Kennzeichnung von Multi-Kreuzung Solarzellen Unter Verwendung der Kombinierten AtomKraft-Mikroskopie und der Confocal Optischen Spektroskopie

Durch AZoNano

Inhaltsverzeichnis

Einleitung
Formulierung des Problems
Versuchsergebnisse und Diskussion
Topoplogy der PV-Halbleiter-Oberfläche
Beobachtungen Unter Photoexcitation
Schlussfolgerungen
Über NT-MDT

Einleitung

Die Sonne ist eine reichliche, leicht zugängliche Stromquelle, die momentan underutilized und vermutlich die einzige Wahl für Strom in naher Zukunft sein wird. Es wird geglaubt, dass die beste Methode der Solarenergiegeneration die photoelektrische Methode anwendet, die in den Solarzellen angewendet wird (SCs). Es wird durch die EU vorgestellt, dass 3% mindestens des Stroms vom Solareinbau bis zum dem Jahr 2020 zur Verfügung gestellt wird.

Formulierung des Problems

Aktuell wird die höchste Leistungsfähigkeit durch MJ SCs aufgewiesen, das auf Halbleiter nanoheterostructures basiert. MJ SCs enthalten einige Unterzellen mit p-nkreuzungen und Sperrschichten von einigen Halbleitermaterialien. Die Anordnung für diese subcells ist in der Ordnung abnehmenden Energie bandgap von der lichtempfindlichen Oberfläche zur Substratfläche, die durch gegenüber verbundene Tunneldioden angeschlossen wird. Folglich wird die ganze Sonnenspektrumenergie hohe Leistungsfähigkeit verursachend segmentiert und montiert. Es ist wesentlich, zu verstehen, dass das ineffizienteste Unterzelle den Wirkungsgrad eines MJ-SC bestimmt, welches die konstituierenden Schichten dieser Art der zusammengesetzten Einheit Bestimmt, ist möglich mit den indirekten, integralen Messverfahren und den mathematischen Simulationen. Die Informationen, die folglich eingeholt werden, sind nicht immer eindeutig, da sie die Lösung von multivariaten umgekehrten Problemen benötigt.

Eine eindeutige Bestimmung benötigt unterschiedliche Überwachung der Operation aller konstituierenden subcells.

Versuchsergebnisse und Diskussion

Ein Beispiel ist unter ungefähr ausführlich, wie der confocal Raman Fühler NanoLaboratory Fluoreszenz NTEGRA-Spektren FLUGHANDBUCHS (PNL) in der Studie MJ SCs basiert auf einer Heterostruktur GaInP/2GaAs/Ge verwendet wird, die drei p-nkreuzungen hat. Die Gesamtanzahl von Schichten ist mehr, als 20 und einzelne Schichten kleiner als 20 nm dick wie in Abbildung 1. gezeigt sind.

Abbildung 1. Diagramm eines MJ-SC mit drei subcells. Bezeichnungen: verschiedene Tönungen von rosa, P-artigen Schichten der Heterostruktur; hellblaue Tönungen, N-artige Schichten; und gelbe, in hohem Grade Leitschichten Tunneldioden und Kontaktschichten. Die Digits zeigen die p-nkreuzungen in den subcells, die auf (1) GE, (2) GaAs und (3) GaInP basieren2.

Die Kelvin-Fühlerkraft-Mikroskopie (KPFM)technik wurde verwendet, um die möglichen Profiloberflächenvarianten eines quer-Kapitel-zerspalteten SC in Bezug auf die Intensität, die Wellenlänge und die Hauptkeulenrichtung einer Laser-Erregungsquelle zu bestimmen. Basiert auf dem Diagramm der Schichten in Abbildung 1, ist der Abstand zwischen den p-nkreuzungen von den benachbarten subcells, die auf GaAs basieren und2 GaInP kleiner als ein Mikrometer.

Warteüberwachung der Antwort, mögliche Oberflächenvariante, von einem unterschiedlichen Unterzelle wurde aktiviert, indem man den Erregungslaser in eine submicrometer Stelle fokussierte. Ein Lernziel, das eine numerische Öffnung von 0,7 und Auflösungsvermögen von 400 nm hat, wurde im confocal Laser-Mikroskop verwendet, das in den NTEGRA-Spektren PNL integriert wurde. Ein FLUGHANDBUCH-Kragbalken wird unterhalb des Lernziels angeordnet, simultane optische Erregung und FLUGHANDBUCH-Maße wie in Abbildung 2b gezeigt erlaubend. Es ist wichtig, zu beachten, dass das Instrument unabhängiges und synchronisiertes Laser-Stellenscannen und Beispiel-Scannen unter Verwendung eines piezo getriebenen Spiegels und eines Beispiel-piezoscanners beziehungsweise aktiviert.

