Ronny Bakowskie1, Stephan Rupp1, Dominik Lausch2, Yvonne Ludwig1, Ronny Lantzsch1, Thomas Kaden1, Kai Petter1, Thomas Spieß1
1 Q-Cells SE, OT Thalheim, Sonnenallee 17-21, 06766 Bitterfeld-Wolfen, Germany2 Fraunhofer-Center für Silizium Photovoltaik CSP, Walter-Hülse-Straße 1, 06120 Halle (Saale),
Germany
Überblick zu Methoden der Defektanalyse von mc-Si Ingotsin der industriellen F&E3. Photovoltaik – Symposium in Bitterfeld-Wolfen
23. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
multikristalliner Siliziumingot
KristallisationSilizium
Blöcke sägen Wafer sägen Solarzellenprozess
Modulfertigung System
Prozessfluss zur Materialevaluierung der Q-Cells SE
33. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
Prozessfluss zur Materialevaluierung der Q-Cells SE
multikristalliner Siliziumingot
KristallisationSilizium
Blöcke sägen Wafer sägen Solarzellenprozess
Modulfertigung System
43. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
Motivation
▪ Silizium seit 50 Jahren erforscht
▪ Defektverständnis über Jahrzehnte auf
Mono-Silizium (Cz,FZ) aufgebaut
▪ viele Analyse- und
Charakterisierungsmethoden etabliert
▪ viele Methoden für F&E in der PV
Industrie ungeeignet
▪ zeiteffiziente Verfahren
▪ hohe Probenanzahl
▪ Analyse ohne aufwendige
Probenpräparation
▪ großflächige Analyse (6‘‘)
ErforderlichGegeben
Die PV Industrie benötigt schnelle, einfache und effiziente Charakterisierungsmethoden!
53. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
Sauerstoff-Analyse mit FTIR
mc-Si Ingot
FTIR Proben
123
…..…
…….
910
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25
Ingothöhe [cm]
O -
Ko
nzen
tra
tio
n [
10
^1
7 1
/cm
³]
Experiment Ingot
Standard Ingot
Sauerstoffverlauf
FTIR – Fourier-Transform-Infrarot Spektroskopie*� Methode zur Bestimmung des O[i]-Gehaltes durch IR-Absorption
• etabliertes + schnelles Verfahren zur Konzentrations-bestimmung von Sauerstoff und Kohlenstoff in Silizium
• Überprüfung von Spezifikationen• Messvergleiche mit Lieferanten
*http://de.wikipedia.org/ [Butenbremer 16:57, 14 September 2006 (UTC)]
63. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
Präzipitat-Analyse mit Infrarot Transmission
bottom
top
Standard-Block
bottom
top
Experiment-Block
Raster-Elektronen-Mikroskopie zeigt SiC und SiN Einschlüsse
• zu hoher C oder N Gehalt kann zu Präzipitaten führen
• schnelle Präzipitat-Analyse des Blockvolumens
• Vermeidung von Drahtrissen• Vermeidung von Shuntsnicht verwendbar
IR Imaging – Infrarot Transmissions Imaging� Methode zur Detektion von Präzipitaten (SiC, SiN) durch Abbildung der Transmission
73. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
Analyse des spezifischen Widerstandes
0
2
4
6
8
10
12
0 40 80 120 160 200 240 280
Blockhöhe [mm]
sp
ezif
. W
iders
tan
d [
Oh
mcm
]
Standard poly
Experiment umg
n-Typp-Typ
Standard poly-Si Block
bottom top
Eddy Current Messung� elektrisches Messverfahren zur Bestimmung des spez. Widerstands nach dem Wirbelstromprinzip
cropping
Experiment umg-Si Block
bottom top
• kontaktloses + schnelles Rasterverfahren • poly-Si���� Prozesskontrolle• umg-Si���� Prozesskontrolle + cropping
83. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
• kontaktloses + schnelles Rasterverfahren • poly-Si���� Prozesskontrolle + cropping• umg-Si���� Prozess- + Qualitätskontrolle
Volumenlebensdauer-Analyseµ-PCD – Microwave Photoconductance Decay� Methode zur Bestimmung der Volumenlebensdauer nach dem Prinzip der Mikrowellen Reflexion
Standard poly-Si Block
top
Experiment umg-Si Block
bottom top
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 40 80 120 160 200 240 280
Blockhöhe [mm]
Vo
lum
en
Leb
en
sd
au
er
[µs] Standard poly
Experiment umg
n-Typp-Typcroppingcropping
bottom
93. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
Sortierung der Experimentwafer/zellen
Benachbart sortierte
Wafer eines Blockes
1 2 3…
.
Bottom
Top
Ecke
Kante
Mitte
• Korngrößen-Analyse
• Easy Dislocation Density
Methoden
Sortierung in
x-benachbarte Päckchen
2,5,8 ….
