Bestimmung der Emitter-Sättigungsstromdichte von Silicium Solarzellen mittels Photolumineszenz und Quanteneffizienz-Analyse

Der Wirkungsgrad von kristallinen Silicium Solarzellen ist limitiert durch Widerstands- und Rekombinationsverluste. Im folgenden untersuchen wir die Rekombinationsverluste, welche Rekombinationen in der Basis, an den Oberflächen und im Emitter der Solarzelle mit einschließen. Rekombination in der Basis und an der Rückseite der Solarzelle werden durch die Quanteneffizienz-Analyse (QE) gut beschrieben. Diese bestimmt die effektive Diffusionslänge L_eff und damit die Basis-Sättigungsstromdichte J_0b. Rekombinationen im Volumen des Emitters und an der Vorderseite der Solarzelle werden zu der Emitter-Sättigungsstromdichte J_0e zusammengefasst. Für Solarzellen mit effektiven Diffusionslängen größer als zweimal der Solarzellendicke ist J_0e der Wirkungsgrad limitierende Parameter.

Die Gesamt-Sättigungsstromdichte J₀ ist die Summe aus Basis- (J_0b) und Emitter-Sättigungsstromdichte (J_0e) wenn andere Rekombinationspfade, wie zum Beispiel durch Parallelwiderstände verursacht, vernachlässigbar klein sind. In dieser Arbeit nutzen wir Photolumineszenz (PL) Messungen um den Parameter J₀ der Solarzelle zu bestimmen. Der Vorteil von PL ist eine mögliche ortsaufgelöste Anwendung wenn kamera-basierte PL Messungen mit Bildern der effektiven Diffusionslänge kombiniert werden.

In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit wurde gezeigt, dass das Verhältnis

der gemessenen Photolumineszenz-Emission der Solarzelle unter offener Klemmenspannung (Φ_oc) und unter Kurzschlussbedingungen (Φ_sc) eine Messgröße für die effektive Diffusionslänge L_eff und der effektiven Rekombinationsgeschwindigkeit des Emitters S_em ist:

In Glg. (1) und (2) sind j_γ^oc und j_γ^sc die Beleuchtungsintensitäten der Solarzelle bei der jeweiligen Messung und L_a ist die Absorptionslänge im Silicium der monochromatischen Beleuchtung. Rekombinationsverluste aufgrund von Parallelwiderständen oder aufgrund von Defekten in der Raumladungszone werden dabei als vernachlässigbar klein angenommen. Durch Multiplikation von Glg. (2) mit Dqn_i²/N_A (D: Diffusionskoeffizient, q: Elementarladung, n_i: intrinsische Ladungsträgerdichte und N_A: Basisdotierung) folgt

und damit bestimmt das PL-Verhältnis R die Gesamt-Sättigungsstromdichte J₀.

Zuerst zeigen wir experimentell, dass das PL-Verhältnis die Gesamt-Sättigungsstromdichte J₀ bestimmt. Für verschiedene Solarzellen messen wir dafür die Lumineszenz-Emission unter offener Klemmenspannung (PL-oc) und Kurzschlussbedingung (PL-sc). Dabei benutzen wir den experimentellen Aufbau welcher in Abb. 32 gezeigt ist. Die Beleuchtungsintensität wird für die PL-oc Messung erniedrigt, um gleiche Ladungsträgerdichten in der Basis wie bei der PL-sc Messung zu gewährleisten. Während der PL-Messungen wird neben der Lumineszenz-Emission die offene Klemmenspannung V_oc (für PL-oc) und der Kurzschlussstromdichte J_sc (für PL-sc) bestimmt. Zum Vergleich zu den Ergebnissen aus der Photolumineszenz-Messung folgt J₀ dann aus den zwei Messgrößen J_sc und V_oc. Abb. 33 zeigt die Ergebnisse dieses Vergleichs. Für Werte von 430 bis 5000 fA/cm² erreichen wir eine sehr gute Übereinstimmung. Dies beweist somit, dass J_sc-V_oc Messungen und unser Bestimmungsverfahren mit der PL gleiche Resultate liefern.