Abbildung 2. (a) Diagramm von Schichten in einem MJ-SC mit den gleichen Farbbezeichnungen wie die- in der Feige. 1. Die drei p-nkreuzungen werden durch Pfeile gezeigt. (b) Diagramm des Experimentes. Optische Mikrographen des Randes der zerspalteten Oberfläche eines SC während eines KPFM experimentieren unter fokussiertem photoexcitation (c) der p-nkreuzung in GE mit einem blauen Laser (473 nm) und (d) der p-nkreuzung in GaAs mit einem roten Laser (785 nm). Lateinische Ziffern kennzeichnen: (i) GE-Substratfläche, (ii) III-V Schichten (GaAs und GaInP2 ), (iii) freier Platz und (iv) KPFM-Kragbalken. Das optische Mikroskop wird auf der GE-Substratfläche in Fig. 2c und auf die III-V Schichten in Fig. 2d gerichtet.

Topologie der PV-Halbleiter-Oberfläche

Einige der Ergebnisse, die in der ersten Fallstudie erzielt werden, sind unten aufgeführt:

  • Es wird wie in Abbildungen 2c und 2d, nahe den zerspalteten Oberflächenhellen Stellen der ränder von den roten und blauen Lasern gezeigt beobachtet, die auf die p-nkreuzungen in den subcells von GE und von GeAs beziehungsweise gerichtet werden.
  • Es gibt eine scharfe Änderung in der Oberflächentopologie zur Hälfte linke des topographischen Bildes, das in der Abbildung 3a gezeigt wird. In dieser bestimmten Region ändert die glatte Entlastung der GE-Substratfläche zu einer gestreiften Topologie der III-IV Schichten.
  • Abbildungen 2b und 2c zeigen, dass III-V Kristallmaterialien leicht zerspaltet werden, um atomar glatte und tadellos planare Oberfläche nur entlang 110 Basisflächen zu bilden.
  • GE- und Sikristalle zerspalten entlang verschiedene Kristallflugzeuge.
  • GE-Substratfläche ist zweimal dick, als alle weiteren MJ-SC-Schichten und folglich Spaltungsausbreitungsrichtungen überwiegend auf der Substratfläche basieren
  • Die Kontaktspannungs (CPD)karte in der Abbildung 3b zeigt Merkmale in einer Linie mit erwarteten integrierten Spannungsdifferenzen in der Massenheterostruktur unter Gesamtdunkelheitsbedingungen.
  • Die CPD-Karte prüft, dass nahe der p-nkreuzung auf der Unterzelle Oberfläche GaAs es eine Abnahme am CPD-Signal anstelle der Spitze wie in Abbildung 3c gezeigt gibt
  • Die Region des hellen Bandes entspricht gut lackierten Übergangsschichten zwischen Unterzelle GE und GaAs
  • Diese Diskrepanzen werden gesehen, weil das Halbleiterzellen-Oberflächenmaterial vom Massenpotential durch Band das in Oberflächennähe schwankt, das bekannt nicht für eine willkürlich zerspaltete Probe verbiegt.

Abbildung 3. KPFM-Studie der zerspalteten Oberfläche eines MJ-SC in der Dunkelheit. Während der Maße wurden beide Kontakte zum MJ-SC geerdet. (a) Topographisches Bild des zerspalteten Oberflächenprofils, gemessen in halb--contactmode (der Farbeschuppe Kontrast überspannt die Höhenvarianten von 0,85 μm). (b) Karte des CPD-Signals gemessen im zweiten Durchlauf in Ermangelung eines External photoexcitation (der Farbeschuppe Kontrast überspannt die CPD-Varianten von V) 1,05. (c) Glatt Gemachtes Gleichgewichtsprofil des eingebauten Potenzials (vom Baumuster). Diagramm der Schichten: Pfeile mit Digitshow, welche die p-nkreuzung in die subcells in Position bringt (sehen Sie auch Farbbezeichnungen in der Feige. 1). Maßparameter: FLUGHANDBUCHlaser mit einer Wellenlänge von 650 nm verwendet in der Anlage für freitragenden Ausschlagbefund, berührungsfreier VIT_P-Fühler, Resonanz bei 257 kHz, mögliches Oberflächensignal wurde bei 100 nm-Aufzughöhe und Uac=2 V. gemessen.

