Es ist bekannt, die Homogenität des Stromflusses
in Halbleiterbauelementen durch Thermografie-Verfahren zu untersuchen,
mit denen lokale Temperaturüberhöhungen im
Halbleiterbauelement erfasst werden können. Diese lokalen Temperaturüberhöhungen sind
ein Maß für die lokale
Stromdichte, die wiederum Hinweise auf Verlustströme bzw.
die lokale Verlustleistung liefert.
So ist aus der
DE 44 40 167 A1 ein Verfahren
zur Messung der lateralen Stromverteilung in Solarzellen und anderen
Halbleiterbauelementen bekannt, bei dem eine strominduzierte lokale
Modulation der Probentemperatur gemessen und daraus eine lokale
Verteilung von Verlustströmen
bzw. Verlustleistung abgeleitet wird. Die Halbleiterbauelemente
werden hierbei im Dunkeln einer periodisch modulierten oder einer
impulsförmigen Strombelastung
ausgesetzt und die sich aufgrund dieser Strombelastung ergebende
lokale Erwärmung
gemessen. Die Temperaturmessung erfolgt entweder durch sequentielle
lokale Abrasterung über
eine Kontaktmessung oder durch Erstellung eines Infrarot-Thermografiebildes.
Eine Verbesserung der Messgenauigkeit lässt sich bei diesem Verfahren
bei einer periodischen Strombelastung mittels eines Lock-In-Verfahrens erreichen.
Im Falle von optisch sensitiven Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise
Solarzellen, wird die Modulation der Temperatur bei diesem Verfahren
durch die externe Leistungseinkopplung über einen äußeren Stromkreis hervorgerufen,
so dass sich deutliche Unterschiede zum Verhalten dieses Halbleiterbauelements unter
realen Betriebsbedingungen ergeben können.
Aus der
DE 198 14 978 A1 sind ein
Verfahren sowie eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff der vorliegenden Patentansprüche
1 bzw.
21 bekannt. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die
zeitlichen Temperaturänderungen
im Halbleiterbauelement strominduziert herbeigeführt werden. Die Solarzelle
wird hierzu in einen äußeren Leiterkreis
mit einer definierten Last sowie einer Schalteinheit eingebunden.
Durch periodisches Öffnen
und Schließen
des Leiterkreises mittels der Schalteinheit wird die gleichzeitig
von einem Argonionenlaser belichtete Solarzelle an die Last geschaltet
bzw. von der Last getrennt. Durch dieses Öffnen und Schließen des
Leiterkreises und der damit verbundenen periodischen Stromänderung
werden Temperaturänderungen
im Halbleiterbauelement induziert, die mittels einer Infrarot-Kamera
erfasst werden. Der Argonionenlaser wird hierbei nur als Bias-Beleuchtung
verwendet. Auch bei diesem Verfahren bleibt somit offen, ob die unter
diesen Bedingungen ermittelte lokale Verteilung von Verlustströmen bzw.
Verlustleistung den unter realen Betriebsbedingungen auftretenden
Verluststrom- und Verlustleistungs-Verteilungen entspricht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren
sowie eine Anordnung anzugeben, die eine Bestimmung der lokalen
Verteilung von Verlustströmen bzw.
Verlustleistungen in Halbleiterbauelementen, insbesondere in optisch
sensitiven Halbleiterbauelementen wie Solarzellen oder Fotodioden,
ermöglichen,
die der unter realen Betriebsbedingungen auftretenden Verteilung
möglichst
gut entspricht.
Darstellung der Erfindung Die Aufgabe
wird mit dem Verfahren sowie der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw.
21 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung
sind Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
Beim vorliegenden Verfahren zur Bestimmung
der lokalen Verteilung von Verlustströmen bzw. Verlustleistung in
Halbleiterbauelementen werden in bekannter Weise lokale zeitliche
Temperaturänderungen
im Halbleiterbauelement erfasst und ausgewertet, um die lokale Verteilung
der Verlustströme
bzw. Verlustleistung zu bestimmen. Die Temperaturänderungen
im Halbleiterbauelement werden jedoch, im Gegensatz zu den bekannten
Verfahren des Standes der Technik, durch Bestrahlung des Halbleiterbauelementes
mit elektromagnetischer Strahlung induziert, deren Intensität und/oder
spektrale Zusammensetzung mit einer definierten Zeitfunktion moduliert
wird. Mit diesem Verfahren sowie der zugehörigen Anordnung werden somit
lichtinduzierte, anstelle von strom- bzw. spannungsinduzierten Temperaturerhöhungen untersucht,
die es ermöglichen,
die in den Halbleiterbauelementen auftretenden Verluste unter realen
Betriebsbedingungen zu bestimmen.
Die durch lokale Verlustströme bzw.
