-
Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Charakterisierung einer elektrischen Eigenschaft eines Schichtmaterials angegeben.
-
Bei der Herstellung von Licht absorbierenden elektrischen Bauteilen wie etwa Solarzellen oder Solarpaneelen ist es erforderlich, die Licht absorbierenden Schichten solcher Bauteile hinsichtlich ihrer Funktionsweise und Qualität zu charakterisieren. Dazu ist es bei bekannten Charakterisierungsmethoden typischerweise notwendig, die Lichtabsorbierenden Schichten zumindest von der Unterseite her entweder direkt oder beispielsweise über Elektrodenschichten elektrisch leitend zu kontaktieren und/oder zumindest zu erden. Bei Solarpaneelen, bei denen die Licht absorbierenden Schichten auf großflächigen Glassubstraten aufgebracht sind, ist eine solche Kontaktierung von der Rückseite, also der Seite des Glassubstrats her, jedoch nicht oder nur unter hohem Aufwand möglich, da die dem Glassubstrat zugewandte Seite der Licht absorbierenden Schicht beziehungsweise eine auf dieser Seite angebrachte Elektrodenschicht einer direkten elektrisch leitenden Kontaktierung nicht oder nur schwer zugänglich ist.
-
Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Charakterisierung einer elektrischen Eigenschaft eines Schichtmaterials eines elektrischen Bauteils anzugeben, wobei eine kontaktlose, einseitige Charakterisierung möglich ist.
-
Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
-
Eine Vorrichtung zur Charakterisierung einer elektrischen Eigenschaft eines auf einer elektrisch leitenden Schicht abgeschiedenen, Licht absorbierenden Schichtmaterials eines elektrischen Bauteils gemäß einer Ausführungsform umfasst insbesondere
- – eine erste Elektrode über einem ersten Bereich des Schichtmaterials und eine zweite Elektrode über einem zum ersten Bereich benachbarten zweiten Bereich des Schichtmaterials,
- – eine Lichtquelle zur Einstrahlung von Licht in den ersten Bereich des Schichtmaterials und
- – eine Messeinrichtung zur Messung einer vom eingestrahlten Licht abhängigen Änderung eines elektrischen Zustands der ersten Elektrode im Vergleich zur zweiten Elektrode,
- – wobei die erste und zweite Elektrode beabstandet zum Schichtmaterial auf einer zur elektrisch leitenden Schicht gegenüberliegenden Seite des Schichtmaterials angeordnet und über die elektrisch leitende Schicht kapazitiv gekoppelt sind.
-
Dadurch, dass die erste und zweite Elektrode zum Schichtmaterial beabstandet sind, wird mit der hier beschriebenen Vorrichtung eine kontaktlose Messung ermöglicht. Dass die Elektroden beabstandet zum Schichtmaterial sind, bedeutet insbesondere, dass die erste und zweite Elektrode mit dem Schichtmaterial nicht in direktem elektrischem Kontakt stehen, so dass jeweils zwischen dem Schichtmaterial und der ersten beziehungsweise der zweiten Elektrode kein direkter Stromfluss möglich ist. Dazu kann zwischen dem Schichtmaterial und der ersten und zweiten Elektrode ein Dielektrikum, insbesondere beispielsweise in Form eines Luftspalts, vorhanden sein. Durch die hier beschriebene Anordnung bilden die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils mit der elektrisch leitenden Schicht, auf der das Schichtmaterial aufgebracht ist, einen ersten beziehungsweise einen zweiten Kondensator, so dass die erste Elektrode, die elektrisch leitende Schicht und die zweite Elektrode zusammen eine kapazitive Reihenschaltung bilden. Insbesondere können die erste und zweite Elektrode mit Vorteil dabei einen Abstand zueinander aufweisen, bei dem die kapazitive Kopplung über die elektrisch leitende Schicht größer als eine direkte kapazitive Kopplung zwischen der ersten und zweiten Elektrode ist.
