CN102017116A - 利用空间分解发光成像进行器件测定 - Google Patents
利用空间分解发光成像进行器件测定 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102017116A CN102017116A CN2009801142204A CN200980114220A CN102017116A CN 102017116 A CN102017116 A CN 102017116A CN 2009801142204 A CN2009801142204 A CN 2009801142204A CN 200980114220 A CN200980114220 A CN 200980114220A CN 102017116 A CN102017116 A CN 102017116A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- luminous intensity
- intensity
- illumination
- terminal voltage
- series resistance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title abstract description 21
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 title 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 90
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 65
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 26
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 25
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 claims description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 7
- 238000013459 approach Methods 0.000 claims description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 7
- 238000005401 electroluminescence Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 description 4
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000001931 thermography Methods 0.000 description 2
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 2
- LTXREWYXXSTFRX-QGZVFWFLSA-N Linagliptin Chemical compound N=1C=2N(C)C(=O)N(CC=3N=C4C=CC=CC4=C(C)N=3)C(=O)C=2N(CC#CC)C=1N1CCC[C@@H](N)C1 LTXREWYXXSTFRX-QGZVFWFLSA-N 0.000 description 1
- 240000001439 Opuntia Species 0.000 description 1
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
- H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
- H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6489—Photoluminescence of semiconductors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
- H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
- H01L22/14—Measuring as part of the manufacturing process for electrical parameters, e.g. resistance, deep-levels, CV, diffusions by electrical means
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
- H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
- H02S50/00—Monitoring or testing of PV systems, e.g. load balancing or fault identification
- H02S50/10—Testing of PV devices, e.g. of PV modules or single PV cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
使用发光成像来测量光伏器件的空间分解串联电阻的方法。该方法包括步骤：使用初始光照强度和端子电压来测量所述器件的区域的第一发光强度，使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述器件的所述区域的第二发光强度，以及测量其中至少一个参数相对第二校正发光强度的测量发生变化的所述区域处的第三发光强度，其中所述参数是端子电压和光照强度。内插或者外插第二发光强度和第三发光强度，以确定能够产生所述第一发光强度的端子电压和光照强度的值，其中使用所确定的值来估计器件的所述区域处的串联电阻。
