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Titel: Entwicklung neuer Verfahren zur räumlich hochauflösenden Charakterisierung von Solarzellen
Autor: Schwalm, Michael
Weitere Beteiligte: Chaterjee, Sangam (Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0121
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0121
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-01214
DDC: 530 Physik
Titel(trans.): Characterization of solar cells: New techniques with high spatial resolution

Dokument

Schlagwörter:
Carrier-depletion, Optical gain, Strichlängenmethode, Stripelength-Method, Mehrfach-Solarzelle, Photostrom, Optischer Gewinn, Ladungsträgerverarmung, Effizienzsteigerung, Charakterisierung

Zusammenfassung:
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.

Summary:
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.


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