-
Durch die hier beschriebene Vorrichtung ist mittels der zweiten Elektrode somit eine kapazitive Kopplung an die elektrisch leitende Schicht und damit an die von der ersten Elektrode abgewandte Rückseite des Schichtmaterials möglich. Die hier beschriebene Vorrichtung hat dabei den Vorteil, dass die erste und zweite Elektrode auf derselben Seite des Schichtmaterials angeordnet sind, so dass eine Messung und Charakterisierung nur von dieser einen Seite her möglich ist. Weiterhin kann durch die Anordnung der ersten und zweiten Elektrode über dem Schichtmaterial und die kapazitive Kopplung der Elektroden an die elektrisch leitende Schicht mit Vorteil eine Kompensation möglicher Potentialdriften erreicht werden, die in der nicht direkt kontaktierten und möglicherweise auch nicht kontaktierbaren elektrisch leitenden Schicht auftreten können. Dadurch, dass beide Elektroden nebeneinander und auf derselben Seite des Schichtmaterials angeordnet sind, kann die elektrische Verbindung mit der Messeinrichtung durch eine einfache und störungsresistente Ausführung mit kurzen Kabeln erreicht werden.
-
Nebeneinander und benachbart heißt in Bezug auf die erste und zweite Elektrode insbesondere, dass die erste und zweite Elektrode entlang der Erstreckungsebene der elektrisch leitenden Schicht und des Schichtmaterials angeordnet sind. Die erste und zweite Elektrode können dabei denselben oder einen im Wesentlichen gleichen Abstand zum Schichtmaterial aufweisen.
-
Das Licht absorbierende Schichtmaterial kann ein Schichtmaterial sein, bei dem durch die Lichtabsorption eine Änderung seines elektrischen oder elektronischen Zustands erreicht wird, also etwa eine Potentialänderung, eine Ladungsträgertrennung, eine Erzeugung eines elektrischen Felds, einer Spannung oder eines Stroms oder eine Kombination zweier oder mehrerer der vorgenannten Effekte. Insbesondere kann das Licht absorbierende Schichtmaterial eine oder mehrere halbleitende Schichten umfassen, bei der beziehungsweise bei denen die Absorption von Licht zur Erzeugung von räumlich getrennten Elektronen und Löchern führt, wodurch im Schichtmaterial ein elektrisches Feld hervorgerufen wird. Besonders bevorzugt können die elektrisch leitende Schicht und das Licht absorbierende Schichtmaterial Bestandteile eines als Solarzelle oder Solarpaneel ausgeführten elektrischen Bauteils sein, wie weiter unten ausführlich beschrieben ist. Die zu charakterisierende elektrische Eigenschaft des Licht absorbierenden Schichtmaterials kann dabei eine Fotospannung oder eine Strom-Spannungs-Kennlinie sein, mittels derer die Effizienz und Qualität des Schichtmaterials charakterisiert werden können.
-
Durch die Bestrahlung des ersten Bereichs des Licht absorbierenden Schichtmaterials mittels des Lichts der Lichtquelle wird in der vorab beschriebenen Weise bevorzugt eine räumliche Ladungsträgertrennung von Elektronen und Löchern erzeugt, wodurch sich eine Potentialänderung zwischen der der ersten Elektrode zugewandten Oberseite und der der elektrisch leitenden Schicht zugewandten Unterseite des Schichtmaterials ausbildet. Dabei kann das Licht in seiner Intensität zeitlich verändert, etwa moduliert, werden, so dass die daraus resultierende zeitliche Potentialänderung ein zeitlich variierendes elektrisches Feld im durch die erste Elektrode und die elektrisch leitende Schicht gebildeten ersten Kondensator bewirkt.
-
Insbesondere wird das Licht mittels der Lichtquelle ausschließlich in den ersten Bereich eingestrahlt. Im zweiten Bereich des Schichtmaterials, der sich zwischen der elektrisch leitenden Schicht und der zweiten Elektrode befindet und in den das Licht der Lichtquelle nicht eingestrahlt wird, bildet sich hingegen kein derartiges elektrisches Feld aus. In den durch die erste Elektrode beziehungsweise die zweite Elektrode und die elektrisch leitende Schicht gebildeten Kondensatoren hat die Erzeugung des elektrischen Felds im ersten Kondensator aufgrund der kapazitiven Reihenschaltung der ersten und zweiten Elektrode einen jeweiligen Ladungstransport zu oder von der ersten beziehungsweise zweiten Elektroden und/oder eine Änderung des jeweiligen elektrischen Potentials der ersten und zweiten Elektrode zur Folge, wobei diese Auswirkungen aufgrund der Einstrahlung des Lichts lediglich in den ersten Bereich für die erste und zweite Elektrode unterschiedlich voneinander sind.
