Analyse von unterschiedlichen Dünnschichttechnologien

Elektrolumineszenz- (EL) und Infrarot- (IR)

von Dr. Rita Ebner, Dr. Shokufeh Zamini

Kamerabasierte Messverfahren wie Elektrolumineszenz (EL) und Infrarotthermografie (IR) bieten hervorragende Möglichkeiten, Produktionsfehler oder Defekte in Solarmodulen, die bei einer gewöhnlichen Wirkungsgradbestimmung nicht erkannt werden, schnell und kostengünstig zu identifizieren. Dr. Rita Ebner und Dr. Shokufeh Zamini geben einen Überblick.

Die EL erweist sich als eine nützliche Methode zur Analyse von elektrischen Inhomogenitäten, verursacht durch intrinsische Defekte (z.B. Korngrenzen, Versetzungen, Shunts oder andere Prozessierungsfehler) sowie extrinsische Defekte (z.B. Zellbrüche, TCO-Korrosion, unterbrochene Kontakte). Die meisten Kurzschlüsse erscheinen in einer EL-Aufnahme dunkel, weil sie in ihrer Umgebung die Spannung reduzieren. Dieses Merkmal ist jedoch nicht immer eindeutig. Deshalb lassen sich Kurzschlüsse nur in Kombination mit einer Thermografieaufnahme eindeutig identifizieren. Mithilfe von IR-Aufnahmen (Hell- und Dunkelthermografie) kann das unterschiedliche thermische Verhalten der Zellen im Modul aufgenommen und eine Anzahl von Defekten (z.B. Kurzschlüsse, Shunts, inaktive Zellteile, Feuchtigkeit, defekte Bypassdiode) detektiert werden. Eine genauere Fehleranalyse ermöglichen Hellthermografie-Aufnahmen von den Modulen in unterschiedlichen Betriebszuständen (im Kurzschluss, ISC; im Leerlauf, UOC und im MPP-Betrieb).

Theorie

Elektrolumineszenzmessungen (EL)

Elektrolumineszenz entsteht beim Anlegen einer Spannung an die Solarzelle. Wie in Abbildung 1 dargestellt, rekombinieren die in die Solarzelle injizierten Elektronen mit vorhandenen Löchern, wobei die in diesem Vorgang frei werdende Energie zu einem geringen Teil in Form eines Photons abgegeben wird. Der EL-Prozess ist somit der umgekehrte Photovoltaikeffekt. Für die Messung der Lumineszenzstrahlung können verschiedene CCD-Kameras (SiCCD od. InGaAsCCD) eingesetzt werden. Für die EL-Messungen im Austrian Institute of Technology (AIT) wird eine Silizium (Si) CCD-Kamera mit einem Spektralbereich von 300 bis 1000 nm verwendet.

Infrarotthermografie (IR)

Die Defektanalyse von Modulen mittels IR-Thermografie kann durch Anlegen einer externen Spannung oder durch Beleuchtung angeregt werden. Bei der Durchführung von Dunkelmessungen (IR-Dunkel, Abb. 2) wird eine externe Spannung in Vorwärtsrichtung angelegt. Um eine thermische Schädigung von Dünnschichtmodulen zu vermeiden, muss darauf geachtet werden, dass der ISC der Module nicht überschritten wird. Bei der Durchführung von Hell-Thermografie-Aufnahmen (IR-Hell) wird Strom durch einfallendes Licht (z.B. Sonnenlicht) erzeugt, was ebenfalls zu unterschiedlicher emittierender Wärmestrahlung führen kann. Mithilfe einer IR-Kamera kann die Erwärmung detektiert und mit den EL-Messergebnissen verglichen werden. Bei der IR-Kamera, die im AIT für diese Messungen zur Verfügung steht, handelt es sich um eine ungekühlte, tragbare Kamera mit einem Spektralbereich von 8 bis 14 ?m.

Experimente

In den folgenden Experimenten werden die Messergebnisse von unterschiedlichen Dünnschicht-Moduletechnologien (CIS, a-Si und CdTe) präsentiert und verglichen. EL-Aufnahmen wurden den IR-Hell und IR-Dunkel-Aufnahmen gegenübergestellt. Neben weiteren Charakterisierungsverfahren wie z.B. Strom-Spannungs-Kennlinienmessungen werden auch verbesserte Auswerteverfahren vorgestellt.