3,6,9 …
1,4,7 …
Zellprozessierung
bei Q-Cells
x-Rückstellmuster
für Waferanalysen
• Zelltester
• Abbildende Photolumineszenz
• ReBEL
103. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
Korngrößen Analyse mit optischer BilderkennungStandard-Wafer
Experiment-Wafer
• schnelle + einfache Methode zur Bestimmung der Korngrößen pro Waferüber die Blockhöhe
• Korngröße als Maß für Qualität der Kristallisation und des Materials
0.87
0.89
0.91
0.93
0.95
0.97
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
relative Blockhöhe
Ko
rng
röß
e [
willk
. E
inh
.]
Standard Block
Experiment Block
* M.Gläser, Fraunhofer CSP: Berufspraktikumsarbeit 2011
KGA – Korngrößenanalyse[*]� Methode zur quantitativen Bestimmung der Korngröße
113. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
• Dichte struktureller Defekte pro Wafer als signifikantes Maß für die Materialqualität
Analyse struktureller Defekte mit EDD
<104 cm-2 >106 cm-2* Bakowskie et al. – to be published
Standard-Wafer
Experiment-Wafer
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
relative Blockhöhe
De
fek
t-D
ich
te [
willk
. E
inh
.]
Standard-Wafer
Experiment-Wafer
EDD – Easy Dislocation Density[*]� Methode zur quantitativen Bestimmung der strukturellen Defektdichte
123. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
Messung elektrischer Zellparameter mit Sonnensimulator (Zelltester)
• Zelltestermessung zur Hell- und Dunkelkennlinien Analyse
• durch Sortierung Verlauf aller Parameter ortstreu über die Blockhöhe
0.82
0.84
0.86
0.88
0.90
0.92
0.94
0.96
0.98
1.00
1.02
1.04
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
relative Blockhöhe
rela
tiv
er
Ze
ll-W
irk
un
gs
gra
d
[bzg
l. R
efe
ren
zm
ate
ria
l]
Experiment Block
Standard Block
vollständiger Blockhöhenverlauf ����
Experimentelle Daten
• η, VOC, ISC, FF, RP, RS, IREV, …
• Messung 1 direkt nach Prozess
• Messung 2 nach LiD (Licht induz. Degrad.)
Standard poly-SiBlock
Sonnensimulator� Methode zur Messung der I-U Kennlinie
133. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
relative Blockhöhe
PL
In
ten
sit
ät
[wil
lk.
Ein
h.]
Standard Block
Experiment Block
Analyse rekombinationsaktiver Defekte mit abbildender Photolumineszenz
• zeiteffiziente + abbildende Methode zur Lokalisierung rekombinationsaktiver Defekte der gesamten Zelle
• PL-Intensitätsverlauf simultan wie Wirkungsgrad
Standard Block
Experiment Block
PLI – Photoluminescence Imaging[*]� Methode zur abbildenden Darstellung der strahlenden Band-Band Lumineszenz
* W.McMillan et al., Proceedings of the 25th EU-PVSEC, Valencia, Spain (2010)
143. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
relative Blockhöhe
Re
BE
L [
wil
lk. E
inh
.]
Standard Block
Experiment Block
Vordurchbruch Analyse mit ReBEL
• schnelle abbildende Methode zur Lokalisierung von Vordurchbrüchen
• Korrelation von Vordurchbruchs-bereichen mit rekombinationsaktivenDefekten
• physikalisches Verständnis von Materialdefekten
* D. Lausch et al., Physica Status Solidi – Rapid Research Letters 3 (2009), 70
30 sec, -10V
Standard Block
Experiment Block
ReBEL – Reverse Biased Electroluminescence[*]� Methode zur abbildenden Darstellung der elektrischen Durchbruchslumineszenz
153. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
Zusammenfassung
MessergebnisMethode
Elektrische ZellparameterRekombinationsaktive Defekte
Vordurchbrüche
SonnensimulatorPLi
ReBELZelle
KorngrößenverteilungVersetzungsdichte
KGAEDDWafer
SauerstoffkonzentrationPräzipitate
Spezifischer WiderstandVolumenlebensdauer
FTIRIR TransmissionEddy currentµ-PCD
Block
� Viele Silizium-Charakterisierungsverfahren bekannt� Nur teilweise für F&E in der PV Industrie geeignet� Schnelle und einfache Analyse auf möglichst großer Stückzahl notwendig� Abbildende Verfahren nötig zur Analyse von 6‘‘ Wafern und Zellen
Erfordernisse der PV Industrie setzen Weiterentwicklung etablierter Methoden voraus und führen zur Entwicklung neuer Analyseverfahren.
163. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN
Danksagung
This work is supported by the German Federal Ministry of Education and Research within the frame
of the “Spitzencluster Solarvalley” programme, Project “xµ-Material” (03SF0398E) and in frame of the
Project “Adaptum” (0904/00109) by the EFRE fund of the EU and Sachsen-Anhalt.