Verlustleistung im Halbleiterbauelement hervorgerufenen lokalen Temperaturüberhöhungen können hierbei
in bekannter Weise entweder in einem abrasternden Verfahren mit Hilfe
einer lokalen Kontaktmessung mittels eines Temperatursensors oder
kontaktlos in einem bildgebenden Verfahren mit Hilfe einer Wärmebildkamera
erfasst werden. Die Messung kann hierbei durch Aufnahme und Subtraktion
von Temperaturverteilungen erfolgen, die zu unterschiedlichen Bestrahlungssituationen,
d.h. unterschiedlichen Intensitäten
oder unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung,
gehören.
Als elektromagnetische Strahlung wird hierbei vorzugsweise optische
Strahlung eingesetzt, die vom IR- bis weit in den UV-Bereich reichen
kann. Durch pulsartige Anregung und Aufnahme mehrerer Bilder sowie
der Verwendung einer geeigneten Korrelationsfunktion oder durch
Anwendung eines Lock-In-Verfahrens bei periodischer Modulation zur
Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses lassen sich gute Messergebnisse
erzielen. Mit Hilfe des Lock-In-Verfahrens
sind Temperaturauflösungen
bis deutlich unterhalb von 100 μK
erzielbar.
In einer Weiterbildung des vorliegenden
Verfahrens kann das Halbleiterbauelement auch an einen äußeren Stromkreis
angeschlossen werden, um verschiedene Betriebszustände des
Halbleiterbauelements lichtinduziert untersuchen zu können. Die
für den
Einsatz von Solarzellen interessierenden Betriebszustände sind
insbesondere der Punkt maximaler Leistung (MPP), an dem die örtliche
Verteilung der Leistungsverluste einer Solarzelle unter realen Betriebsbedingungen
bestimmt werden kann, sowie VOC (Leerlaufspannung)
und Kurzschluss. Weiterhin ist es bei dieser Ausgestaltung möglich, durch
Messung der örtlichen
Spannungsabhängigkeit
der Leistungsverluste weitere Rückschlüsse bezüglich der
elektrischen und/oder materialspezifischen Ursachen der Leistungsverluste
zu ziehen. Auch bei diesem Betrieb der Solarzelle in dem äußeren Stromkreis
wird die wesentliche Messgröße des vorliegenden
Verfahrens, der lokale zeitliche Temperaturunterschied bzw. die
lokale zeitliche Temperaturänderung,
durch eine geeignete zeitliche Variation der Intensität und/oder
der Wellenlänge
der einfallenden elektromagnetischen Strahlung herbeigeführt. Der äußere Stromkreis
dient lediglich der Vorgabe der gewünschten Biasspannung, bei der
die Verlustströme
des Halbleiterbauelements untersucht werden sollen, nicht jedoch
als Quelle der gewünschten
Temperaturänderung.
Wird beispielsweise bei der Untersuchung einer Solarzelle VMPP als Biasspannung eingestellt, so wird
ein Wärmebild erhalten,
das einem ortsaufgelösten
Bild der Leistungsverluste der Solarzelle unter normalen Betriebsbedingungen
entspricht. Wird die Solarzelle kurzgeschlossen, so treten Serienwiderstandsverluste
in den Vordergrund, unter Voc-Bedingungen
hingegen Verlustströme,
die durch Rekombination im Halbleiterbauelement verursacht werden.
Bei einer Variation der Wellenlänge bzw.
der spektralen Zusammensetzung der Strahlung anstelle der Intensität ist zusätzlich eine
ortsaufgelöste
Untersuchung der Diffusionslänge
der Überschussladungsträger im Halbleiterbauelement
möglich.
Weiterhin ermöglicht
die Variation der Wellenlänge
bzw. der spektralen Zusammensetzung, wie auch die Variation der
Intensität,
eine Identifikation von örtlichen
Bereichen, die über
die erhöhte
Querleitfähigkeit
einer hochdotierten Schicht, beispielsweise des Emitters in Solarzellen,
bzw. einer auf das Halbleiterbauelement aufgebrachten Metallisierung
Ladungsträger
aus anderen Bereichen des Bauelements abziehen und zur Rekombination
bringen.
Hierbei wird ausgenutzt, dass unterschiedliche
Wellenlängen
der elektromagnetischen Strahlung unterschiedlich tief in das Halbleiterbauelement
eindringen, so dass bei geringer Eindringtiefe eine größere Dichte
an Ladungsträgern
im Oberflächenbereich
erzeugt wird als bei einer höheren
Eindringtiefe. Durch mehrere Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen der
einfallenden Strahlung lassen sich auf diese Weise die genannten
Informationen gewinnen.