Description
技术领域
本发明主要涉及光伏器件的测定，特别是对局部二极管特性的依赖度较低的测量空间分解串联电阻的非破坏性方法。
背景技术
太阳能电池量产中的优化和工艺控制要求对各种电特性进行测量。在贯穿整个电池区域上进行的空间分解测量尤其有吸引力，这是因为这将得到被测电池数据随位置的变化的有关信息。这种空间信息对于追踪诸如不均匀的材料质量、错误或非优化构造的制造设备、或电池布局设计中的缺陷等问题是至关重要的。为了实现太阳能电池量产中的工艺控制，理想的测定方法应当是非破坏性并且快速的。
串联电阻RS是太阳能电池的主要电特性之一，其对电池效率具有直接影响。通常，串联电阻会在太阳能电池区域各处具有变化，并且通常需要了解电池上位置i处的局部电流密度Ji(或其变化(ΔJi))以精确地确定局部串联电阻Rs，i。
在被照射的太阳能电池中，Ji＝Jlight-Jd，i，其中Jlight是近似与光照强度成线性关系的光生电流，Jd，i是位置i处的局部二极管暗电流强度。Jd，i取决于位置i处的局部二极管电压(Vi)以及一些其它参数，这些参数包括局部二极管饱和电流以及局部理想系数(ideality factor)，这些参数一般以某种未知的方式在电池区域各处具有变化。
虽然已知一些方法能够测量贯穿太阳能电池的空间分解串联电阻，然而这些方法均需要数分钟乃至数小时的测量时间和/或具有破坏性。例如，接触电阻扫描(“Corescan”)方法(A.S.H.van der Heideet al Sol.Energy Mater.Sol.Cells 74(2002)43)需要使针划过电池的钝化层。
基于发光成像的方法具有克服长测量时间和破坏性的局限的潜力。例如，T.Trupke等人报告了一种基于光致发光成像的方法(”Spatially resolved series resistance of silicon solar cells obtainedfrom luminescence imaging(根据光致发光成像获取的硅太阳能电池的空间分解串联电阻)”，Appl.Phys.Lett.90(2007)093506)，D.Hinken等人(”Series resistance imaging of solar cells by voltage dependentelectroluminescence(通过取决于电压的电发光进行的太阳能电池的串联电阻成像)”，Appl.Phys.Lett.91(2007)182104)和K.Ramspeck等人(”Recombination current and series resistance imaging of solarcells by combined luminescence and lock-in thermography(通过发光和锁相热成像的结合进行的太阳能电池的复合电流及串联电阻成像)”，Appl.Phys.Lett.90(2007)153502)报告了基于电发光成像的方法。这些方法的一个基本问题是对未知的局部二极管特性进行整体估计，由于局部二极管特性(如Jd，i)在整体上不是均匀的而是贯穿装置区域具有实质变化的，因此这种整体估计会导致不精确。
说明书通篇中对现有技术的任何讨论都不应被认为承认了这些现有技术广为人知或者构成该领域中一般公知常识的部分。
发明内容
本发明的一个目的是以优选的形式提供一种对空间分解串联电阻数据进行估计的方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种对二极管器件区域处的串联电阻进行估计的方法，该方法包括如下步骤：使用初始光照强度和端子电压来测量器件区域的第一发光强度A；使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述区域的第二发光强度B1；测量其中至少一个参数相对第二校正发光强度B1的测量发生变化的所述区域处的第三发光强度B2，其中所述参数是端子电压和光照强度；内插或者外插第二发光强度B1和第三发光强度B2的光照强度值，以确定能够产生第一发光强度A的参数值；以及使用所确定的参数值来估计所述区域处的串联电阻。
优选地，所述区域对应于发光图像中的一个或多个像素。在一些实施例中，至少一个发光强度是在零光照强度下产生的。优选地，如果在非零光照强度下产生了发光强度，则通过确定所述区域的最小发光强度的反向偏置或者零偏置状态，来针对包括所述器件的材料的受扩散限制的少数载流子寿命对发光强度进行校正。
在一些实施例中，在第一发光强度测量值A和第二发光强度测量值B1之间光照强度发生变化，而端子电压保持基本恒定。优选地，在一些实施例中，在第一发光强度测量值A和第二发光强度测量值B1之间端子电压发生变化，而光照强度保持基本恒定。在一些实施例中，在第二发光强度测量值B1和第三发光强度测量值B2之间端子电压发生变化，而光照强度保持基本恒定。在其它实施例中，在第二发光强度测量值B1和第三发光强度测量值B2之间光照强度发生变化，端子电压保持基本恒定。
优选地，在一些实施例中，在第一发光强度测量A之后执行三次或更多发光强度测量(B1、B2、B3……)，在执行所述三次或更多发光强度测量时，端子电压在第二发光强度测量B1和后续的发光强度测量之间发生变化，光照强度保持基本恒定。
优选地，在一些实施例中，在第一发光强度测量A之后执行三次或更多发光强度测量(B1、B2、B3……)，在执行所述三次或更多发光强度测量时，光照强度在第二发光强度测量B1和后续的发光强度测量之间发生变化，端子电压保持基本恒定。在一些实施例中，对二极管器件多个区域处的串联电阻进行估计，以确定所述器件上串联电阻的空间变化。在一些实施例中，在端子电压处于开路时测量第一发光强度A。
根据本发明的另一方面，提供了一种确定二极管器件区域处的串联电阻是否超过预定值的方法，该方法包括如下步骤：使用初始光照强度和端子电压来测量器件区域的第一发光强度；使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述区域的第二发光强度；以及根据第一和第二发光强度测量来确定所述器件区域的串联电阻是否超过预定值。优选地，如果在非零光照强度下产生了发光强度，则通过确定所述区域的最小发光强度的反向偏置或者零偏置状态，来针对包括所述器件的材料的受扩散限制的少数载流子寿命对发光强度进行校正。