-
Die Änderung des elektrischen Zustands der ersten Elektrode im Vergleich zur Änderung des elektrischen Zustands der zweiten Elektrode kann somit die jeweilige Änderung der Ladung auf der ersten beziehungsweise zweiten Elektrode, die an der ersten beziehungsweise zweiten Elektrode anliegende Spannung oder ein Stromfluss sein. Mittels der Messeinrichtung, die mit der ersten und zweiten Elektrode elektrisch verbunden ist, kann diese Änderung gemessen werden.
-
Je nach Ausführung der Messeinrichtung als hoch- oder niedrigohmige Messeinrichtung können die durch das eingestrahlte Licht hervorgerufenen relativen Spannungs-, Strom- oder Ladungsänderungen zwischen der ersten und zweiten Elektrode gemessen und daraus die elektrische Eigenschaft des Schichtmaterials bestimmt werden. Geeignete Messeinrichtungen für solche Messungen wie etwa Differenzverstärker sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht weiter ausgeführt.
-
Beispielsweise kann weiterhin das Licht rechteckförmig zwischen einer maximalen Intensität und einer minimalen Intensität, beispielsweise in Form von Ein- und Ausschalten der Lichtquelle oder Betätigung einer Blende oder eines Verschlusses zwischen der Lichtquelle und dem Schichtmaterial, variiert werden, wobei die zu charakterisierende elektrische Eigenschaft des Schichtmaterials dann aus der zeitlichen relativen Änderung zwischen dem elektrischen Zustand der ersten und der zweiten Elektrode wie etwa Anstiegs- und/oder Abklingzeiten und/oder Maximal- und/oder Minimalwerten einer Spannung oder eines Stroms gewonnen werden kann. Derartige Auswertmethoden sind dem Fachmann bekannt und werden hier nicht weiter ausgeführt. Weiterhin kann auch die maximale Lichtintensität in mehreren Messungen variiert werden. Die Auswertung der zeitlichen Änderung des elektrischen Zustands der ersten Elektroden im Vergleich zum elektrischen Zustand der zweiten Elektrode und deren Verhalten bei verschiedenen maximalen Lichtintensitäten erlaubt somit die Bestimmung der elektrischen Eigenschaft des Schichtmaterials, beispielsweise also deren Fotospannung und/oder Strom-Spannungs-Kennlinie. Die Messeinrichtung kann dazu weitere, zur Auswertung der Messungen geeignete Bauelemente und Merkmale aufweisen.
-
Alternativ oder zusätzlich zur zeitlichen Variation der Intensität des in den ersten Bereich eingestrahlten Lichts können auch der Abstand zwischen der ersten Elektrode und dem Schichtmaterial und/oder die relative Position der ersten Elektrode zum ersten Bereich beispielsweise durch eine Vibrationsbewegung der ersten Elektrode oder der ersten und zweiten Elektrode variiert werden. Hierbei können die erste und zweite Elektrode beispielsweise gemeinsam und fix zueinander relativ zum Schichtmaterial derart variiert werden, dass der abstand zwischen den Elektroden und dem Schichtmaterial variiert wird. Dabei kann das eingestrahlte Licht hinsichtlich seiner Intensität konstant bleiben, sodass die an den durch die Elektroden und das Schichtmaterial jeweils gebildeten Kondensatoren gleich bleibt, wodurch die Fotospannung für die eingestrahlte Lichtintensität leicht bestimmbar ist. Alternativ dazu kann auch die erste Elektrode relativ zur zweiten Elektrode vibriert werden. weiterhin können die erste und/oder die erste und zweite Elektrode gemeinsam entlang der Erstreckungsrichtung des Schichtmaterials bewegt beziehungsweise vibriert werden, wodurch sich ein ähnlicher Effekt wie bei der Variation der Lichtintensität ergeben kann. Die genannten Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Lichtintensität und der Positionsveränderungen der Elektroden sind auch kombinierbar, wodurch sich weitere Auswertmöglichkeiten für elektrische Eigenschaften des Schichtmaterials der dadurch erzielten Messsignale ergeben können.