Beim vorliegenden Verfahren werden
die Ströme
im Halbleiterbauelement, die zu Leistungsverlusten und damit lokalen
Temperaturerhöhungen
im Halbleiterbauelement beitragen, vorzugsweise mit optischer Strahlung
erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels einer
Last eine Biasspannung in Abhängigkeit
von der Beleuchtungsintensität
eingestellt oder mittels eines Lastreglers von außen eine
Biasspannung vorgegeben. Die Temperaturänderungen werden hierbei zwischen
einem ersten Zustand gemessen, bei dem das Halbleiterbauelement
im beleuchteten Zustand mit Biasspannung betrieben wird, und einem
zweiten Zustand, bei dem das Bauelement unbeleuchtet und ohne Biasspannung
gehalten wird. Die Differenzbildung, die schließlich zu einem Thermografiebild
führt,
findet zwischen den Temperaturverteilungen dieser beiden Zustände statt.
Bei letzterem Zustand handelt es sich um das korrekte Referenzniveau
für Messungen
von optisch empfindlichen Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise
Fotodioden oder Solarzellen, da dieser Zustand dem in keiner Weise
belasteten Zustand des Bauelements im thermischen Gleichgewicht
mit der Umgebung entspricht. Ersterer Zustand stellt hingegen den
typischen Betriebszustand des Bauelements dar, d. h. es liegt annähernd DC-Beleuchtung vor und
das Bauelement wird annähernd
DC (d.h. Periodendauer >> Ladungsträgerlebensdauer)
bei einer vom Benutzer zu bestimmenden Biasspannung betrieben. Somit
können für die eingestellte
Betriebsspannung Strom- und damit Leistungsverluste unter realen
Betriebsbedingungen extrahiert werden. Im Gegensatz dazu wird bei
dem in der Beschreibungseinleitung genannten Verfahren der
DE 198 14 978 A1 zwar
ebenfalls unter Beleuchtung gemessen, jedoch werden durch die Variation
der Biasspannung anstelle der Variation der Beleuchtung zwei verschiedene
beleuchtete Betriebszustände
miteinander verglichen und nicht ein beleuchteter Betriebszustand
mit einem unbelasteten Referenzzustand. Das in der
DE 44 40 167 A1 beschriebene
Verfahren misst zwar gegen den korrekten Referenzzustand, jedoch
ist der belastete Zustand ein unbeleuchteter Zustand, in dem die
Leistungsverluste ausschließlich
durch eine Strombelastung erreicht werden. Es wird somit bei dieser
Druckschrift ein Zustand auf der Dunkelkennlinie des Bauelements
untersucht, der nicht dem typischen Betriebszustand des Bauelements
entspricht. Dunkel- und Hellstrompfade und somit auch die Summe
und örtliche
Verteilung der auftretenden Leistungsverluste, beispielsweise in
einer Solarzelle, können
sich jedoch aufgrund diverser Effekte erheblich unterscheiden. Das
vorliegende Verfahren ermöglicht
in Kombination mit dem Verfahren der
DE 44 40 167 A1 hierbei auch, die bisher nur
theoretisch beschriebenen und integral gemessenen Unterschiede zwischen
Hell- und Dunkelstrompfaden ortsaufgelöst experimentell zu bestimmen.
Wird ein Halbleiterbauelement mit
dem vorliegenden Verfahren thermografisch vermessen, so entsteht
ein Bild der lokalen Temperaturänderungen
im eingestellten Betriebszustand. Wird diese Messung vorteilhaft
mit Hilfe von Lock-In-Thermografie durchgeführt, so kann eine quantitative
Auswertung am besten mit Hilfe des –90°-Phasenbildes durchgeführt werden.
Hierbei kann ein Verfahren eingesetzt werden, wie es beispielsweise
aus O. Breitenstein, M. Langenkamp, 2
nd World
Conference PVSEC, Wien, Juli 1998 bekannt ist. Hierbei wird die
Verlustleistung in einem bestimmten Flächenausschnitt des Thermografiebildes
dadurch bestimmt, dass das -90°-Phasenbild über der
interessierenden Fläche
A integriert wird:
wobei
P der in der Fläche
dissipierten Leistung, d der Probendicke, c der Wärmekapazität, p der
Dichte, w der Kreisfrequenz der Lock-In-Messung und <T
–90°> dem Mittelwert der
Amplitude des -90°-Phasenbildes über der Fläche A entsprechen.
Für die
Gültigkeit
dieses Verfahrens ist es jedoch wichtig zu beachten, dass die Fläche A so
groß gewählt wird,
dass alle in ihr enthaltenen Wärmequellen
mindestens 1,6 mal die thermische Diffusionslänge A vom Rand der Fläche entfernt
liegen, wobei
mit λ als thermischer Leitfähigkeit
und f als Frequenz der Lock-In-Messung.