本发明的方法非常适用于光伏器件的应用。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于对二极管器件第一区域处的串联电阻进行估计的系统，该系统包括：发光检测器，其使用初始光照强度和端子电压来测量器件第一区域的第一发光强度A，使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述区域第一区域的第二发光强度B1，并且使用另一变化的光照强度或者另一变化的端子电压来测量所述器件第一区域的第三发光强度B2；以及处理器，所述处理器与所述发光检测器相互连接，所述处理器用于内插或者外插第二发光强度B1和第三发光强度B2的光照强度值，以确定能够产生与第一发光强度测量值A相同的发光信号的光照强度值和端子电压值；以及所述处理器还用于根据所确定的发光强度值和端子电压值来计算器件第一区域的串联电阻Rs。
优选地，所述处理器还适用于针对包括所述器件的材料的受扩散限制的少数载流子寿命来对第一、第二和第三发光强度中的至少一个进行校正。
附图说明
通过下述仅以示例形式作出的说明并结合附图，本领域的普通技术人员将能够更好地理解本发明的实施例。
图1示出了适用于优选实施例的光致发光成像设置的示意图。
图2示意性地示出了相机的传感器阵列及其分成小传感器像素的分段。每个相机像素都具有由索引i表示的序列号，并且对太阳能电池的一个相应区域进行成像。因此电池被分割成多个小区域，这些小区域的尺寸对应于每个相机像素能够映射的尺寸，这取决于相机传感器阵列和成像光学装置的分辨率。因此，同一索引i代表太阳能电池的一个相应区域，于是图2例示了相机传感器阵列和太阳能电池两者的分段。
图3例示了太阳能电池部分i在等于7mA/cm2的短路电流强度的光照强度下的两个电流/电压曲线。虚线31表示作为端子电压Vterminal的函数而绘制的电流强度，虚线31包括串联电阻Rs(假设为10Ωcm2)的影响。实线32表示作为二极管Vi上的电压的函数而绘制的电流强度，其不受串联电阻的影响。图3中的箭头示出了特定的端子电压Vterminal，A(竖直箭头34的尖端)和局部二极管电压Vi，A(水平箭头35的尖端)如何彼此相关。竖直短划线36表示二极管电压Vi的恒定值。
图4例示了两个不同光照强度41、42下电流强度相对于二极管电压的曲线图。曲线之间的距离是恒定的并且等于短路电流之差。
图5和图6例示了在两个不同的光照强度20mW/cm2(A)和100mW/cm2(B)下、作为端子电压的函数(虚线)和作为二极管电压的函数(实线)的电流强度的曲线图，两个不同的光照强度20mW/cm2(A)和100mW/cm2(B)分别对应于短路电流强度7mA/cm2和36mA/cm2。图5包括两个指向对应于同一二极管电压的两个端子电压的竖直绘制箭头，表明对于每个端子电压Vterminal，A都存在对应于相同二极管电压的刚好一个特定端子电压Vterminal，B。在图6中，竖直绘制的箭头61、62指向两个工作点B1和B2，其中端子电压Vterminal，B1和Vterminal，B2对应于分别大于和小于二极管电压Vi，A66的二极管电压Vi，B165和Vi，B264。
图7例示了其中端子电压在系列B中改变、光照强度在图像A和系列B之间改变但在系列B中测量的图像之间保持恒定的特殊情况。将图像中像素i的测量数据示为点。如实线71所示，对系列B的测量数据进行内插和外插。可以在根据图像B导出的内插曲线(水平虚线)上得到发光强度Icamera，A，i(即图像A的像素i处的强度)。由ΔVterminal，BA来表示需要在像素i处产生相同发光强度并用于计算局部串联电阻的端子电压之差。测量点与图5和图6所示的测量点不同。
图8例示了与图7类似的曲线，但是表示将来自系列B的像素i的发光值绘制成(ΔVterminal，BA/ΔJlight，AB)的函数这种更一般的情况，其中(ΔVterminal，BA/ΔJlight，AB)等于局部串联电阻。在此情况下，端子电压和光照强度均在图像A和系列B中的图像之间以及在系列B中的图像之间变化。(ΔVterminal，BA/ΔJlight，AB)的每个值表示一个可能的局部串联电阻值，其中框出的串联电阻对应于正确值。
图9表示优选实施例方法的计算过程的流程图。
具体实施方式
在后文的说明中，表述“局部结电压”和“局部二极管电压”等同并由Vi表示，术语“端子电压”和“偏置”等同。
为了测量诸如光伏器件和太阳能电池等二极管器件的空间分解串联电阻，需要针对发光成像的实验设置。对于光致发光成像的一种适当的设置形式(如图1所示意性例示)，在标题为“Method andSystem for Testing Indirect Bandgap Semiconductor Devicesusing Luminescence Imaging(用于利用发光成像来测试间接带隙半导体器件的方法和系统)”的PCT公开WO2007/128060中进行了描述，其内容通过交叉引用并入本文。
通常，太阳能电池及其分段的电流密度由下式给出：
Ji＝Jlight-Jd，i(Vi)
其中Jlight是光生电流，在大多数情况下等于外部光照强度下的电池的短路电流并且呈线性，因此光照强度中明确定义的变化导致Jlight的明确定义的变化。在均匀光照的条件下，Jlight可以被认为在样本电池上是均匀的。二极管暗电流Jd，i是二极管电压Vi的函数；精确函数Jd，i(Vi)很复杂并且取决于多个一般未知的参数，这些参数均在电池区域上变化。
在发光图像中测量电池上的局部发光强度，并且能够与局部二极管电压相关联。对于通过光激励产生的发光(即光致发光)，局部发光强度Icamera，i包括两个分量，其中一个指数性地依赖于局部二极管电压Vi，另一个依赖于光照强度但独立于二极管电压：
Icamera，i＝Ci·exp(Vi/kT)+Coff-set，i (1)
其中kT即所谓的热电压，Ci是校正常数。对于电产生的发光(即电致发光)，偏置Coff-set，i为零。
对于已有的空间分解串联电阻测量方法，使用等式(1)来获得局部二极管电压Vi。重要的是要注意到，常数Ci在电池区域上(即在不同的像素之间)会发生明显的变化；此外，由于少数载流子的寿命和扩散长度会随着工作条件而变化，因此在单个像素上Ci也可能发生变化。需要获取并考虑这些依赖关系，以精确地解释发光信号。