-
Weiterhin kann die Lichtquelle Licht mit zumindest einem Spektralbereich abstrahlen, der in einem Absorptionsspektrum des Licht absorbierenden Schichtmaterials liegt. Insbesondere kann das Licht monochromatisch oder auch polychromatisch sein. Im letzteren Fall kann das Licht auch ein Emissionsspektrum aufweisen, das das Absorptionsspektrum des Schichtmaterials überdeckt.
-
Weist das Schichtmaterial mehrere Licht absorbierende Schichten mit unterschiedlichen Absorptionsspektren auf, kann das Licht ein Emissionsspektrum aufweisen, das beispielsweise nur oder im überwiegenden Maße von einer der Schichten des Schichtmaterials absorbiert werden kann, so dass nur diese Schicht mittels der Vorrichtung charakterisiert wird. Die Lichtquelle kann auch hinsichtlich seines Spektrums veränderliches Licht abstrahlen, mit dem mehrere Schichten des Schichtmaterials nacheinander getrennt voneinander charakterisierbar sind. Die Lichtquelle kann beispielsweise einen Laser, eine Licht emittierende Diode, eine Halogenlampe mit oder ohne Monochromator oder eine Mehrzahl oder Kombination daraus aufweisen.
-
Das Licht kann in den ersten Bereich von der den Elektroden abgewandten Seite des Schichtmaterials her durch die elektrisch leitende Schicht hindurch eingestrahlt werden, wobei hierbei die elektrisch leitende Schicht transparent ausgeführt ist. Dadurch sind ein einfacher Aufbau der Vorrichtung und eine Elektrodengeometrie der ersten Elektrode unabhängig von der Lichteinstrahlung möglich. Alternativ dazu kann das Licht auch von der den Elektroden zugewandten Seite des Schichtmaterials eingestrahlt werden. Dazu kann die erste Elektrode beispielsweise netzartig, transparent oder mit Öffnungen versehen ausgebildet sein, so dass das Licht die erste Elektrode zumindest teilweise durchstrahlen und so in den ersten Bereich des Schichtmaterials eingestrahlt werden kann.
-
Weiterhin kann die elektrisch leitende Schicht erdfrei („floating”) sein. Dadurch ist es bei der hier beschriebenen Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Messapparaturen nicht nötig, die elektrisch leitende Schicht elektrisch zu kontaktieren oder zu erden. Gerade bei einer großflächigen elektrisch leitenden Schicht, über der das Schichtmaterial ebenfalls großflächig aufgebracht ist, wäre eine derartige im Stand der Technik bekannte und mit der vorliegenden Vorrichtung unnötige Kontaktierung nur mittels eines erheblichen Aufwands oder auch überhaupt nicht möglich. Die hier beschriebene Vorrichtung ist somit zu Charakterisierung einer elektrischen Eigenschaft des Schichtmaterials unabhängig von dessen Aufbau und von der Ausgestaltung weiterer Elemente des elektrischen Bauteils geeignet.
-
Die erste und zweite Elektrode können parallel zur elektrisch leitenden Schicht und zum Schichtmaterial angeordnet sein. Dazu können die erste und zweite Elektrode gleichförmig, beispielsweise streifenförmig, ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die zweite Elektrode ringförmig ausgebildet sein und die erste Elektrode umgeben, die dann beispielsweise kreisförmig ausgebildet sein kann. Alternativ zu den genannten Formen können die erste und/oder die zweite Elektrode kreisförmig, ellipsenförmig, quadratisch, rechteckig oder mehreckig oder als Kombination daraus ausgebildet sein.
-
Die Vorrichtung kann weiterhin einen Transportmechanismus für das elektrische Bauteil aufweisen, mit dem das elektrische Bauteil und insbesondere das zu charakterisierende Schichtmaterial unter der ersten und zweiten Elektrode positioniert werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung auch einen Positionierungsmechanismus für die erste und zweite Elektrode aufweisen, mittels derer die erste und zweite Elektrode über verschiedenen Bereichen des Schichtmaterials positioniert werden können. Weiterhin kann die Vorrichtung auch einen Transportmechanismus für das elektrische Bauteil in einer Richtung und einen Positionierungsmechanismus für die erste und zweite Elektrode entlang einer davon verschiedenen, etwa dazu senkrechten Richtung aufweisen.