Eine zweite vorteilhafte Auswertemethode
für mit
einem Lock-In-Verfahren erhaltene Thermografiebilder beim vorliegenden
Verfahren ist die volle zweidimensionale Modellierung der ihnen
zugrundeliegenden Leistungsverlustbilder, beispielsweise mit Hilfe
des so genannten Inverse Modelling. Derartige Verfahren sind aus
vielen Bereichen von Naturwissenschaft und Technik bekannt. Sie
beruhen auf dem Grundgedanken, für ein
System, bei dem die Wirkung von Variationen in Ausgangsgrößen, hier
zweidimensionale Leistungsverlustkarten, auf die Messgrößen, hier
zweidimensionale Temperaturdifferenzverteilungen der Lock-In-Messung,
bekannt und leicht berechenbar sind, hypothetische Messgrößen aus
einer ersten Verteilung der Ausgangsgrößen zu berechnen und dann aufgrund
der Differenz zwischen den realen und den modellierten Messgrößen eine
Korrektur auf die Verteilung der Ausgangsgrößen zu berechnen. Dieses Verfahren
wird solange iterativ wiederholt, bis die modellierten und gemessenen
Größen innerhalb
vorgegebener Fehlergrenzen gleich sind.
Derartige Auswerteverfahren sind
in vielen Fällen
erforderlich, da die gemessenen Temperaturverteilungen aufgrund
der Wärmeleitfähigkeit
und anderer Effekte im Halbleiterbauelement nicht identisch der
Verteilung der lokalen Verlustströme bzw. Verlustleistung entsprechen.
Auf den Ort und die Ausdehnung dieser Verlustströme bzw. lokalen Verlustleistung
muss vielmehr unter Berücksichtigung
der physikalischen Gesetzmäßigkeiten zurückgerechnet
werden. Die mit einem derartigen Auswerteverfahren erhaltenen Leistungsverlustbilder
können
beim vorliegenden Verfahren bzw. mit der vorliegenden Anordnung
für verschiedene
Betriebszustände,
d.h. unter verschiedener Last, des beleuchteten Halbleiterbauelements
erzeugt werden. In Abhängigkeit
vom gewählten
Betriebszustand können
daraus Rückschlüsse auf
Verlustmechanismen im Bauelement gezogen werden, insbesondere – jedoch
nicht ausschließlich – über Serien-
(RS) oder Parallelwiderstände (RP) sowie Rekombinationsströme.
In einer Alternative des vorliegenden
Verfahrens wird die spektrale Zusammensetzung, bei monochromatischem
Licht die Wellenlänge,
der Generationsbeleuchtung anstelle ihrer Intensität zeitlich
variiert. Eine mögliche
einfache Realisation einer solchen Verfahrensalternative ist die
Lock-In-Thermografie, bei der in den beiden Periodenhälften der
periodischen Modulation zwei Laser unterschiedlicher Wellenlänge das
Halbleiterbauelement mit gleicher Intensität im Sinne einer gleichen Generationsrate
im Halbleiter beleuchten. Wird der Spektralbereich, über den
diese Variation erfolgt, so gewählt,
dass in ihm die IQE (interne Quanteneffizienz) erheblich variiert,
so sollte sich eine Variation der lokalen Verteilung der Erwärmung des
Halbleiters ergeben. Es ergeben sich somit Bereiche positiver und
negativer Temperaturänderung.
Wird eine Änderung
von Spektralbereichen hoher IQE hin zu Spektralbereichen niedriger
IQE durchgeführt,
so wird in letzerem Zustand ein größerer Teil der generierten
Ladungsträger
am selben Ort rekombiniert, an dem sie auch erzeugt wurden. Unter
dem selben Ort ist hierbei stets eine Umgebung in der Größe einer
Diffusionslänge
der Minoritätsladungsträger zu verstehen.
Dies führt
dazu, dass die Temperaturerhöhung
homogener erfolgt, als im Fall einer Spektralbereichswahl, die zu
großer
IQE führt.
Dadurch führen
in dem auf diese Weise gewonnenen Thermografiebild einer Solarzelle
Bereiche, in denen die meisten Ladungsträger in den Emitter abgezogen
werden, zu einem positiven Signal, wohingegen Bereiche, in denen
aufgrund von Querleitung im Emitter und der Metallisierung mehr
Ladungsträger
rekombinieren als generiert werden, in diesem Messmodus zu negativen
Thermografiesignalen führen.
Mit dieser Verfahrensalternative kann daher zum Beispiel ein unmittelbares
Bild davon erhalten werden, welche Bereiche des Halbleiterbauelements
zur Stromproduktion in einer Solarzelle beitragen und welche Bereiche
das absolute Solarzellenergebnis verschlechtern, indem sie Ladungsträger, die
in anderen Bereichen generiert wurden, rekombinieren. Die Größe des Thermografie-Signals ist in diesem
Modus ferner von der Steigung des IQE(λ)-Signals abhängig, so
dass bei geschickter Wahl des Spektralbereiches, über den
die Lock-In-Messung erfolgt, auch eine Auswertung des Thermografie-Signals
in Bezug auf Diffusionslängen
in Anlehnung an die Auswertemethoden von SR-LBIC-Messungen möglich erscheint,
wie sie beispielsweise aus P.A. Basore, 23rd IEEE
PVSC, Louisville, Mai 1993 oder J. Isenberg et al., 29th IEEE
PVSC, New Orleans, Mai 2002 (in print) bekannt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens wird das Halbleiterbauelement mit zumindest
einem Strahlungsimpuls einer definierten Impulsdauer oder eines
definierten Intensitäts-Zeit-Verlaufs beaufschlagt.
