title: Entwicklung neuer Verfahren zur räumlich hochauflösenden Charakterisierung von Solarzellen
title: Characterization of solar cells: New techniques with high spatial resolution
Creators: name: Schwalm, Michael
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Physik
Photostrom
Ladungsträgerverarmung
Mehrfach-Solarzelle
Carrier-depletion
Stripelength-Method
Optischer Gewinn
Effizienzsteigerung
Strichlängenmethode
Charakterisierung
Optical gain

description: Today’s raising demand for energy
      relies to a degree of 85% on the consumption of fossil fuels.
      A change to regenerative forms of energy is an important and
      inevitable step in order to face the challenges of climate
      change and fading natural resources. Photovoltaic’s (PV)
      plays a special role within the various forms of renewable
      energy since it converts sunlight, our most important and
      virtually endless energy source, directly into electricity.
      However, currently available PV-systems are still very
      expensive and, in combination with their relatively low
      performance, can hardly or cannot compete with conventional
      sources of energy from an economical point of view. One
      possibility to overcome this problem is the combination of
      highly efficient multi junction solar cells with
      cost-efficient concentrator optics that focus the incident
      sunlight to a small spot. The material system (GaIn)(NAs) is
      envisioned to play an important role in a future generation
      of multi junction solar cells for concentrator applications
      being a further development of existing device concepts.
      However, especially the carrier diffusion lengths in
      (GaIn)(NAs)-based solar cell layers are currently to low for
      the fabrication of highly efficient PV-structures. In this
      work, two novel techniques for the characterization of solar
      cells are developed and evaluated by experiments on test
      structures and numerical simulations. Both are based on the
      measurement of laser-induced currents. Spatially-resolved
      photocurrent spectroscopy (SRPS) allows a spatially-resolved
      determination of locally induced photocurrents at a fixed
      bias voltage while spatially-resolved IV-characteristics
      (SRIV) are measurements of local I-V-characteristics at a
      certain position. It is found that SRPS and SRIV allow for a
      reliable and meaningful characterization of solar cell
      prototypes with a high spatial resolution. Especially the
      local p-n-parameters of the sample become accessible. These
      are the short circuit current, the saturation current, the
      ideality factor and the excitation-induced shunt resistance.
      Subsequently, SRPS and SRIV served as characterization
      techniques for the evaluation of annealing experiments on
      processed (GaIn)(NAs) solar cell layers for concentrator
      applications. The goal of these experiments was to improve
      the material quality of such structures by treating them with
      high electrical currents and strong lasers pulses. Such
      enhanced devices could be used in a future generation of
      PV-systems leading to a significantly increased efficiency.
      Concerning this some first achievements were made. The use of
      high electrical currents led to a significant increase of the
      short circuit current, especially if applied as reverse bias.
      However, this also caused a reduction of the shunt resistance
      which eventually dropped down to a few ohms. The application
      of intensive laser radiation led under certain conditions to
      a considerable increase of the carrier lifetime and
      photoluminescence but no improvement of the electrical
      properties of the devices could be found. A second project
      dealt with the effect of carrier-depletion on the evaluation
      of data obtained by the variable stripe length method which
      is a technique for measuring the optical gain of potential
      laser materials. Numerical simulations and accompanying
      experiments on a GaAs-quantum well structure showed that this
      approach is only valid within a small parameter range.
      Outside this range an unavoidable carrier depletion caused by
      stimulated emission processes leads to significant errors in
      the obtained results. The determination of the corresponding
      borders is very complicated and requires a detailed knowledge
      of the sample properties. As the variable stripe length
      method is typically used to get a first insight into the
      properties of a novel sample such knowledge is generally
      missing. Therefore the reliability of experimental results
      obtained by this technique is doubtful.
description: Der stetig steigende
      Weltenergieverbrauch wird derzeit zu 85% durch fossile
      Energieträger gedeckt. Im Hinblick auf den Klimawandel und
      schwindende Ressourcen ist hier ein Wandel hin zu
      regenerativen Formen der Energieerzeugung dringend geboten
      und auf lange Sicht alternativlos. Hier kommt speziell der
      Photovoltaik (PV) eine besondere Rolle zu, stellt sie doch
      den direktesten Weg dar um elektrischen Strom aus unserer
      wichtigsten Energiequelle, der Sonne, zu gewinnen. Aktuelle
      Generationen von PV-Anlagen besitzen aber nach wie vor eine
      zu geringe Leistungsfähigkeit bei zu hohen Kosten, um mit
      konventionellen Formen der Energieerzeugung wirtschaftlich
      konkurrieren zu können. Diesbezüglich bieten hocheffiziente
      Mehrschichtsolarzellen in Verbindung mit kostengünstigen
      Konzentratoroptiken zur Fokussierung einfallender
      Sonnenstrahlung einen möglichen Ausweg. Große Hoffnungen im
      Rahmen der Weiterentwicklung solcher Systeme ruhen auf dem
      Materialsystem (GaIn)(NAs), mit dem sich bereits bestehende
      Mehrschichtsolarzellenkonzepte nahezu ideal ergänzen ließen.