-
Weiterhin kann die Vorrichtung auch eine Mehrzahl von ersten und zweiten Elektroden sowie eine entsprechend ausgeführte Lichtquelle und eine entsprechend ausgeführte Messeinrichtung oder auch eine Mehrzahl dieser aufweisen, so dass das Schichtmaterial an mehreren Positionen gleichzeitig charakterisierbar ist. Dazu kann die Vorrichtung beispielsweise als Messbrücke über dem Transportmechanismus ausgeführt sein, mit der das Schichtmaterial dann bereichs- oder zeilenweise charakterisierbar ist.
-
Ein Verfahren zur Charakterisierung einer elektrischen Eigenschaft eines auf einer elektrisch leitenden Schicht abgeschiedenen, Licht absorbierenden Schichtmaterials mittels einer Vorrichtung gemäß einer der vorherigen Ausführungsformen umfasst insbesondere die Schritte
- – Bereitstellen der elektrisch leitenden Schicht mit dem darauf abgeschiedenen Schichtmaterial,
- – Einstrahlung eines Lichts in den ersten Bereich des Schichtmaterials mittels der Lichtquelle, wobei die Intensität des Lichts und/oder der Abstand zwischen der ersten Elektrode und dem Schichtmaterial zeitlich verändert werden,
- – Messung einer lichtabhängigen Änderung eines elektrischen Zustands der ersten Elektrode im Vergleich zur zweiten Elektrode mittels der Messeinrichtung.
-
Das Verfahren kann weiterhin eines oder mehrere im Zusammenhang mit den Ausführungsformen der Vorrichtung genannten Merkmale und/oder Kombinationen von Merkmalen aufweisen.
-
Das mittels der hier beschriebenen Vorrichtung und des hier beschriebenen Verfahrens hinsichtlich seines Licht absorbierenden Schichtmaterials charakterisierbare elektrische Bauteil kann ein elektrisch isolierendes Substrat aufweisen, auf dem die elektrisch leitende Schicht und darüber das Schichtmaterial jeweils großflächig aufgebracht sind. Das elektrische Bauteil kann dabei insbesondere als Solarzelle oder als Solarpaneel oder als Teil davon ausgebildet sein. Eine Solarzelle oder ein Solarpaneel mit einer Mehrzahl von miteinander verschalteten Solarzellen weist beispielsweise auf der als untere Elektrode ausgebildeten elektrisch leitenden Schicht eine so genannte halbleitende p-i-n-Schichtenfolge auf. Das bedeutet, dass auf einem Substrat zuerst eine p-dotierte Schicht, auf dieser eine intrinsische, also undotierte Schicht und auf dieser wiederum eine n-dotierte Schicht aufgewachsen sind. Die p-i-n-Schichtenfolge, die beispielsweise amorphes und/oder mikrokristallines Silizium aufweisen kann, und insbesondere die intrinsische i-Schicht, bilden dabei das Licht absorbierende Schichtmaterial im Sinne der vorliegenden Anmeldung. Weiterhin kann das elektrische Bauteil auch als sogenannte Tandem- oder Mehrfachzelle mit zwei oder mehreren übereinander angeordnete p-i-n-Schichtenfolgen als Licht absorbierendem Schichtmaterial ausgeführt sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Licht absorbierende Schichtmaterial auch einen n-i-p-Schichtaufbau oder andere für Solarzellen geeignete Schichtaufbauten und/oder andere für Solarzellen geeignete Materialien aufweisen.
-
Die elektrisch leitende Schicht kann beispielsweise aus einem transparenten leitfähigen Oxid gebildet sein, das auf dem elektrisch isolierenden Substrat aufgebracht ist. Für großflächige Solarzellen und Solarpaneele mit Flächen von einem Quadratmeter bis zu einigen Quadratmetern ist das elektrisch isolierende Substrat bevorzugt als Glassubstrat ausgebildet. Im Gegensatz zu bekannten Charakterisierungsmethoden ist mit der hier beschriebenen Vorrichtung und dem hier beschriebenen Verfahren eine Charakterisierung des auf dem Glassubstrat aufgebrachten Licht absorbierenden Schichtmaterials möglich.