Selbstverständlich
können
in gleicher Weise auch mehrere derartiger Strahlungspulse in zeitlicher
Abfolge in das Halbleiterbauelement eingestrahlt werden. Die Temperaturänderungen werden
dann durch Messen von zumindest zwei Temperaturverteilungen erfasst
und ausgewertet, die sich zeitlich unmittelbar vor oder im Anfangsbereich
der Leistungseinkopplung und unmittelbar nach oder im Endbereich
der Leistungseinkopplung durch den eintreffenden Strahlungspuls
im Halbleiterbauelement einstellen. Die Temperaturverteilungen werden
jeweils bezüglich
des gleichen Ortes subtrahiert, um die lokalen zeitlichen Temperaturänderungen
zu erhalten, die anschließend
entsprechend ausgewertet werden, wie beispielsweise in einem der
vorangehenden Abschnitte erläutert,
um die lokale Verteilung der Verlustströme bzw. Verlustleistung zu
erhalten. Bei der Einkopplung mehrerer derartiger Strahlungspulse
in zeitlicher Abfolge kann durch mehrfache Erfassung dieser Temperaturänderung
bezüglich
der gleichen zeitlichen Messpositionen relativ zum Strahlungspuls
die Messgenauigkeit durch Mittelwertbildung erhöht werden.
Vorzugsweise werden mehr als zwei
Temperaturverteilungen pro Strahlungspuls erfasst. Die weiteren Temperaturverteilungen
können
beispielsweise in gleichen zeitlichen Abständen über die ganze Periode verteilt
gemessen werden. Durch Verknüpfung
dieser mehreren Messungen bzw. Temperaturverteilungen mit einer
geeigneten Korrelationsfunktion lässt sich auf diese Weise die
lokale Verteilung der Verlustströme
bzw. Verlustleistung ermitteln.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung
des vorliegenden Verfahrens erfolgt die Modulation der Intensität und/oder
spektralen Zusammensetzung der Strahlung periodisch, wobei dann
die Temperaturänderungen
vorzugsweise unter Einsatz eines Lock-In-Verfahrens erfasst werden. Während die
Erzeugung von Strahlungspulsen bereits durch Einsatz eines gepulsten
Lasers oder einer Blitzlampe realisiert werden kann, kann die periodische
zeitliche Modulation beispielsweise mit einem Chopper-Rad, das in
den Strahlengang zwischen der Beleuchtungsquelle und dem Halbleiterbauelement
eingebracht wird, oder mit einer gechoppten cw-Laserdiode durchgeführt werden. Hierbei erfolgt
die Modulation vorzugsweise mit einer rechteckförmigen Zeitfunktion, die eine
einfache Auswertung sowie Ansteuerung der Einrichtung zur Aufnahme
der Temperaturverteilung in fester Phasenbeziehung zur periodischen
Modulation ermöglicht.
Selbstverständlich
lassen sich jedoch auch andere, nicht rechteckförmige Zeitfunktionen einsetzen.
Die vorliegende Anordnung zur Durchführung des
Verfahrens besteht aus einer Halterung für das Halbleiterbauelement,
einer Messeinrichtung zur Erfassung von Temperaturänderungen
im Halbleiterbauelement, einer Bestrahlungseinrichtung zur Beaufschlagung
des Halbleiterbauelements mit elektromagnetischer Strahlung, einer
Steuereinrichtung und einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung der
erfassten Temperaturänderungen.
Die Steuereinrichtung ist zur Ansteuerung der Bestrahlungseinrichtung
oder einer dieser Bestrahlungseinrichtung vorgeschalteten Modulationseinrichtung
für eine Modulation
der Intensität
und/oder spektralen Zusammensetzung der Strahlung mit der definierten
Zeitfunktion ausgebildet. Die Steuereinrichtung kann hierbei von
der Messeinrichtung ein Taktsignal zur Ansteuerung der Bestrahlungseinrichtung
bzw. Modulationseinrichtung erhalten, das einen Master-Trigger darstellt.
Weiterhin kann die Steuereinrichtung auch zur Ansteuerung der Messeinrichtung
für die
Erfassung der lokalen zeitlichen Temperaturänderungen im Halbleiterbauelement
in Abhängigkeit
von der definierten Zeitfunktion ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist zusätzlich ein
Stromkreis mit einer regelbaren Last und/oder einer regelbaren elektrischen
Spannung vorgesehen, die ebenfalls von der Steuereinrichtung angesteuert
werden. Auch der Einsatz eines festen Widerstandes als Last ist
selbstverständlich
möglich.
Die Steuereinrichtung und die Auswerteeinrichtung sind in unterschiedlichen
Ausführungsformen
jeweils zur Durchführung
der unterschiedlichen Ausführungsformen
des vorangehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend
anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens
nochmals kurz erläutert.
