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangIX, 128 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-04-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45916
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229574/files/4591.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Solarzelle (Genormte SW) ; Elektrolumineszenz (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Sperrspannungselektrolumineszenz (frei) ; Siliziumsolarzellen (frei) ; solar cell (frei) ; reverse biased electroluminescence (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 88.40.jj * 78.60.Fi

Kurzfassung
Die Emission von Licht aus einer multikristallinen Siliziumsolarzelle unter Sperrsp-annung (Sperrspannungselektrolumineszenz, SpEL) stammt aus einer speziellen Klasse von Defekten, an denen bei vergleichsweise geringen angelegten Spannungen Durchbrüche stattfinden. Durch mikrometergroße Punkte fließen große Ströme, die auch unter realen Einsatzbedingungen zur Zerstörung der Solarzelle führen können. Als Ursachen wurden Metallverunreinigungen sowie Ätzgruben, die bei der Oberflächentextur entstanden, ausgemacht. Zener- oder Lawinendurchbrüche generieren heiße Ladungsträger, die bei strahlender Rekombination ein breites Spektrum aussenden, welches auch sichtbares Licht enthält. Die Kenntnis der eigentlichen Lichtentstehung ist noch unvollständig und die verschiedenen existierenden Theorien sind widersprüchlich. Deshalb stehen Untersuchungen zur Klärung der Emissions-prozesse im Mittelpunkt dieser Arbeit. Wegen der geringen Größe des Phänomens verlangen die Experimente mikroskopische Auflösung. Es wird gezeigt, dass die SpEL eine deutlich gerichtete Emission ist, die im Silizium eine Divergenz von nur 8° aufweist und so die Bewegungs-richtung der Ladungsträger widerspiegelt. Dagegen ist die spektrale Breite der SpEL sehr groß. Es konnten für Photonenenergien E im Bereich 0,8 eV < E < 3 eV Signale gemessen werden und es wird erwartet, dass außerdem auch darüber hinaus, besonders im Infraroten emittiert wird. Ein Maximum des Spektrums bei der gleichen Energie des (vorwärts-) Elektrolumineszenzmaximums von kristallinem Silizium ist ein deutliches Indiz für stattfindende Interbandrekombination. Für die Emission bei Energien unterhalb der Bandlücke sind dagegen Intrabandübergänge verantwortlich. Mit den sorgfältig korrigierten Spektren dieser Arbeit werden zahlreiche andere Ergebnisse in der Literatur zu widerlegt. Die wenigen Veröffentlichungen mit ebenfalls korrigierten Spektren, die aber von anderen Siliziumbauteilen wie MOSFETs stammen, weisen dagegen Gemeinsamkeiten zu den SpEL-Spektren der Solarzellen auf. Damit wird klar, dass die Emissionsprozesse unabhängig vom Bauelement stattfinden und die Folgerungen dieser Arbeiten auch für die Solarzelle von Bedeutung sind. Mit den nun verlässlichen Spektren und der räumlichen Abstrahlcharakteristik können vorhandene theoretische Modelle bewertet und Ideen zu deren Verbesserung entwickelt werden. Bei der Auswertung es sichtbaren Teils des Spektrums gelingt eine Messungen der Quelltiefe, sowie die Abschätzung der Strom-Spannungs-Kennlinie des Durchbruchs. Mit Hilfe klassischer, beugungsbegrenzter Mikroskopie lassen sich nur Strukturen in der Größenordnung der Wellenlänge abbilden, weshalb sie sich als unzureichend für die SpEL herausstellt. Die Rasternahfeldmikroskopie, welche sich an Grenzflächen vorkommende evaneszente Felder zu Nutze macht, ist in der Lage eine höhere Auflösung zu liefern. Die Ausdehnung einer SpEL-Quelle an der Oberfläche der Solarzelle wird auf 700 nm Halbwertsbreite bestimmt und die gerichtete Abstrahlcharakteristik wird mit 3D-Scans bestätigt. Während der Experimente zeigte sich jedoch zudem auch ein Erkenntnisgewinn über das Messinstrument selber. Betrachtet man die SpEL als isolierte Punktquelle, mit breitem Spektrum, die zudem noch experimentell relativ einfach zu handhaben ist, kann man die winkel- und wellenlängenabhängige Einkoppeleffizienz der optischen Nahfeldsonde bestimmen. Im Gegensatz zur bisherigen Wahrnehmung ist die Winkelakzeptanz bei Winkeln von 60° bereits auf null gesunken. Diese Erkenntnis kann durch optische Finite-Element-Simulationen bestätigt werden. Auch komplexere Abbildungsfehler einer Spitze lassen sich nachweisen, wenn die Messung eines SpEL-Punktes nicht zu einer rotationssymmetrischen Darstellung führt.

Light emission from multicrystalline silicon solar cells under reverse bias (Reverse biased electroluminescence, ReBEL) originates from a special class of defects, which cause a reverse breakdown at relatively low applied voltages. The resulting high currents occur in tiny spots with a size of less then a micron and they may destroy the solar cell under field conditions. The tangible causes for the phenomenon could be identified as metal precipitates and etch pits resulting from acidic texturizing. The recombination of the hot carriers, which are generated via Zener- or avalanche breakdown, result in emission of a broad spectrum which also contains visible light. Knowledge of the actual light generation is still incomplete and existing theories are inconsistent. This is why the clarification of the light emission processes is the main objective of this dissertation. The small size of the ReBEL phenomenon requires experiments with a microscopic resolution. It was shown, that the ReBEL emission is highly directed, with a divergence angle of only 8° in the silicon. However, the radiated spectrum is quite wide-stretched with detected photon energies E in the area of 0,8eV < E < 3eV. Furthermore it is expected, that the spectrum is extended further, especially in the infrared region. A distinct maximum of the ReBEL spectrum close to the emission maximum of the classic (forward-) electroluminescence of crystalline silicon is a strong indication of interband recombinations happening. In addition intraband transitions are held responsible for the radiation of Photons with energies below the band gap. The corrected spectra of this work, acquired with a carefully calibrated spectrometer allow disproving numerous other results in the literature. On the other hand, the few other also corrected spectra of other silicon devices like MOSFETs show similarities to ReBEL spectra of solar cells. This proves that the emission processes are independent from the actual device design and that those work’s conclusions also apply to solar cells. The now reliable spectra, together with the spatial radiation characteristic enable an evaluation of existing theories and the development of ideas for their improvement. The analysis of the visible part of the spectra yields the defect depths and an estimation of the local current-voltage-characteristic of a breakdown site. Classical, diffraction limited microscopy is restricted to resolutions close to the observing wavelength, which is shown not to be sufficient for ReBEL. With the use of evanescent waves, which appear only close to interfaces, a scanning near-field optical microscope (SNOM) can provide better resolutions. The full width half maximum of a ReBEL source on the surface of the solar cell was measured to 700nm and the existence of a directed emission was verified. However during the experiments it became clear that there is a mutual gain of knowledge about the instrument itself. Seen as a point-like source with abroad spectrum, which is also easy to handle, ReBEL allows the measurement of the angle- and wavelength dependent coupling efficiency of the near-field probe. Contrary to the hitherto existing assumption, a SNOM cannot detect light with incoming angles higher than 50°. This insight could be verified with optical finite-element simulations of an idealized SNOM tip. Also more complex aberrations can be detected, when a ReBEL measurement does not yield an axially symmetric result.

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