-
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 3B beschriebenen Ausführungsformen.
-
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
-
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
-
3A und 3B schematische Darstellungen der ersten und zweiten Elektrode gemäß weiteren Ausführungsformen.
-
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
-
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 100 zur Charakterisierung einer elektrischen Eigenschaft eines auf einer elektrisch leitenden Schicht 2 abgeschiedenen, Licht absorbierenden Schichtmaterials 3 eines elektrischen Bauteils 10 gezeigt. In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaft des Licht absorbierenden Schichtmaterials 3 mittels der Vorrichtung 100 gezeigt. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf die 1 und 2.
-
In einem ersten Verfahrensschritt 101, wie in 2 gezeigt, wird das elektrische Bauteil 10 mit der elektrisch leitenden Schicht 2 und dem Licht absorbierenden Schichtmaterial 3 bereitgestellt und in der in 1 gezeigten Position in der Vorrichtung 100 positioniert.
-
Das elektrische Bauteil 10 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Teil einer sich im Produktionsprozess befindlichen, noch nicht fertig gestellten Solarzelle, die beispielsweise als so genannten Tandemsolarzelle mit zwei übereinander angeordneten p-i-n-Schichtenfolgen ausgeführt ist, die beispielsweise amorphe und mikrokristalline Siliziumschichten umfassen. Die Siliziumschichten bilden das Licht absorbierende Schichtmaterial 3, das zusammen mit der elektrisch leitenden Schicht 2 aus einem transparenten leitfähigen Oxid auf einem isolierenden Substrat 1, beispielsweise einem Glassubstrat, aufgebracht ist. Üblicherweise wird zur Herstellung von großflächigen Solarzellen die elektrisch leitende Schicht in Form des transparenten leitfähigen Oxids großflächig auf dem Glassubstrat aufgebracht und anschließend in elektrisch isolierte Teilbereiche in Form von Zellen oder Zellstreifen strukturiert. Das Licht absorbierende Schichtmaterial wird dann anschließen großflächig auf die strukturierte Oxidschicht aufgebracht. Die elektrisch leitende Schicht beziehungsweise die strukturierten Teilbereiche dieser sind somit auf der einen Seite wegen des Glassubstrats und auf der anderen Seite wegen des Schichtmaterials einer direkten elektrischen Kontaktierung nicht zugänglich. Eine direkte elektrische Kontaktierung wäre lediglich dann möglich, wenn das Licht absorbierende Schichtmaterial durchbrochen und somit zumindest in kleinen Teilbereichen zerstört würde. Die hier beschriebene Vorrichtung ermöglicht jedoch eine zerstörungsfreie Messmethode. Durch die relativ große Dicke des Glassubstrats ist weiterhin auch eine kapazitive Kopplung an die Oxidschicht von der Substratseite her technisch kaum möglich.
-
Die im Folgenden beschriebene Vorrichtung ist jedoch nicht auf das gezeigte elektrische Bauteil 10 beschränkt. Alternativ dazu können mittels der Vorrichtung auch andere Licht absorbierende Schichtmaterialien auf elektrisch leitenden Schichten charakterisiert werden.
-
Die Vorrichtung 100 weist eine erste Elektrode 4 auf, die über einem ersten Bereich 5 des Lichts absorbierenden Schichtmaterials 3 angeordnet wird. Zusammen mit der elektrisch leitenden Schicht 2 bildet die erste Elektrode 4 einen ersten Kondensator. Weiterhin weist die Vorrichtung 100 eine zweite Elektrode 6 auf, die über einem zweiten Bereich 7 des Licht absorbierenden Schichtmaterials 3 angeordnet wird und die zusammen mit der elektrisch leitenden Schicht 2 einen zweiten Kondensator bildet. Die erste Elektrode 4, die elektrisch leitende Schicht 2 und die zweite Elektrode 6 bilden damit eine kapazitive Reihenschaltung, wobei die elektrisch leitende Schicht 2 wie im gezeigten Ausführungsbeispiel erdfrei („floating”) sein kann. Potentialdriften der elektrisch leitenden Schicht 2 wirken sich gleichartig auf den ersten und zweiten Kondensator aus und können damit kompensiert werden.