Hierbei zeigen:
1 ein
Beispiel für
den schematischen Aufbau einer möglichen
Ausgestaltung der vorliegenden Messanordnung;
2 unterschiedliche
Beispiele des zeitlichen Verlaufs der Beleuchtung sowie der Last
beim vorliegenden Verfahren; und
3 ein
Beispiel für
eine mit dem Verfahren erfasste zweidimensionale Temperaturänderung
im Halbleiterbauelement.
Wege zur Ausführung der
Erfindung
1 zeigt
stark schematisiert einen möglichen
Aufbau der vorliegenden Anordnung zur Bestimmung der lokalen Verteilung
von Verlustströmen
bzw. Verlustleistung in Halbleiterbauelementen. Die Anordnung umfasst
eine Halterung 1 für
das Halbleiterbauelement 2, im vorliegenden Fall eine Solarzelle,
eine Beleuchtungseinrichtung 4 zur Beleuchtung des Halbleiterbauelementes 2,
eine Messeinrichtung zur Erfassung von Temperaturänderungen
im Halbleiterbauelement 2, im vorliegenden Beispiel eine
Infrarot-Kamera 3, sowie eine in diesem Beispiel zusammengefasste
Steuer- und Auswerteeinheit 5 zur Ansteuerung der Beleuchtungseinrichtung 4 sowie
der Infrarot-Kamera 3 gemäß bzw. in Abhängigkeit
von einer definierten Zeitfunktion sowie zur Auswertung der von
der Infrarot-Kamera 3 erhaltenen Bilder. Die Solarzelle 2 wird
so auf der als Messblock ausgeführten
Halterung 1 befestigt, dass sie sich frei im Blickfeld
der Infrarot-Kamera 3 befindet. Dabei kann das Halbleiterbauelement 2 adiabatisch
gehaltert sein, sich in thermischem Kontakt mit dem Messblock oder innerhalb
eines Kryostaten befinden. Der Messblock oder Kryostat und damit
das Halbleiterbauelement 2 können wahlweise auf Raumtemperatur
oder auf einer durch eine geeignete Temperatursteuerung einstellbaren Temperatur
gehalten werden.
Die Solarzelle 2 ist vorzugsweise
mit einem äußeren Schaltkreis
verbunden, in dem sich eine Last 7 befindet. Die Solarzelle
kann dabei entweder im Zustand der Offenklemmspannung VOC, des Kurzschlusses ISC oder eines durch die vorzugsweise regelbare
Last 7 wählbaren
Arbeitspunktes der elektrischen Strom-Spannungs-Kennlinie untersucht werden. Die Last 7 kann
prinzipiell aus einem einfachen Widerstand bestehen oder, wie im
vorliegenden Beispiel, in geeigneter Weise manuell oder elektronisch
regelbar sein.
Die Beleuchtungsquelle 4 ist
derart positioniert, dass eine Teilfläche oder die gesamte von der
Kamera 3 sichtbare Oberfläche der Solarzelle 2 homogen
oder mit einer gewählten
Intensitätsverteilung
bestrahlt wird. Die Intensität
der Beleuchtung 4 ist zeitlich variabel und kann beispielsweise
aus einer DC-Beleuchtung mit Chopper-Vorrichtung, einem elektronisch
schaltbaren Laser, einer schaltbaren Anordnung von Leuchtdioden oder
einem Blitzlicht bestehen. Die Beleuchtung 4 ist mit der
Ansteuer- bzw. Auswerteeinheit 5 verbunden, ebenso wie
die Infrarot-Kamera 3. Die Steuer- und Auswerteeinheit 5 steuert
die Beleuchtung 4 zur Beaufschlagung der Solarzelle 2 mit
einer nach einer bestimmten Zeitfunktion modulierten Intensität und die
Infrarot-Kamera 3 zur Aufnahme von Bildern in Abhängigkeit
von dieser Zeitfunktion an, um jeweils Temperaturänderungen
zwischen definierten Beleuchtungszuständen der Solarzelle 2 zu
erfassen. Die Variation der Beleuchtung kann dabei phasengleich
oder mit einer wählbaren
Phase relativ zu einer vorgegebenen Korrelationsfunktion erfolgen.
Durch Verwendung einer einzigen oder
einer Kombination mehrerer geeigneter Beleuchtungsquellen 4 sowie
gegebenenfalls von Filtern können
verschiedene Spektren erzeugt werden, beispielsweise breitbandiges
Weißlicht,
schmalbandiges Laserlicht oder eine Kombination verschiedener schmalbandiger
Laserspektren. Die Infrarot-Kamera 3 nimmt fortlaufend
oder in zeitlichen Abständen
Bilder der zu untersuchenden Probe bzw. eines Ausschnittes daraus
auf. Das Auslösen
und Ansteuern der Kamera 3 und der Beleuchtung 4 erfolgt über die
Steuer- und Auswerteeinheit 5, die optional auch die Last 7 elektronisch
regelt. Die Steuer- und Auswerteeinheit 5 kann beispielsweise
durch einen Rechner in Verbindung mit einem Funktionengenerator
realisiert werden. Die in dieser Steuer- und Auswerteeinheit 5 durchgeführte Auswertung
der aufgenommenen Bilder erfolgt mittels speziell angepasster Algorithmen,
die dem Fachmann bekannt sind bzw. der Fachliteratur entnommen werden
können.