分量Coff-set，i在特定的光照条件下为常量，并且由少数载流子寿命的所谓扩散限制所导致，这是组成电池的材料的属性。如T.Trupke等人在Appl.Phys.Lett.90(2007)093506中讨论的，必须针对分量Coff-set，i来校正测得的相机信号。实际上，从电池处在短路或者反向端子电压条件下的相机信号中得到Coff-set，i。
通过将光照强度保持为恒定、并将端子电压降低至足够低的值，来测量针对给定光照强度的偏置值Coff-set，i。“足够低”意味着局部二极管电压必须足够小以至于对全部发光发射的贡献可以忽略，即等式(1)中右手侧的指数项必须接近零或者至少远小于Coff-set，i。为此，使电池工作在短路状态下通常是足够的。不过在极高的局部串联电阻的情况下，短路条件无法提供足够低的局部二极管电压，这使得二极管对整个发光信号产生了不可忽略的贡献。在这种情况下可以应用下面的处理：
对于选定的外部光强度，使太阳能电池初始工作在短路状态(Vterminal＝0V)，并通过相机拍摄发光图像。在反向端子电压(例如Vterminal＝-0.1V)下拍摄后续图像，并且在两幅图像之间比较每个相机传感器像素i处的发光强度。如果一个像素处的强度Icamera，i在反向偏置条件下较低，则拍摄具有较大反向偏置(如-0.2V)的另一图像，重复此过程直到每个Icamera，i都到达其最小值或者可接受的低值。记录Icamera，i的全部单个最小值。判定二极管分量是否达到可忽略的程度的典型标准是例如当反向端子电压增加(朝负值反向)0.1V时像素是否变化超过10％。
校正后的发光图像由在任何给定工作点测量得到的发光图像减去“校正发光图像”构成，所述“校正发光图像”是使用相同的光照强度和测量参数、但是使电池工作在短路或者反向偏置条件下(即具有可忽略的二极管分量)所测量得到。因此，每个像素的校正发光强度仅由等式(1)右手侧的第一项构成，即纯二极管分量。如上所述，电致发光图像不必按照这种方式校正。为了进行后面的讨论，如果有必要，对所有发光图像进行如上文所述的“校正”。这样，术语“发光图像”或“发光强度”或“相机信号”描述了相应的量，它们已按需针对受扩散限制的少数载流子寿命进行了校正。
本发明优选实施例的基本思想是：找出样本太阳能电池的对应于同一局部发光信号的两个不同的工作条件A和B(具有不同的端子电压和不同的光照强度)，并使用此信息来计算作为电池上位置的函数的串联电阻。
优选实施例的一个关键方面是，由于相等的发光信号意味着相等的局部二极管电压Vi以及相等的局部二极管暗电流强度Jd，i，因此可以从分析中排除未知、复杂并且横向变化的局部电流-电压特性；所需确定的只是工作条件A和B下的二极管电流相同。
如果在两个不同的操作条件A和B下局部发光强度相同，则可以通过对光生电流强度Jlight，A和Jligh，B以及端子电压Vterminal，A和Vterminal，B的理论分析来量化局部串联电阻Rs，i。这些量值中的一个或多个可以通过对实验数据进行内插或外插来得到，如下文所述。
对于太阳能电池的两个不同的工作条件，有如下两个等式：
Vterminal，A＝Vi，A-Ji，A·Rs，i＝Vi，A-(Jlight，i，A-Jd，i，A)·Rs，i
Vterminal，B＝Vi，B-Ji，B·Rs，i＝Vi，B-(Jlight，i，B-Jd，i，B)·Rs，i
可以重写成：
Vterminal，A-Vterminal，B＝Vi，A-Vi，B+{(Jlight，i，B-Jd，i，B)-(Jlight，i，A-Jd，i，A)}·Rs，i
先前的基于发光的Rs成像方法具有无法精确确定电流密度之差的缺点，这是由于未知的、且空间变化的二极管特性。此外，校正常数Ci对电池工作条件的依赖性也被忽略，这会导致额外的错误。
对于给定的像素i，所述方法如下进行。如果两个工作条件A和B产生了相同的发光强度，即Icamera，i，A＝Icamer，i，B，则根据等式(1)有Vi，A＝Vi，B(记住校正光致发光图像中的Coff-set，i是可忽略的或者为零)，因此Jd，i，A＝Jd，i，B。这两个关系允许上述等式简化重置为下式：
局部串联电阻Rs，i的简化公式(等式(2))的优点是，全部量值都可以通过电池端子直接获得，或者能够通过对可从电池端子获得的数据进行内插或者外插来得到。通过分别在光强度A和B下测量短路电流密度，能够容易地获得光生电流密度ΔJlight，AB的差值。
显然，这种方法避免了将发光信号Icamera，i转换为实际二极管电压Vi的任何处理。不需要获知校正常数Ci、其横向变化、及其随着电池工作条件的变化。
实际操作中，在作为光照强度Iillumination，A和端子电压Vterminal，A的组合的工作条件A下拍摄一个发光图像。优选地，在不从电池汲取电流从而使得Vterminal，A＝Voc的条件下(即开路条件)拍摄图像A。在不同的光照强度Iillumination，B和/或不同的端子电压Vterminal，B下拍摄第二发光图像B。
如图5和图6所示，对于每个像素有三种可能的情况：其在图像B中的发光强度可以大于、等于、或者小于图像A中的发光强度。如果两个图像中的强度相同，则可以使用等式(2)来计算该像素处的串联电阻。
另一方面，如果图像B中的发光强度较高，则(根据等式(1))局部二极管电压也会较高。如图6所示，系列B中较高的二极管电压对应于较高的端子电压，因此对应于较小的端子电压差ΔVterminal，BA，并且根据等式(2)对应于低于当前值的Rs，i值。这样，通过单次发光强度比较Icamera，B＞Icamera，A，仅能确定串联电阻的下限。使用同上述相同的手段，可以根据单次发光强度比较Icamera，B＜Icamera，A来确定串联电阻的上限。
可以使用内插方法来得到Rs，i的实际值，而不仅是上限或下限。内插需要至少两个在系列B拍摄的图像，参数Iillumination，B或Vterminal，B之一(或二者)发生变化。我们描述一种方法作为示例，其中在系列B中针对全部图像使得光照强度保持恒定，而端子电压发生变化。不过，其中端子电压保持恒定而光照强度变化的方法同样可行。
可以针对每个像素绘制出局部发光信号作为变化参数(即这里所讨论示例中的端子电压)的函数的依赖关系，并且可以对所得的曲线进行内插或者外拆以提供对应于在图像A中所得的相同发光强度的参数值(即电压)。