Für den kombinierten Ansatz untersuchen wir zwei Solarzellen. Die erste ist eine industrielle multikristalline Silicium Solarzelle und die zweite eine monokristalline hocheffizienz Labor-Solarzelle, welche am ISFH prozessiert wurde. Beide Solarzellen haben einen Emitter aus Phosphor. Der Emitter-Schichtwiderstand beträgt 50 Ω/sq. für die multikristallinen Zelle und 90 Ω/sq. für die monokristalline. Wir erhalten J₀ aus dem PL-Verhältnis nach Glg. (3). Für die erste Solarzelle folgt ein J₀ von 4900 fA/cm². Im Unterschied dazu hat die zweite Solarzelle einen wesentlich kleineren Wert von 430 fA/cm². Um den Anteil des Emitters und der Basis zu trennen wenden wir die QE Analyse auf beide Solarzellen an. Nach Bestimmung der effektiven Diffusionslänge folgt J_0b zu 3900 fA/cm² für die multikistalline und 430 fA/cm² für die monokristalline Solarzelle.

Der Vergleich dieser Basis-Sättigungsstromdichten (J_0b) mit dem entsprechenden Wert für die gesamten Sättigungsstromdichten (J₀) bestimmt J_0e = 1000 fA/cm² für die multikristalline Solarzelle und J_0e = 270 fA/cm² für die monokristalline. Der schwach dotierte und passivierte Emitter der monokristallinen Solarzelle hat eine kleinere Emitter-Sättigungsstromdichte und ist somit konsistent zu bekannten Werten aus der Literatur. Es ist zu beachten, dass wenn neben der ersten Diode andere Rekombinationspfade vorhanden sind die bestimmten Werte von J_0e nur eine obere Grenze für die Emitter-Sättigungsstromdichte darstellen.

Zuerst zeigen wir experimentell, dass das PL-Verhältnis die Gesamt-Sättigungsstromdichte J₀ bestimmt. Für verschiedene Solarzellen messen wir dafür die Lumineszenz-Emission unter offener Klemmenspannung (PL-oc) und Kurzschlussbedingung (PL-sc). Dabei benutzen wir den experimentellen Aufbau welcher in Abb. 32 gezeigt ist. Die Beleuchtungsintensität wird für die PL-oc Messung erniedrigt, um gleiche Ladungsträgerdichten in der Basis wie bei der PL-sc Messung zu gewährleisten. Während der PL-Messungen wird neben der Lumineszenz-Emission die offene Klemmenspannung V_oc (für PL-oc) und der Kurzschlussstromdichte J_sc (für PL-sc) bestimmt. Zum Vergleich zu den Ergebnissen aus der Photolumineszenz-Messung folgt J₀ dann aus den zwei Messgrößen J_sc und V_oc. Abb. 33 zeigt die Ergebnisse dieses Vergleichs. Für Werte von 430 bis 5000 fA/cm² erreichen wir eine sehr gute Übereinstimmung. Dies beweist somit, dass J_sc-V_oc Messungen und unser Bestimmungsverfahren mit der PL gleiche Resultate liefern.

Für den kombinierten Ansatz untersuchen wir zwei Solarzellen. Die erste ist eine industrielle multikristalline Silicium Solarzelle und die zweite eine monokristalline hocheffizienz Labor-Solarzelle, welche am ISFH prozessiert wurde. Beide Solarzellen haben einen Emitter aus Phosphor. Der Emitter-Schichtwiderstand beträgt 50 Ω/sq. für die multikristallinen Zelle und 90 Ω/sq. für die monokristalline. Wir erhalten J₀ aus dem PL-Verhältnis nach Glg. (3). Für die erste Solarzelle folgt ein J₀ von 4900 fA/cm². Im Unterschied dazu hat die zweite Solarzelle einen wesentlich kleineren Wert von 430 fA/cm². Um den Anteil des Emitters und der Basis zu trennen wenden wir die QE Analyse auf beide Solarzellen an. Nach Bestimmung der effektiven Diffusionslänge folgt J_0b zu 3900 fA/cm² für die multikistalline und 430 fA/cm² für die monokristalline Solarzelle.

Der Vergleich dieser Basis-Sättigungsstromdichten (J_0b) mit dem entsprechenden Wert für die gesamten Sättigungsstromdichten (J₀) bestimmt J_0e = 1000 fA/cm² für die multikristalline Solarzelle und J_0e = 270 fA/cm² für die monokristalline. Der schwach dotierte und passivierte Emitter der monokristallinen Solarzelle hat eine kleinere Emitter-Sättigungsstromdichte und ist somit konsistent zu bekannten Werten aus der Literatur. Es ist zu beachten, dass wenn neben der ersten Diode andere Rekombinationspfade vorhanden sind die bestimmten Werte von J_0e nur eine obere Grenze für die Emitter-Sättigungsstromdichte darstellen.