Diese Algorithmen können
auf der Auswertung kurzer Bildfolgen, wie beispielsweise mehrerer
Temperaturverteilungen im Verlauf eines einzelnen Strahlungspulses,
oder der Bearbeitung langer Bildfolgen nach dem Lock-In-Prinzip
basieren.
2 zeigt
hierzu in den Teilabbildungen a und b zwei unterschiedliche Verfahrensvarianten
bei der Variation der Beleuchtung 4. In 2a ist
eine Intensitätsmodulation
der Beleuchtung zu erkennen, durch die die Solarzelle 2 mit
einem einzelnen Strahlungspuls eines bekannten Intensitäts-Zeit-Verlaufs beaufschlagt wird.
In einer ersten Variante werden hierbei lediglich zwei Temperaturverteilungen
zu den Zeitpunkten t1 und t2 von der Infrarot-Kamera 3 aufgezeichnet,
die anschließend
pixelweise voneinander subtrahiert werden, um die lokale Verteilung
der Temperaturänderung
zu erhalten. Bei homogener Leistungseinkopplung ist zum Zeitpunkt
t1 die Temperatur minimal, während
sie zum Zeitpunkt t2 maximal ist. In einer weiteren Variante dieses Verfahrens
werden zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 zu Anfang und Ende der
Leistungseinkopplung weitere Temperaturverteilungen aufgenommen,
die mit den Pfeilen in dieser Abbildung angedeutet sind. Durch eine Korrelation
der hierbei erhaltenen Temperaturverteilungen mit einer geeigneten
Korrelationsfunktion, die ebenfalls der Fachliteratur entnommen
werden kann, lassen sich Informationen über die lokale Verteilung der
Verlustströme
bzw. Verlustleistung in der Solarzelle 2 ableiten.
2b zeigt
eine weitere Verfahrensvariante, bei der die Beleuchtungsintensität mit einer
rechteckigen Zeitfunktion periodisch moduliert wird. Die jeweiligen
Temperaturverteilungen werden hierbei phasenstarr zu dieser Modulation
aufgenommen, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Selbstverständlich ist
jedoch auch ein anderer Phasenversatz der Aufzeichnungszeitpunkte
zur Modulation der Beleuchtung möglich.
Durch Anwendung eines Lock-In-Verfahrens wird eine hohe Temperatursensitivität erreicht.
Bei der Durchführung
der Messung mit Hilfe eines Lock-In-Verfahrens kann die Amplitude
der erfassten lokalen Temperaturmodulation als Maß für die lokale
Erwärmung
und somit die lokalen Verlustströme
bzw. Verlustleistungen herangezogen werden.
In einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens, bei dem die Solarzelle 2 in
einem äußeren Stromkreis
mit einer regelbaren Last 7 oder einer regelbaren Spannungsquelle
angeordnet ist, wird dieser Stromkreis während Zeiten der Nichtbeleuchtung
geöffnet.
In Zeitabschnitten, bei denen die Solarzelle 2 beleuchtet
wird, wird diese Last 7 bzw. Spannung wieder an die Solarzelle 2 angelegt.
Dies ist schematisch anhand der 2c zu
erkennen, die in zeitlichem Bezug zur 2b zu
sehen ist. Bei dieser Betriebsweise wird eine lokale Verteilung
von Verlustströmen
bzw. Verlustleistung in der Solarzelle 2 erfasst, die den realen
Betriebsbedingungen am nächsten
kommt .
Grundsätzlich lassen sich mit Hilfe
des äußeren Schaltkreises
mit der Last 7 unterschiedliche Messungen durchführen. Wird
die Solarzelle 2 durch den äußeren Stromkreis kurzgeschlossen,
d.h. wird unter Kurzschlussbedingungen (ISC)
gemessen, so werden die meisten durch die Beleuchtung generierten
Elektronen aufgrund der relativ guten IQE (interne Quanteneffizienz)
im Wellenlängenbereich
um die 700 bis 900 nm durch den Emitter und die Metallisierung der
Solarzelle in den äußeren Stromkreis
abgeführt.