Vergleich von EL- und IR-Aufnahmen eines Kupfer Indium Diselenid-Moduls (CIS)

Abbildung 3 zeigt die EL-Aufnahme eines CIS-Moduls. Punktförmige Bereiche reduzierter EL-Intensität werden von Shunts verursacht. Da Shunts bei höheren Stromdichten einfacher zu lokalisieren sind, wurde der ISC des Moduls angelegt. Die dünkleren Ränder in der EL-Aufnahme, verursacht durch reduzierte Parallelwiderstände, stimmen mit einem leichten Temperaturanstieg in den IR-Aufnahmen überein. Im Falle eines reduzierten Parallelwiderstandes fließt ein Teil des Stroms durch den Shunt und nicht durch die Diode, was zu einer reduzierten EL-Intensität führt. Ein Grund für einen reduzierten Parallelwiderstand könnte z.B. Korrosion der leitfähigen Schicht sein. Mithilfe der IR-Hell- Aufnahmen (z.B. Abb. 4: CIS, ISC, IR-Hell) und der IR-Dunkel-Aufnahme des CISModuls konnte eine große Anzahl von „Hot Spots“ detektiert werden.

Charakterisierung eines amorphen Siliziummoduls (a-Si-Modul) vor und nach der Alterung

Ein a-Si-Modul wurde vor und nach der Ausführung von einigen Alterungstests (Preconditioning, Light Soaking und Anlegen einer Rückwärtsspannung) charakterisiert. Es wurden EL-, IR- und Leistungsmessungen durchgeführt und die Ergebnisse verglichen. Vor der Belastung waren in der EL- (Abb. 5) und der IR-Dunkel Aufnahme des a-Si-Moduls keine beträchtlichen Defekte identifizierbar. Nur die metallische Anschlussdose war in der IR-Aufnahme als kühlerer Bereich sichtbar. Die EL- und IR-Aufnahmen nach der Alterung zeigen eine deutliche Defektzunahme (dunkle Bereiche, helle Punkte). Die EL-Aufnahme des belasteten a-Si-Moduls (Abb. 6) zeigt hauptsächlich punktförmige Shunts in einer Zelle oder zwischen den Metallschichten von zwei benachbarten Zellen. Die punktförmigen Shunts in einer Zelle erscheinen als dunkle Punkte und die Shunts zwischen zwei Zellen, bei denen der Strom durch den Shunt zu der Si-Schicht der nächsten Zelle fließt, als helle Punkte. Die hellen Punkte entstehen durch die erhöhte Rekombination von Elektron-Lochpaaren und/oder durch die erhöhte thermische Strahlung im Bereich der Shunts. Die IR-Dunkel- Aufnahme des belasteten a-Si-Moduls (Abb. 7) zeigt fast die gleichen Defekte, verglichen mit der EL-Aufnahme (Abb. 6).
Das mit einer CCD-Kamera aufgenommene EL-Bild zeigt üblicherweise die Intensitätsverteilung (Graustufenbild) der Lumineszenzstrahlung. Eine weitere Auswertemethode ist die Erstellung einer Häufigkeitsverteilung bzw. eines Histogramms der vorhandenen Graustufen in einer ELAufnahme. Damit kann vor und nach der elektrischen bzw. mechanischen Belastung von Modulen die Fehlerzunahme genauer ermittelt werden. Beim Vergleich der erstellten Histogramme vor und nach der Belastung des a-Si-Moduls sind eine Verschiebung der Intensitätsverteilung und eine Zunahme der dunklen Bereiche sichtbar (Abb. 8, 9). Besonders bei Zellen und Modulen, bei denen keine Fehlerzunahme zu erkennen ist, ermöglicht es der Vergleich der Histogramme vor und nach Durchführung von Tests, neue Fehler zu detektieren. Da nicht alle Fehler einen direkten Einfluss auf die Leistung einer Zelle oder eines Moduls haben, werden zusätzlich zu den EL- und IR-Messungen auch immer Leistungsmessungen durchgeführt. Diese Messungen können z.B. nach jedem Alterungstest die Zunahme von Defekten in einer Zelle oder einem Modul in direkten Zusammenhang mit einem gemessenen Leistungsabfall bringen. Bei dem deutlich beschädigten a-Si-Modul konnte nach der Belastung ein Leistungsverlust von ca. 30 % ermittelt werden.