图7示出了执行4个系列B测量的示例，所测得的发光强度绘制为端子电压Vterminal的函数。在这四个点之间计算得到适应曲线71，并且通过内插或外插得到与A中的同一发光强度相对应的系列B中的端子电压，作为交叉点72。这种内插/外插过程避免了为每个像素寻找实验适合的工作条件以匹配A和B中的相机信号。
通过对测量得到的数据点进行内插或外插能够得到每个像素的正确参数(在此实施例中为端子电压)。然后可以使用所述内插或外插得到的参数根据等式(2)为每个像素计算Rs的量化局部值。
优选地，系列B中的至少一个图像是在端子电压高于图像A中所使用的端子电压的条件下获得的，以避免必须对系列B曲线进行外插。在用于硅基太阳能电池的典型处理中，可以在光照强度Iillumination，A＝20mW/cm2和端子电压Vterminal，A＝Voc的条件下获得图像A，系列B可以包括在光照强度Iillumination，B＝100mW/cm2(近似一个太阳光照)和端子电压Vterminal，B开始时略高于Voc并分别步降20、50、100和200mV的条件下获得的五个图像。
在该方法的一个更一般的变型中，两个参数(端子电压和光照强度)在系列B中均可以变化。图8示出了Icamera对
的曲线图80，其中已如上文所述地对其进行了内插/外插，以产生局部串联电阻值。
可以自动地(即，使用适当的计算机算法)针对太阳能电池的每个分段i(即像素)重复这些分析过程。测量整个太阳能电池上的局部串联电阻所需的时间为1秒至10分钟的数量级，通常为30秒至2分钟，这取决于包括电池的尺寸和质量、期望的像素划分、信噪比、和所需的测量精度等数个因素。应当注意到，通常不必确定局部串联电阻的精确绝对值，因为相对的局部串联电阻值也可以(例如)用来识别样本电池的缺损区域。本发明方法的显著优点在于，该方法能够在消除或者极大地降低了变化的局部二极管属性的影响的条件下估计绝对的或相对的串联电阻值。
一般，系列B中的发光强度与变化参数之间的关系是非线性的，因此在系列B中测量的图像越多则该方法越精确。所得结果还可以更精确，如果系列B中所选择的实验参数更接近于使得Icamera，B＝Icamera，A的实际值。
Rs，i值的测量范围会随着光照强度的差值ΔJlight，AB而变化。这会改变分式
并因此改变测量特定的串联电阻Rs，i所需的端子电压ΔVterminal，BA的差。
为了更快地进行测量，即出于量产的目的，可以定义阈值串联电阻Rs，thershold，其中可以将Rs＞Rs，threshold的像素数量用作分级/分类标准。在用端子电压Vterminal，A测量第一发光图像A之后，可以使用明确定义的端子电压Vterminal，B＝Rs，threshold·ΔJlight，AB-Vtermianl，A测量第二图像。这能够确定局部串联电阻高于或低于该阈值Rs，threshold的全部像素。
应当注意：
1、这里讨论的所选择的光照强度和端子电压是非限定性的示例。例如该处理还可以对图像A使用较高的光照强度而对系列B中的图像使用较低的光照强度，以及对系列B中的图像使用较低和较高光照强度的混合。
2、通过改变偏置光照强度的差以及因此改变光生电流之差，能够改变测量局部串联电阻的相关灵敏度。
3、在某些情况下，以恒定的端子电压和变化的偏置光照强度来测量系列B图像可能是有利的。
测量方法包括如下主要步骤，如图9的流程图90所示：
I.在电池工作条件A(即给定的光照强度Iillumination，A和端子电压Vterminal，A)下测量第一发光图像。测量发光图像包括如下子步骤：
i.在特定的端子电压和给定的光照强度下测量第一图像。
ii.在相同的光照强度下但使得二极管不对发光发射构成贡献的端子电压下测量第二图像。即，处在或者短路状态或者反向端子电压下。
iii.从第一图像中减去第二图像。
iv.对于在零光照强度下测量发光图像(例如电致发光图像)，不需要步骤ii和iii。
II.在电池工作条件B1下测量第二发光图像，其中Iillumination，B1≠Iillumination，A和/或Vterminal，B1≠Vterminal，A。
III.在电池工作条件B2下测量第三发光图像，其中光照强度和/或端子电压相对B1变化。
IV.针对每个像素，将来自II)和III)的发光强度绘制为相对工作条件A变化的(多个)参数的函数，即
V.针对每个像素，在系列B中找出图像A的发光强度值；在数据点B的内插或外插曲线中找出该值，其中相机信号Icamera，B被绘制为的函数。
的对应值等于Rs，i。
VI.根据步骤I至V为每个像素计算串联电阻Rs。
该方法的变型包括：
I.其中仅测量两个发光图像A和B并且针对每个像素获取串联电阻的上限或下限的方法。
II.在第一图像A之后测量三个或更多发光图像(B1、B2、B3、B4……)的方法。在至少一个参数(光照强度或端子电压)变化的条件下测量全部图像B。然后使用更多的数据点来执行上述内插或外插，从而更精确。
III.省略先前所述的校正处理(即减去在短路或反向偏置条件下测量的光致发光图像)的方法；这带来更短的测量时间，而数据的精度会下降。
IV.在零光照强度下测量至少一个图像(即电致发光成像)的方法。在此情况下，由受扩散限制的寿命所导致的偏移为零，因此不必进行校正。
V.图像B系列由电致发光图像(即零光照强度和变化的端子电压Vterminal，B条件下的发光图像)组成的方法。
所述方法能够容易地通过图1所示实验系统的成像硬件来实现。在此构造中，成像计算机550在照明源510的控制下依指令捕获太阳能电池540的图像。然后由成像计算机根据上述方法对这些图像进行处理，以提供所检测器件上串联电阻的空间变化的输出估计。
图1的构造显然可以扩展至各种不同的环境。例如，组装线环境、批量处理环境、和测试环境都是可以应用上述优选实施例的方法的可能环境。
前文仅对本发明的优选形式进行了描述。尽管参照特定的示例描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，本发明可以实现为各种其它的形式。本领域技术人员能够在不偏离本发明范围的前提下做出各种修改应用。
Claims (22)
1.一种对二极管器件的区域处的串联电阻进行估计的方法，该方法包括步骤：
