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.

173. PHOTOVOLTAIK – SYMPOSIUMRONNY BAKOWSKIE ���� R&D SILICON – Q – CELLS SE ���� 03.11.2011, BITTERFELD-WOLFEN

VIELEN DANK.

VIELEN DANK.