Verbesserung der Auswertemethodik von Elektro-lumineszenz- (EL) Aufnahmen

Zur Bestimmung der Stärke von Shunts wurde das EL-Verhalten von Modulen beim Anlegen von unterschiedlichen Vorwärtsspannungen untersucht. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Stärke und Auswirkungen von bestimmten Fehlern zu bestimmen. Beim Anlegen einer geringen Spannung ist die Leitfähigkeit von Shunts sehr hoch. Umso stärker die Shunts sind, desto geringer ist die EL-Intensität in diesen Bereichen. Starke Shunts können die ELIntensität von ganzen Zellen reduzieren. Wenn jedoch hohe Spannungen angelegt werden (ISC-Bereich), dann fließt ein großer Stromanteil über den pn-Übergang. Die EL-Aufnahmen von einem CdTe-Modul, die durch Anlegen von unterschiedlichen Vorwärtsspannungen entstanden sind, wurden verglichen. Der Stromfluss durch das Modul betrug bei Aufnahme in Abbildung 10 1A (entspricht dem ISC des Moduls) und bei der Aufnahme in Abbildung 11 nur 0,1A. Dieses Verfahren zeigt deutlich, dass beim Anlegen von hohen Spannungen die Shunts als punktuelle Fehler sichtbar und somit besser lokalisierbar sind und dass beim Anlegen von niedrigen Spannungen die EL-Intensität in der Umgebung von starken Shunts beträchtlich reduziert wird.

Fazit

EL-Messungen sind eine gute Methode, um Mikrorisse, unterbrochene Kontakte oder eine Reihe von Prozessfehlern (z.B. Shunts oder Schichtfehler) zu erkennen. Jedoch ist es nicht möglich, alleine mit diesem Verfahren den Einfluss dieser Fehler auf die Zell- bzw. Modulleistung zu ermitteln. Durchgeführte IR-Messungen zeigten, dass einerseits nicht alle festgestellten Mängel zu einer Erhöhung der Temperatur führen und andererseits manche Zellen bzw. Module mit unauffälligen EL-Aufnahmen IR-Bilder mit heißen Bereichen (verursacht durch hohe Verluste) lieferten. Deshalb ist eine Kombination aus beiden Techniken notwendig, um so viele Fehler wie möglich identifizieren zu können. Bei IR-Hell-Messungen ermöglicht es die Aufnahme von unterschiedlichen Betriebszuständen, mehr Defekte zu unterscheiden. Wenn die Spannung von 0V bis zum MPP erhöht wird, verschwinden einige „Hot Spots” aufgrund unterschiedlicher ISC der Zellen. „Hot Spots“, die nicht mehr sichtbar sind, wenn die Spannung bis zum UOC erhöht wird, werden von hohen Serienwiderständen verursacht. Die Defekte konnten in kristallinen Modulen leichter unterschieden werden als in Dünnschichtmodulen. In den Thermografieaufnahmen von Dünnschichtmodulen konnte die exakte Position der Defekte nicht immer ermittelt werden und die große Anzahl von kleinen „Spots“ erschwert eine Bestimmung ebenfalls. Im Gegensatz zu kristallinen Modulen führt der Betrieb von Dünnschichtmodulen im ISC-Betrieb zu keiner Erwärmung einzelner Zellen. Daraus kann man schließen, dass der Parallelwiderstand von Dünnschichtzellen sehr gering ist. Bei Thermografiemessungen konnte festgestellt werden, dass sich IR-Hell-Messungen mehr für kristalline Module eignen und IR-Dunkel-Messungen die besseren Methoden für Dünnschichtmodule darstellen. Verglichen mit IR-Dunkel-Aufnahmen von kristallinen Modulen liefern IR-Hell-Aufnahmen mehr Details und eine bessere Defektauflösung. Das Gegenteil gilt für Dünnschichtmodule.

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