-
Die erste und zweite Elektrode 4, 6 sind beide auf der der elektrisch leitenden Schicht 2 und dem Substrat 1 abgewandten Seite des Schichtmaterials 3 angeordnet, so dass das mit der Vorrichtung 100 durchgeführte Messverfahren unabhängig von der Ausbildung und dem Aufbau des elektrischen Bauteils 10 auf der den Elektroden 4, 6 abgewandten Seite des Schichtmaterials 3 und der elektrisch leitenden Schicht 2 durchgeführt werden kann. Insbesondere kann mittels der hier gezeigten Vorrichtung 100 auch ein Licht absorbierendes Schichtmaterial 3 charakterisiert werden, dass wie im gezeigten Ausführungsbeispiel auf einem elektrisch isolierenden Glassubstrat 1 aufgebracht ist, das aufgrund seiner für die Stabilität erforderlichen großen Dicke eine direkte elektrisch leitende Verbindung wie auch eine kapazitive Kopplung von der Substratseite her an die elektrisch leitende Schicht 2 oder das Schichtmaterial 3 verhindert oder zumindest technisch erheblich erschwert.
-
Die erste und zweite Elektrode 4, 6 werden dabei in unmittelbarer Nähe des zu charakterisierenden Schichtmaterials 3 benachbart zu diesem angeordnet und weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel abhängig vom zu charakterisierenden Bereich des Schichtmaterials 3 jeweils eine Fläche von einem Quadratmillimeter bis zu einem Quadratdezimeter auf, insbesondere beispielsweise von 1 mm2 bis 1 cm2. Dabei sind die erste und zweite Elektrode 4, 6 derart von einander beabstandet, dass die kapazitive Kopplung über die elektrisch leitende Schicht 2 größer ist als eine direkte kapazitive Kopplung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die erste und zweite Elektrode einen Abstand von etwa einem Zentimeter auf.
-
Weiterhin weist die Vorrichtung 100 eine Lichtquelle 8 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise als breitbandige Lichtquelle etwa in Form einer Halogenlampe oder als schmalbandige Lichtquelle etwa in Form eines Lasers ausgeführt ist.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt 102 gemäß 2 strahlt die Lichtquelle 8 Licht 9 ab, wie in 1 durch den gezeigten Pfeil schematisch angeordnet ist, wobei das Spektrum des Lichts 9 zumindest teilweise das Absorptionsspektrum des Licht absorbierenden Schichtmaterials 3 überdeckt. Das Licht 9 wird moduliert und nur in den ersten Bereich 5 der Schichtmaterials 3 eingestrahlt, wodurch sich in der im allgemeinen Teil beschriebenen Weise eine Potentialänderung im ersten Bereich 5 des Schichtmaterials 3 ausbildet. Die Potentialänderung bewirkt ein elektrisches Feld im durch die erste Elektrode 4 und die elektrisch leitende Schicht 2 gebildeten ersten Kondensator, durch das der elektrische Zustand der ersten Elektrode 4 im Vergleich zur zweiten Elektrode 6 in unterschiedlicher Weise geändert wird, da ein unterschiedlicher Ladungstransport auf die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 6 beziehungsweise unterschiedliche Potentialänderungen der ersten und zweiten Elektrode bewirkt werden.
-
Die Vorrichtung 100 weist weiterhin eine Messeinrichtung 11 auf, die mit der ersten und zweiten Elektrode 4, 6 verbunden ist und die die voneinander unterschiedlichen Änderungen des elektrischen Zustands der ersten und der zweiten Elektrode 4, 6 beispielsweise durch eine Messung der jeweiligen Änderungen der Ladungsmenge, des Stroms oder der Spannung in einem weiteren Verfahrensschritt 103 gemäß 2 messen kann.
-
Die Auswertung des Zeitverhaltens des Stroms oder der Spannung und deren Verhalten bei verschiedenen Lichtintensitäten erlaubt die Bestimmung der zu charakterisierenden elektrischen Eigenschaft wie etwa der Fotospannung und/oder der Strom-Spannungs-Kennlinie wie bei bekannten Messmethoden.