Aufgrund der erheblichen, durch die Metallisierung fließenden Ströme treten
in diesem Betriebszustand Serienwiderstandsverluste verstärkt gegenüber rekombinativen
Verlusten hervor. Durch eine Wellenlängen-abhängige Messung, bei der die
Wellenlänge
der Beleuchtung 4 zwischen einem Bereich hoher IQE(λ) und niedriger
IQE(λ) variiert
wird, können
rekombinative Verlustprozesse und Serienwiderstandsverluste unterschieden
werden. Die rekombinativen Verluste nehmen zu, wenn sich die Wellenlänge hin
zu einer kleinen IQE(λ) ändert, wohingegen
sich die Serienwiderstandsverluste aufgrund der geringer werdenden
Ströme
verringern.
Wird die Solarzelle unter VOC-Bedingungen betrieben, also bei abgekoppeltem
oder offenem äußeren Stromkreis,
so treten Serienwiderstandsverluste in den Hintergrund, da nur relativ
geringe Ströme
durch die Metallisierung und den Emitter fließen, um den Potentialdifferenzen
zwischen guten und schlechten Bereichen einer Solarzelle Rechnung
zu tragen. In diesem Betriebszustand treten rekombinative Verluste
und zu einem gewissen Maß auch
ohmsche Shunts in den Vordergrund, da mit Hilfe dieser beiden Mechanismen
alle generierten Ladungsträger
wieder zur Rekombination und damit zur Abgabe der aufgenommenen
Energie gebracht werden müssen.
In diesem Zustand treten beispielsweise Korngrenzen der Solarzelle
als rekombinationsaktive Zentren klar hervor. Auch der Unterschied
zwischen Hell- und Dunkelstrompfaden wird in diesem Zustand besonders
deutlich. Ein Beispiel für
ein in diesem Betriebszustand erhaltenes Thermografie-Bild der Temperaturänderungen
zwischen dem unbeleuchteten und dem beleuchteten Zustand ist in 3 dargestellt.
Diese Figur zeigt ein 0°-Thermografie-Bild
6 einer industriellen 125 × 125
qmm Solarzelle. Die Messung wurde bei einer periodischen 100-Modulation
der Beleuchtung, im vorliegenden Fall einer Laserdiode mit einer
Wellenlänge
von 917 nm, durchgeführt.
Die Messzeit betrug 860 Sekunden bei einer Lock-In-Frequenz von
35 Hz unter VOC-Bedingungen. Man sieht deutlich,
dass die Kornstruktur und damit auch die Korngrenzen als Rekombinationszentren
klar hervortreten. Die beiden hellen, breiten weißen Linien
stammen von der Kontaktierung.
Wird die Solarzelle mit einer Last
betrieben, die gerade so eingestellt ist, dass sich im beleuchteten Zustand
eine Spannung einstellt, die VMPP entspricht,
so wird die Solarzelle genau in ihrem typischen Arbeitspunkt betrieben.
Dies bedeutet, dass die gemessenen Leistungsverluste genau denen
entsprechen, die im Normalbetrieb der Solarzelle vorliegen und somit
leistungsbegrenzend sind. Mit Hilfe dieser Messung kann daher unmittelbar
ein ortsaufgelöstes
Bild der Leistungs- und damit Wirkungsgrad-begrenzenden Mechanismen in
einer Solarzelle erstellt werden.
Durch eine Abfolge mehrerer Messungen
nacheinander, wobei die Last und damit die Biasspannung variiert
wird, kann ferner die Spannungsabhängigkeit verschiedener lokaler
Verlustmechanismen untersucht werden, so dass Rückschlüsse auf die ihnen zugrunde
liegenden Ursachen bezogen werden können. So ist beispielsweise
bei Shunts eine Unterscheidung in ohmsche und diodenartige Shunts
möglich,
wobei beispielsweise ohmsche Shunts eine ungefähr quadratische Abhängigkeit
der Verlustleistung von der Spannung zeigen sollten. Rekombinative
Verluste sollten ebenfalls mit zunehmender Spannung zunehmen. Verluste
an Serienwiderständen
sollten hingegen mit zunehmender Spannung aufgrund des mit zunehmender
Spannung sinkenden abzuführenden
Stroms geringer werden.
Auch wenn sich das vorliegende Verfahren
sowie die zugehörige
Anordnung in erster Linie auf optisch sensitive Halbleiterbauelemente,
wie beispielsweise Solarzellen oder Fotodioden beziehen, die dann
vorzugsweise mit optischer Strahlung beaufschlagt werden, so lassen
sich mit dem vorliegenden Verfahren auch nicht optisch sensitive
Halbleiterbauelemente untersuchen, solange diese für die eingesetzte
elektromagnetische Strahlung zumindest teilweise durchlässig sind.
Wesentlich hierbei ist lediglich, dass mit der eingesetzten elektromagnetischen
Strahlung in den zu untersuchenden Halbleiterbauelementen Ladungsträger generiert
werden können,
die dann aufgrund des fließenden
Stroms oder aufgrund von Rekombinationsmechanismen zu einer lokalen
Erwärmung
des Halbleiterbauelements führen.
mit λ als thermischer Leitfähigkeit und f als Frequenz der Lock-In-Messung.