Beobachtungen Unter Photoexcitation

Wenn die Halbleiteroberfläche Leuchte mit einer Photonenenergie mehr als der Bandabstand des Materials ausgesetzt wird, ergibt die photocarrier Trennung durch den Bereich in Oberflächennähe die Minderheitstransportunternehmer, die an der Oberfläche auftauchen, die das Bandverbiegen kleiner macht. Diese Vorrichtung ist für Halbleiter mit den Oberflächen angewandt, die von den Majoritätsladungsträgern verbraucht werden, in denen die Oberflächenphotospannung das gegenüberliegende Zeichen von der von Majoritätsladungsträgern hat. In einer schwierigen Zelle können photocarriers getrennt werden nicht nur auf dem Gebiet in Oberflächennähe, aber auch in der Masse wegen des Bereichs von eingebauten Sperren. Zum Beispiel ist es möglich, Änderungen im Oberflächenpotential auf Beleuchtung einer einzelnen p-nkreuzung vorauszusagen. Wegen der photocarrier Trennung auf dem Gebiet in Oberflächennähe, wird die P-Seite negativ und die N-Seite positiv aufgeladen. Demgegenüber lädt die Trennung von photocarriers im Massenmaterial vom Bereich der p-nkreuzung die P-Seite positiv und die N-Seite negativ auf.

Einige der Beobachtungen sind unten aufgeführt:

  • Wenn die Anzahl von den photocarriers, die auf dem Gebiet der p-nkreuzung getrennt werden, die überschreiten, die auf dem Gebiet in Oberflächennähe getrennt werden, dann verringert sich die Oberflächenphotospannung und passiert von der P-Seite auf die N-Seite.
  • Wenn die Kontakte zum P und N-Seiten kurzgeschlossen werden, dann wird der Beitrag von der Massentrennung beseitigt, und die Oberflächenphotospannung erhöht auf solch einem Übergang.
  • Abbildung 4 zeigt zwei Sets der simulierten und gemessenen Photospannungsprofile von einer zerspalteten Oberfläche im abwechselnden photoexcitation von p-nkreuzungen in drei subcells MJ SCs.
  • Das erste Set von Profilen, FIGS. 4a-4c, wurde mit blauer Laser-Erregung (Wellenlänge λ= 473 nm) und der zweiten, FIGS. 4d-4f, mit roter Laser-Erregung erreicht (λ = 785 nm). Die photoexcitation Dichten waren ungefähr die selben in beiden Fällen, 2-3 mW/M. Der Brennfleckdurchmesser D wurde unter Verwendung des Rayleigh-Kriteriums D = /NA 1,22 berechnet, wo λ die Laser-Wellenlänge ist und NA = 0,7 die numerische Öffnung des Lernziels ist.
  • Bestimmung des Oberflächenphotospannungsprofils war durch den Unterschied von PD-Werten, die unter photoexcitation und in der Dunkelheit bestimmt wurden.

Der Simulationsprozeß war mit den folgenden Bedingungen erfolgt:

  • Die Kontakte zum MJ-SC werden kurzgeschlossen
  • Die Fotospannung, die in der Masse einer p-nkreuzung ausgesetzt wird Leuchte erscheint, wird unter den Sperren von zwei nonilluminated p-nkreuzungen verteilt.
  • Auch die Kapazitanzen dieser zwei Kreuzungen werden als gleichwertig betrachtet.
  • Die Leuchte vom blauen Laser wird durch alle Schichten im MJ-SC absorbiert und Leuchte vom roten Laser wird nicht durch die breiten Bandabstand GaInP-Schichten2 absorbiert.
  • In den experimentellen Photospannungsprofilen zeigen die Pfeile ein Bad in Fig. 4b und eine Spitze in Fig. 4c. Die Simulation sagt diese spezifischen Merkmale voraus.
  • Der Unterzelle GaAs wird von den Kontakten zum MJ-SC durch die Potenzialschwellen an den p-nkreuzungen der benachbarten subcells isoliert. Falls er Blaulicht ausgesetzt wird, veranlaßt Trennung von photocarriers auf dem Gebiet der p-nkreuzung Elektronen, zu erhalten ausgestoßen in die N-Schichten von Unterzelle diesem. Folglich erscheint ein Minuspotenzial in der Masse dieser N-Schichten und in den P-Schichten des Unterzelle2 GaInP. Wegen der photocarrier Trennung auf dem Gebiet in Oberflächennähe, ist die Oberfläche der P-Schichten auch negativ - aufgeladen in Bezug auf die Masse.
  • Der gemeinsame Effekt beider Prozesse bildet ein tiefes Bad im Oberflächenphotospannungsprofil, wenn er über die P-Schichten des Unterzelle GaInP2 passiert, wie in Fig. 4b gesehen. Wenn rote Leuchte verwendet wird, werden keine photocarriers in den breiten-bandgap GaInP-Schichten2 erzeugt. Infolgedessen sollte das Bad weniger ausgeprägt sein, das tatsächlich in der Abbildung beobachtet wird. 4e. Wenn das Unterzelle2 GaInP Blaulicht ausgesetzt wird, erscheint ein positives Potenzial in der Masse seiner P-Schichten und wird auf die N-Schichten des Unterzelle GaAs übertragen.
  • Das photoeffect an der Oberfläche der N-Schichten ist auch positiv, und eine Spitze entsprechend diesen Schichten erscheint im Photospannungsprofil

