Karakterisering van fotovoltaïsche apparaten door Spectroscopische Ellipsometrie behulp van apparatuur van Horiba Scientific - Thin Film

Besproken onderwerpen

Achtergrond
De fotovoltaïsche cel - Hoe werkt het?
Materialen en efficiëntie
Fotovoltaïsche Device Karakterisering
Graded microkristallijne siliciumlaag
Inhomogeen ZnO Layer
Dikte in kaart brengen van sinx Layer
Conclusie

Achtergrond

Een fotovoltaïsche cel of zonnecel is een halfgeleider die bestaat uit een grote oppervlakte pn junctie diode die in de aanwezigheid van zonlicht in staat is om het genereren van bruikbare elektrische energie. Deze omzetting wordt het fotovoltaïsch effect. Zonnecellen hebben vele toepassingen, en zijn bijzonder geschikt voor situaties waar elektrische stroom van het net niet beschikbaar is, zoals in afgelegen gebied Power Systems, de aarde cirkelende satellieten, handheld rekenmachines, remote radiotelefoons, water pompen toepassingen, enz.

Veel van het onderzoek is gericht op het maken van zonnecellen goedkoper en efficiënter, zodat ze effectiever kunnen concurreren met andere energiebronnen. Veel van deze optimalisatie vereist nauwkeurige karakterisering van de laagdikte en absorptie-efficiëntie voor de dunne films die worden gebruikt om de cellen te fabriceren.

Spectroscopische ellipsometrie is een optische meettechniek gebruikt om dunne film dikte en optische constanten te bepalen eenvoudig en nauwkeurig. Dit artikel illustreert het vermogen van de techniek om fotovoltaïsche apparaten te karakteriseren. De materialen algemeen bestudeerde onder andere: amorf silicium, poly silicium, ZnO, ITO, SnO2, TiO2, sinx, MgO, etc. ...

De fotovoltaïsche cel - Hoe werkt het?

Het fotovoltaïsch effect begint met de absorptie van fotonen in een halfgeleider boven zijn energie band gap, wat leidt tot het genereren van ladingsdragers (elektronen en gaten). Deze ladingdragers worden dan van elkaar gescheiden door een intern elektrisch veld aangemaakt worden door een pn of pin knooppunt in de halfgeleider-, of door een hetero-junction tussen de halfgeleider-en ander materiaal.

Figuur 1. Schema van een fotovoltaïsche cel.

Tenslotte is de ladingsdragers worden verzameld door elektroden en kunnen worden gebruikt om een ​​stroom te genereren in de buitenste kring. De voorste elektrode van de cel moet worden ontworpen om hoge transmissie van fotonen mogelijk te maken. Dit kan worden bereikt door een fijn raster van metaal, of met behulp van een transparante geleidende oxide (TCO) zoals indium-tin-oxide (ITO), Tin-Oxide (SnO2) of Zink-Oxide (ZnO). Antireflectie coatings, gebruikt om de hoeveelheid licht gekoppeld in de zonnecel te verhogen, worden meestal afgezet op de voorkant van de cel. Het wordt meestal toegepast in een laag enkele honderden nanometers dik met behulp van Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD).

. Figuur 2 Schematische doorsnede van dunne film a-Si: H fotovoltaïsche cel.

Materialen en efficiëntie

Diverse materialen zijn onderzocht voor zonnecellen. De meeste grootschalige commerciële zonnecel fabriek vervaardigen gezeefdrukt poly-kristallijn silicium zonnecellen. Enkele kristallijne wafels kan worden gemaakt in een uitstekende hoog rendement zonnecellen, maar ze zijn over het algemeen beschouwd als te duur voor grootschalige massaproductie. Amorf silicium cellen hebben een lage conversie efficiëntie van ongeveer 8%. Polymere of organische zonnecellen zijn opgebouwd uit ultra dunne lagen (typisch 100 nm) van organische halfgeleiders. Ze zijn potentieel goedkoper te produceren dan silicium, maar tot op heden bereikte efficiëntie zijn laag en cellen zijn zeer gevoelig voor lucht en vocht, het maken van commerciële toepassingen moeilijk.

Fotovoltaïsche Device Karakterisering

Drie voorbeelden van de monsters het algemeen gekenmerkt door spectroscopische ellipsometers worden hieronder weergegeven. De analyse werd uitgevoerd met behulp van een HORIBA Jobin Yvon UVISEL spectroscopische fase gemoduleerd ellipsometer bestuurd door DeltaPsi2 software. Ellipsometrische gegevens werden verkregen in een hoek van inval van 70 °, over de uitgebreide spectrale bereik 0,6 tot 6,5 eV (190 tot 2100 nm).

Graded microkristallijne siliciumlaag

De microkristallijn silicium laag is inhomogeen in de diepte. Het model bevat een gegradeerd laag (lineaire functie) gebruikt om een ​​waarde aan de onderkant van de laag en een andere voor de laag top te geven. De optische constanten van de microkristallijne silicium waren vertegenwoordigd met behulp van een dispersie-formule.

Figuur 3. Optische constanten van microkristallijn silicium.

Het verkregen resultaat toont de uitstekende overeenkomst tussen het model (lijn) en de experimentele gegevens (punten) op het gehele spectrale bereik, met een? 2 = 0,81 (resultaat kwaliteit parameter).

Figuur 4. Experimentele en gegenereerde data.

Inhomogeen ZnO Layer

De steekproef bestaat uit een ZnO-laag gedeponeerd op c-Si. Het behartigen van de inhomogeniteit in de diepte van de ZnO-laag, was een drie lagen model worden gebruikt. De steekproef vertoont een klein ruwheid op de top, en de dichtheid van de ZnO neemt toe van de c-Si-interface (1e laag) naar de top (2e laag). Het geeft een toename van de brekingsindex van de 1e naar de 2e laag.

Figuur 5. Optische constanten van ZnO

Dikte in kaart brengen van sinx Layer

Door het gebruik van een gemotoriseerde XY monster podium en een mapping recept is het eenvoudig om de analyse te automatiseren op verschillende posities op het monster. Zowel de diktes en optische constanten werden bepaald bij elke punten. Het in kaart brengen toont een variatie van sinx dikte tussen de 600 en 750 Å over het oppervlak van het monster.

Figuur 6. Dikte kaart van sinx Layer

Conclusie

Spectroscopische ellipsometrie is een ideale techniek om laagdikte en optische constanten karakteriseren voor fotovoltaïsche toepassingen. Spectroscopische ellipsometers zijn ook gevoelig voor de aanwezigheid van ruwe deklaag en gesorteerd optische constanten. De techniek biedt het voordeel om snel, eenvoudig te bedienen en niet-destructief zijn voor de karakterisering van de monsters.

Bron: Horiba Scientific-Thin Films Division

Voor meer informatie over deze bron kunt u terecht op Horiba Scientific-Thin Films Division