(a)使用初始光照强度和端子电压来测量所述器件的所述区域的第一发光强度A；
(b)使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述区域的第二发光强度B1；
(c)测量其中至少一个参数相对第二校正发光强度B1的测量发生变化的所述区域处的第三发光强度B2，其中所述参数是端子电压和光照强度；
(d)内插或者外插第二发光强度B1和第三发光强度B2的光照强度值，以确定能够产生第一发光强度A的所述参数的值；以及
(e)使用所确定的参数值来估计所述区域处的串联电阻。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述区域对应于发光图像中的一个或多个像素。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中至少一个发光强度是在零光照强度下产生的。
4.如任一前述权利要求所述的方法，其中如果在非零光照强度下产生了发光强度，则通过确定所述区域的最小发光强度的反向偏置或者零偏置状态，来针对包括所述器件的材料的受扩散限制的少数载流子寿命对发光强度进行校正。
5.如任一前述权利要求所述的方法，其中光照强度在第一发光强度测量值A和第二发光强度测量值B1之间发生变化，而端子电压保持基本恒定。
6.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中端子电压在第一发光强度测量值A和第二发光强度测量值B1之间发生变化，而光照强度保持基本恒定。
7.如任一前述权利要求所述的方法，其中端子电压在第二发光强度值B1和第三发光强度值B2之间发生变化，而光照强度保持基本恒定。
8.如权利要求1至6中任意一项所述的方法，其中光照强度在第二发光强度值B1和第三发光强度值B2之间发生变化，而端子电压保持基本恒定。
9.如任一前述权利要求所述的方法，其中在第一发光强度测量A之后执行三次或更多发光强度测量(B1、B2、B3……)，在执行所述三次或更多发光强度测量时，端子电压在第二发光强度测量B1和后续的发光强度测量之间发生变化，光照强度保持基本恒定。
10.如权利要求1至8中任意一项所述的方法，其中在第一发光强度测量A之后执行三次或更多发光强度测量(B1、B2、B3……)，在执行所述三次或更多发光强度测量时，光照强度在第二发光强度测量B1和后续的发光强度测量之间发生变化，端子电压保持基本恒定。
11.如任一前述权利要求所述的方法，其中对所述二极管器件的多个区域处的串联电阻进行估计，以确定所述器件上串联电阻的空间变化。
12.如任一前述权利要求所述的方法，其中在端子电压处于开路时测量第一发光强度A。
13.一种用于确定二极管器件的区域处的串联电阻是否超过预定值的方法，该方法包括步骤：
(a)使用初始光照强度和端子电压来测量所述器件的所述区域的第一发光强度；
(b)使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述区域的第二发光强度；以及
(c)根据第一和第二发光强度测量来确定所述器件的所述区域的串联电阻是否超过预定值。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述区域对应于发光图像中的一个或多个像素。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中至少一个发光强度是在零光照强度下产生的。
16.如权利要求13至15中任意一项所述的方法，其中如果在非零光照强度下产生了发光强度，则通过确定所述区域的最小发光强度的反向偏置或者零偏置状态，来针对包括所述器件的材料的受扩散限制的少数载流子寿命对发光强度进行校正。
17.如权利要求13至16中任意一项所述的方法，其中在端子电压处于开路时测量第一发光强度A。
18.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述器件是光伏器件。
19.一种用于对二极管器件的第一区域处的串联电阻进行估计的系统，该系统包括：
发光检测器，其使用初始光照强度和端子电压来测量器件的第一区域的第一发光强度A，使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量器件的所述第一区域的第二发光强度B1；并且使用另一变化的光照强度或者另一变化的端子电压来测量所述器件的所述第一区域的第三发光强度B2；以及
处理器，所述处理器与所述发光检测器相互连接，所述处理器用于内插或者外插第二发光强度B1和第三发光强度B2的光照强度值，以确定能够产生与第一发光强度测量值A相同的发光信号的光照强度值和端子电压值；以及所述处理器还用于根据所确定的发光强度值和端子电压值来计算所述器件的所述第一区域的串联电阻Rs。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述处理器还适用于针对包括所述器件的材料的受扩散限制的少数载流子寿命来对第一、第二和第三发光强度中的至少一个进行校正。
21.一种估计光伏二极管器件的第一区域上的近似串联电阻的方法，实质上如文中参照附图和/或示例中所示的本发明任一实施例所述。
22.一种用于估计二极管器件区域上的串联电阻的系统，所述系统执行如权利要求1至18中任一项所述的方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| AU2008902034A AU2008902034A0 (en) | 2008-04-23 | Device characterisation utilizing spatially resolved photoluminescence imaging | |
| AU2008902034 | 2008-04-23 | ||
| PCT/AU2009/000506 WO2009129575A1 (en) | 2008-04-23 | 2009-04-23 | Device characterisation utilising spatially resolved luminescence imaging |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102017116A true CN102017116A (zh) | 2011-04-13 |