-
Alternativ oder zusätzlich zu einer Variation der Intensität des in den ersten Bereich 5 eingestrahlten Lichts 9 im Verfahrensschritt 102 kann durch einen geeigneten Positionierungsmechanismus auch eine zeitliche Variation der Position der ersten Elektrode 4 oder der ersten und zweiten Elektrode 4, 6 relativ zum ersten Bereich 5 erzeugt werden, beispielsweise durch eine Vibrationsbewegung der ersten Elektrode 4 beziehungsweise der ersten und zweiten Elektrode 4, 6, mit der der Abstand zum Licht absorbierenden Schichtmaterial 3 variiert wird. Weiterhin sind auch Variationsmöglichkeiten der Positionen der ersten und zweiten Elektrode gemeinsam oder gegeneinander sowie Kombinationen dieser mit einer Variation der Lichtintensität möglich, wie im allgemeinen Teil beschrieben ist.
-
Die Vorrichtung 100 gemäß 1 kann weiterhin auch einen Transportmechanismus (nicht gezeigt) aufweisen, mit dem das elektrische Bauteil 10 transportiert und positioniert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung auch einen Positionierungsmechanismus (nicht gezeigt) für die erste und zweite Elektrode 4, 6 aufweisen, mittels derer die erste und zweite Elektrode 4, 6 über verschiedenen Bereichen des Schichtmaterials 3 positioniert werden können. Darüber hinaus kann die Vorrichtung beispielsweise auch einen Transportmechanismus für das elektrische Bauteil entlang einer ersten Richtung und einen Positionierungsmechanismus für die erste und zweite Elektrode 4, 6 entlang einer davon verschiedenen, etwa dazu senkrechten zweiten Richtung aufweisen.
-
Darüber hinaus kann die Vorrichtung 100 auch eine Mehrzahl von ersten und zweiten Elektroden aufweisen (nicht gezeigt), mit denen jeweils paarweise verschiedene Bereiche des Licht absorbierenden Schichtmaterials charakterisiert werden können.
-
Weiterhin können die Vorrichtung 100 gemäß 1 und das Verfahren gemäß 2 weitere oder alternative Merkmale und Ausführungsformen wie im allgemeinen Teil beschrieben aufweisen.
-
In den 3A und 3B sind zwei Ausführungsbeispiele für die erste und zweite Elektrode 4, 6 gezeigt.
-
In 3A sind die erste und zweite Elektrode 4, 6 streifenförmig ausgebildet und nebeneinander angeordnet. Eine derartige Ausführung erlaubt eine insbesondere auch bei einer Vorrichtung mit einer Mehrzahl von ersten und zweiten Elektroden 4, 6 in Form einer Messbrücke eine abwechselnde Anordnung der ersten und zweiten Elektroden.
-
In 3B ist die erste Elektrode 4 kreisförmig ausgebildet, während die zweite Elektrode 6 ringförmig ausgeführt ist und die erste Elektrode 4 umgibt. Eine derartige Anordnung der ersten und zweiten Elektrode 4, 6 ist besonders platzsparend.
-
Die erste und zweite Elektrode 4, 6 weisen dabei in den gezeigten Ausführungsbeispielen einen Abstand zueinander auf, bei dem die kapazitive Kopplung über die elektrisch leitende Schicht 2 größer als eine direkte kapazitive Kopplung ist.
-
Alternativ zu den gezeigten Formen der Elektroden können diese entsprechend der Form und Größe der zu charakterisierenden Bereiche des Licht absorbierenden Schichtmaterials und entsprechend der geometrischen Gegebenheiten der Umgebung der Vorrichtung auch jeweils kreisförmig, elliptisch, quadratisch, rechteckig, mehreckig oder als Kombination der genannten Formen ausgebildet sein.
-
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Substrat
- 2
- elektrisch leitende Schicht
- 3
- Schichtmaterial
- 4
- erste Elektrode
- 5
- erster Bereich
- 6
- zweite Elektrode
- 7
- zweiter Bereich
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Licht
- 10
- elektrisches Bauteil
- 11
- Messeinrichtung
- 100
- Vorrichtung
- 101, 102, 103
- Verfahrensschritt