      Allerdings sind speziell die Ladungsträgerdiffusionslängen,
      welche sich derzeit in (GaIn)(NAs)-basierten
      Solarzellenschichten erzielen lassen, nicht hoch genug, um
      zufriedenstellende Wirkungsgrade erzielen zu können. Im
      Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neuartige Verfahren zur
      Charakterisierung von Solarzellen, basierend auf der Messung
      laserinduzierter Photoströme, entwickelt und deren
      Zuverlässigkeit und Aussagekraft anhand eingehender
      Testmessungen sowie numerischer Simulationen untersucht.
      Hierbei handelt es sich um Methoden zur ortsaufgelösten
      Messung lokaler Photoströme bei fester Vorspannung (engl.:
      spatially-resolved photocurrent spectroscopy, SRPS)
      beziehungsweise zur Aufnahme lokaler
      Strom-Spannungs-Kennlinien an einer bestimmten Probenposition
      (engl.: spatially-resolved IV-characteristics, SRIV). Es
      zeigt sich, dass mit Hilfe von SRPS und SRIV eine
      zuverlässige und aussagekräftige Charakterisierung von
      Solarzellenprototypen möglich ist, die insbesondere eine
      Bestimmung der lokalen p-n-Parameter wie Kurzschlussstrom,
      Sättigungsstrom, Idealitätsfaktor und anregungsinduzierter
      Nebenwiderstand mit sehr hoher Ortsauflösung erlaubt.
      Aufbauend auf diesen Erkenntnissen dienten SRPS und SRIV als
      Bewertungsgrundlage in Versuchen zur Verbesserung
      prozessierter (GaIn)(NAs) Solarzellenschichten für
      Konzentratoranwendungen. Diese hatten zum Ziel durch den
      Einsatz starker elektrischer Ströme und intensiver Laserpulse
      die Materialqualität solcher Strukturen derart zu verbessern,
      dass deren Verwendung in einer zukünftigen Generation von
      PV-Systemen mit deutlich erhöhtem Wirkungsgrad möglich wird.
      Hier konnten erste Erfolge verbucht werden. So ließ sich
      zeigen, dass starke elektrische Ströme insbesondere in
      Sperrrichtung des p-n-Übergangs zu einer deutlichen Erhöhung
      des Kurzschlussstroms führten, wobei allerdings der
      Nebenwiderstand der untersuchten Probe bis auf wenige Ohm
      abfiel. Ferner führte intensive Laserbestrahlung unter
      bestimmten Voraussetzungen zu einer signifikanten Erhöhung
      der Ladungsträgerlebensdauer und Photolumineszenz, was sich
      allerdings nicht in einer Verbesserung der elektrischen
      Eigenschaften manifestierte. In Rahmen eines zweiten Projekts
      wurde der Einfluss einer möglichen Ladungsträgerverarmung auf
      die Auswertung von Strichlängenexperimenten, welche zur
      Bestimmung der optischen Verstärkung potentieller
      Lasermaterialien dienen, untersucht. Hier konnte anhand
      numerischer Simulationen und begleitender Messungen an einem
      GaAs-Quantenfilm klar gezeigt werden, dass die Methode der
      variablen Strichlänge in ihrer klassischen Form lediglich
      innerhalb eines sehr schmalen Parameterbereichs ihre
      Gültigkeit hat. Außerhalb dieser Grenzen, welche sich nur mit
      großem Aufwand und bei genauer Kenntnis der
      Probeneigenschaften bestimmen lassen, führt eine
      unvermeidliche Ladungsträgerverarmung infolge stimulierter
      Emissionsprozesse zu einer deutlichen Verfälschung der
      Auswertungsergebnisse. Da in aller Regel die erwähnten
      Kenntnisse im Vorfeld einer Messung naturgemäß nicht
      vorliegen, stellt dies die Zuverlässigkeit und Aussagekraft
      dieses Verfahrens generell in Frage.