| CN102017116B CN102017116B (zh) | 2013-10-09 |
Family
ID=41216341
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2009801142204A Expired - Fee Related CN102017116B (zh) | 2008-04-23 | 2009-04-23 | 利用空间分解发光成像进行器件测定 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102017116B (zh) |
| WO (1) | WO2009129575A1 (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105960587A (zh) * | 2013-12-19 | 2016-09-21 | 原子能及能源替代委员会 | 监视光伏电池的质量的方法和系统 |
| CN106298570A (zh) * | 2016-08-25 | 2017-01-04 | 奥特斯维能源（太仓）有限公司 | 接触电阻率的测量方法及装置 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9885662B2 (en) | 2012-07-06 | 2018-02-06 | Bt Imaging Pty Ltd | Methods for inspecting semiconductor wafers |
| JP6104112B2 (ja) * | 2013-09-18 | 2017-03-29 | 株式会社アイテス | 太陽電池検査装置、及び太陽電池検査方法 |
| JP6565112B2 (ja) * | 2015-02-13 | 2019-08-28 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 太陽電池の評価方法及び評価装置 |
| US20190089301A1 (en) * | 2017-09-18 | 2019-03-21 | X Development Llc | System and method for solar cell defect detection |
| US20220101219A1 (en) * | 2020-09-28 | 2022-03-31 | Solarlytics, Inc. | System and method for optimizing energy obtained from renewable sources |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1010257B (zh) * | 1986-03-01 | 1990-10-31 | 西安交通大学 | 短脉冲太阳电池测试方法 |
| DE19738302A1 (de) * | 1997-09-02 | 1999-03-04 | Zae Bayern | Verfahren zur Leistungsoptimierung von Solarmodulen mittels infrarotoptischer Wärmebildaufnahme und lokaler Beseitigung innerer Defekte |
| US20050252545A1 (en) * | 2004-05-12 | 2005-11-17 | Spire Corporation | Infrared detection of solar cell defects under forward bias |
| DE102005040010A1 (de) * | 2005-08-23 | 2007-03-15 | Rwe Schott Solar Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung von Produktionsfehlern in einem Halbleiterbau-element |
| CN103185854B (zh) * | 2006-05-05 | 2015-07-01 | Bt成像股份有限公司 | 利用发光成像测试间接带隙半导体器件的方法和系统 |
-
2009
- 2009-04-23 CN CN2009801142204A patent/CN102017116B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2009-04-23 WO PCT/AU2009/000506 patent/WO2009129575A1/en active Application Filing
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105960587A (zh) * | 2013-12-19 | 2016-09-21 | 原子能及能源替代委员会 | 监视光伏电池的质量的方法和系统 |
| CN106298570A (zh) * | 2016-08-25 | 2017-01-04 | 奥特斯维能源（太仓）有限公司 | 接触电阻率的测量方法及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2009129575A1 (en) | 2009-10-29 |
| CN102017116B (zh) | 2013-10-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102017116B (zh) | 利用空间分解发光成像进行器件测定 | |
| Rajput et al. | Quantitative estimation of electrical performance parameters of individual solar cells in silicon photovoltaic modules using electroluminescence imaging | |