Abbildung 4. Vergleich von experimentellen und simulierten Daten. (Wechselstrom) Photoexcitation mit Laserlicht (λ = 473 nm) gerichtet auf die p-nkreuzungen in (a) GE, (b) GaAs und (c) GaInP2 . (DF) Photoexcitation mit Laserlicht (λ = 785 nm) gerichtet auf die p-nkreuzungen in (d) GE, (e) GaAs und (f) GaInP2 . Bezeichnungen: SPV, experimentelles Oberflächenphotospannungsprofil. Ein simuliertes Profil wird auch über jedem Plan gegeben. Unten unter werden allen Plänen Diagramme von Schichten in MJ SCs (mit den gleichen Farbbezeichnungen wie die- in FIGS. 1-3) .omparison der experimentellen und simulierten Daten gezeigt. (Wechselstrom) Photoexcitation mit Laserlicht (λ = 473 nm) fokussiert.

Schlussfolgerungen

Die Schlussfolgerungen von der Studie sind unten aufgeführt:

  • Die Studie einer Solarzelle mit drei subcells, die auf GE, GaAs und GaInP in2 ein NTEGRA-Spektren PNL basierten, zeigte, dass es möglich ist, die Operation von jedem separat zu überwachen, das Unterzelle ist.
  • Die experimentellen erreichten Oberflächenphotospannungsprofile stimmen mit den Ergebnissen der qualitativen Simulation überein.
  • Diese Vereinbarung zwischen den experimentellen Daten und den Simulationsergebnissen zeigen, dass es keine parasitären Sperren in der multijunction Solarzelle unter Studie für die ausgesuchten photoexitation Dichten gibt.
  • Es sollte, dass die NTEGRA-Spektren PNL, FLUGHANDBUCH mit optischen Spektroskopietechniken integrierend ein beträchtlich breiteres Set Fähigkeiten für Solarzellendiagnosen als die beachtet werden anbietet, die in der anwesenden Nachrichtenübermittlung betrachtet wird.
  • Die folgenden Maßtechniken mit submicrometer und nmortsauflösung, die das folgende umfassen, sind möglich:
    • Oberflächentopographie
    • lokale Leitfähigkeit
    • Varianten von Potenzialen und von Ladungen
    • eingebaut oder durch externe Vorspannung oder photoexcitation verursacht
    • Bewertung der kompositionellen Homogenität und der Sachmängel
    • räumliche und Spektralvarianten der Beförderung, der Reflexion und anderer optischer Eigenschaften
    • Lokolisierung von nichtstrahlenden Rekombinationsregionen
    • Überwachung von p-nkreuzungsstellungen
    • Überwachung von heterointerface Übergängen
    • Abbilden von mechanischen Belastungen

Alle diese Maßscan werden verwendet, um die Solarzellentechnologie zu optimieren. Zum Beispiel kann die interne Auslegung von Solarzellen durch Wechselbeziehung von den Regionen optimiert werden, welche die maximale photo-voltaische Umwandlungs-Leistungsfähigkeit mit Daten bezüglich der Variante der chemischen Zusammensetzung, der Schichtstärke, des Profils, der Defekte und der optischen Parameter haben.

Über NT-MDT

NT-MDT hat 550 Angestellte, einschließlich Ph.D.-Wissenschaftler, viele von, sind wem Führer auf ihrem Gebiet. Die Firma hat mehr als 600 Einbau in 39 Ländern und hat im APM-Markt für mehr als 15 Jahre bedient und erzielt weltweite Verteilung ihrer Einheiten. Kunden NT-MDTS enthalten Universitäten und Colleges, Labors, Regierungen, Forschungszentren und wissenschaftliche Firmen aller Größen in der Nanotechnologie stellen auf.

Diese Informationen sind Ursprungs- angepasst gewesen, wiederholt und von den Materialien, die von NT-MDT Co. bereitgestellt werden.

Zu mehr Information über diese Quelle, besuchen Sie bitte NT-MDT Co.

Date Added: Jul 10, 2012 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:03

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