| US9435740B2 (en) | Method for measuring a semiconductor structure, which is a solar cell or a precursor of a solar cell | |
| Kasemann et al. | Contactless qualitative series resistance imaging on solar cells | |
| Dumbrell et al. | Extracting metal contact recombination parameters from effective lifetime data | |
| JPWO2006059615A1 (ja) | 太陽電池の評価方法及び評価装置並びにその利用 | |
| JP6310948B2 (ja) | 太陽電池検査システムおよび太陽電池検査方法 | |
| Schuss et al. | Detecting defects in photovoltaic panels with the help of synchronized thermography | |
| US20140039820A1 (en) | Quantitative series resistance imaging of photovoltaic cells | |
| Shen et al. | Improved local efficiency imaging via photoluminescence for silicon solar cells | |
| US9124214B2 (en) | Method for spatially determining the series resistance of a semiconductor structure | |
| Dumbrell et al. | Comparison of terminal and implied open-circuit voltage measurements | |
| Guo et al. | Quantitative analysis of crystalline silicon wafer PV modules by electroluminescence imaging | |
| Höffler et al. | Review and recent development in combining photoluminescence-and electroluminescence-imaging with carrier lifetime measurements via modulated photoluminescence at variable temperatures | |
| CN105960587B (zh) | 监视光伏电池的质量的方法和系统 | |
| Kristensen et al. | A high-accuracy calibration method for temperature dependent photoluminescence imaging | |
| Sinton et al. | Assessing transient measurement errors for high-efficiency silicon solar cells and modules | |
| Juhl et al. | Relative external quantum efficiency of crystalline silicon wafers from photoluminescence | |
| Fruehauf et al. | Quantification of electroluminescence measurements on modules | |
| Kwapil et al. | Suns-ILIT: Contact-less determination of local solar cell current-voltage characteristics | |
| Kemmer et al. | Current-voltage characteristics of silicon solar cells: Determination of base doping concentration and hysteresis correction | |
| Ramspeck et al. | Correlation between spatially resolved solar cell efficiency and carrier lifetime of multicrystalline silicon | |
| Blum et al. | Lifetime and substrate doping measurements of solar cells and application to in-line process control | |
| Höffler et al. | Statistical Evaluation of a Luminescence-based Method for imaging the series resistance of solar cells | |
| Kumar et al. | Application of electroluminescence current-intensity relation for estimation of PID impact in crystalline silicon photovoltaic module |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131009 Termination date: 20200423 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |