ES2325155T3 - Procedimiento de analisis no destructivo para determinar la calidad de una celula solar y aplicacion del mismo. - Google Patents
Procedimiento de analisis no destructivo para determinar la calidad de una celula solar y aplicacion del mismo. Download PDFInfo
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Abstract
Procedimiento de análisis no destructivo para determinar la calidad de una célula solar cristalina heterounida a base de calcopirita por medio de una combinación de datos derivados de una espectroscopia óptica de Raman para establecer las propiedades estructurales de una capa semiconductora y al menos derivados de una medición de corriente-tensión eléctrica bajo la influencia de una iluminación para obtener las propiedades eléctricas de una célula solar, en donde, directamente después de la producción de la capa absorbedora semiconductora de la célula solar, se obtienen únicamente con ayuda de la espectroscopia de Raman parámetros estructurales característicos para las propiedades cristalinas que se correlacionan gráfica o numéricamente con parámetros eléctricos característicos que son conocidos por mediciones realizadas en muestras de material del mismo tipo de la capa absorbedora, y que se evalúan en función de valores límite conocidos para los parámetros estructurales característicos.
Description
Procedimiento de análisis no destructivo para
determinar la calidad de una célula solar y aplicación del
mismo.
La invención se refiere a un procedimiento de
análisis no destructivo para determinar la calidad de una célula
solar por medio de una combinación de datos provenientes de una
espectroscopia de Raman a fin de establecer las propiedades
estructurales de una capa semiconductora, y a aplicaciones de dicho
procedimiento.
Un punto esencial en el campo de los materiales
semiconductores es su transformación en células solares,
especialmente células solares de capa delgada. Se desarrollan y
experimentan continuamente para ello nuevos procesos de fabricación
industrialmente relevantes. Criterios importantes son aquí el
rendimiento y la fiabilidad del proceso, pero también la fiabilidad
de los productos obtenidos. Por tanto, se investigan en paralelo
métodos adecuados para controlar el proceso, así como para asegurar
la calidad y realizar diagnósticos. Se diferencia aquí entre
métodos in situ y ex situ, los cuales se realizan
dentro de una fase de fabricación o después de la terminación de la
misma. Sin embargo, la capa semiconductora fabricada ha de
satisfacer determinados criterios de calidad a fin de que sea apta
para una ulterior elaboración. En la práctica, se realizan hasta
ahora en general controles de calidad únicamente después de la
confección de la célula solar completa, lo que conduce a tasas de
rechazos relativamente altas y a una utilización innecesaria de
material y de tiempo. Hasta ahora, en la fabricación de células
solares no se hacen manifestaciones sobre la calidad de la capa
semiconductora activa (preparación del absorbedor) directamente ya
después de la preparación de la misma, sino al final del proceso.
Por tanto, los parámetros del proceso erróneamente ajustados o los
problemas con la preparación del absorbedor pueden verificarse
solamente al final del proceso, lo que, en ciertas circunstancias,
trae consigo pasos de fabricación innecesarios y hace que una
identificación del problema correspondiente requiera más tiempo.
Sin embargo, precisamente para líneas de producción (producciones
"en línea") es deseable integrar en la línea de producción un
control de calidad no destructivo lo más pronto posible, y en
particular directamente después de la fabricación de una capa
semiconductora relevante, a fin de evitar otros pasos de elaboración
adicionales en la capa semiconductora cuando se haya comprobado su
menor calidad en el control de calidad.
Para dictaminar sobre la calidad de una capa
semiconductora se pueden aprovechar diferentes criterios que se
refieren a propiedades diferentes del material semiconductor. Para
estudiar la calidad de células solares se registran bajo
iluminación las llamadas "curvas características de
corriente-tensión" (curvas características
I-V). Estas curvas características no lineales dan
información sobre las propiedades eléctricas de la célula solar.
Las magnitudes características correspondientes consisten en el
rendimiento, que resulta como cociente entre la potencia eléctrica
cedida como máximo y la potencia luminosa irradiada, la tensión de
funcionamiento en vacío ("tensión de bornes abiertos"), la
corriente de cortocircuito y la corriente y la tensión en el punto
de máxima potencia. A partir del cociente entre la potencia máxima y
la potencia sin carga se calcula el llamado "factor de
relleno", que viene determinado sustancialmente por la
recombinación de los portadores de carga y por las resistencias en
paralelo y en serie. La obtención de tales curvas características de
corriente-tensión se efectúa con un procedimiento
de medida de corriente-tensión estandarizado bajo la
influencia de una iluminación, en el que se aplica un campo
eléctrico a la transición p-n de la célula solar a
través de electrodos. Este sencillo procedimiento de medida puede
trabajar también en forma no destructiva mediante el empleo de
electrodos de lectura móviles, realizándose en general una toma de
muestras atemperada en un lugar de medida de un simulador solar.
Esto se emplea en la práctica usualmente para determinar la calidad
de células solares terminadas de procesar, pero trae consigo los
inconvenientes ya mencionados, especialmente una alta tasa de
rechazos (véase, por ejemplo, la Publicación I "Erfahrungen beim
Aufbau einer Produktionsstätte für kristalline
Siliziumsolarzellen" de H. Nussbaumer, 11 de Junio de 2002,
páginas 22-30, que puede consultarse en Internet en
(estado a 11.10.2002):
www.ntb.ch/ems/vortrag/Vo12_ppt_solarzellenproduktion_nussb-aumer.pdf).
Con el procedimiento de medida de espectroscopia
de admitancia se puede efectuar una revisión y determinación de las
propiedades electrónicas de una capa semiconductora. Se obtienen así
informaciones sobre estados defectuosos eléctricamente activos y
sobre la constitución de las heterotransiones en la capa
semiconductora fabricada mediante una medición del complejo valor
de corriente alterna dependiente de la frecuencia y la temperatura.
Se efectúa en este caso una medición del desarrollo de tiempo de la
capacidad de zonas de carga espaciales por determinación del valor
imaginario de la admitancia. Además, por la Publicación II:
"Defect Distribution of CuInS_{2} Solar Cells from Different
Preparation Processes as Determined by Admittance Spectroscopy"
de K. Siener et al. (publicado en: 12th International
Conference on Ternary & Multinary Compounds (ICTMC12), Taiwan,
5-15 de Junio de 2000) se conoce una correlación de
la densidad de defectos en una capa absorbedora con la tensión de
funcionamiento en vacío de la célula solar terminada de procesar. No
obstante, se trata aquí de un método complicado y costoso en su
aplicación que necesita temperaturas de hasta 50K y que la mayoría
de las veces no trabaja en forma no destructiva, de modo que no es
adecuado para su incorporación en el procedimiento de análisis no
destructivo mencionado al principio para determinar la calidad de
capas semiconductoras.
Asimismo, existe todavía una serie de
procedimientos ópticos para controlar la calidad de capas
semiconductoras. Uno de estos procedimientos, que se utiliza
especialmente in situ durante el crecimiento de una capa
semiconductora para controlar el proceso, es el método de la
dispersión de luz láser. Se explora aquí la superficie de la capa
semiconductora con un rayo láser y se registra la luz redispersada
desde la superficie. Así, se pueden detectar in situ
variaciones de fase que se presenten durante el crecimiento de la
capa y que produzcan una variación de la aspereza de la capa en el
rango micrométrico, y, por ejemplo, se la puede asignar a las
temperaturas actualmente reinantes. Además, este procedimiento
puede acoplarse con mediciones de conductividad (véase la
Publicación III: "Chalkopyrit-Solarzellen:
In-situ-Prozesskontrolle und Dotierung" de
R. Scheer et al., en
Hahn-Meitner-Institut Berlin GmbH
Ergebnisbericht - Forschung und Entwicklung 2000, páginas
113-114). No obstante, un inconveniente reside aquí
en que este procedimiento no ofrece acceso alguno a las propiedades
estructurales de la propia capa absorbedora. El documento de Z. B.
Zhou et al., Solar Energy Materials and Solar Cells,
Elsevier Science Publishers, Amsterdam, páginas
487-493 (01.01.2002), describe la espectroscopia de
Raman de células solares. El documento de Z. Q. Ma et al.,
Solar Energy Materials and Solar Cells, Elsevier Science
Publishers, Amsterdam, páginas 339-344 (noviembre de
2001), describe la espectroscopia de Raman de una célula solar de
película delgada. Por el contrario, con el procedimiento de medida
por espectroscopia de Raman (también
"\mu-espectrocospia de Raman") se pueden
hacer manifestaciones analíticas sobre la composición estructural y
las propiedades cristalinas de una capa semiconductora. Se trata
aquí de un método de análisis estructural que ha encontrado amplia
difusión desde el empleo de fuentes de luz láser para la generación
de una radiación dispersa de Raman. Dado que el efecto de Raman es
provocado por dispersión en la red cristalina, se captan la
perfección y la orientación de los cristales durante la detección de
la luz dispersa. Por tanto, con la espectroscopia de Raman está
disponible un método que hace posibles un control de calidad rápido,
no destructivo y, por tanto, integrable en una línea de producción
de semiconductores, así como un control del proceso. En el espectro
detectado de Raman se presenta un pico de intensidad característico
en función del material semiconductor. Su anchura de valor mitad
(FWHM) es una magnitud característica típica para las propiedades
cristalinas (parámetros estructurales) de una capa semiconductora
procesada, tal como es conocido, por ejemplo, por la Publicación IV
"Quality control and reliability of thin solar cells" de R.
Scheer et al. (en
Hahn-Meitner-Institut Berlin GmbH
Annual Reports - Selected Results 2001, página 122). En esta
publicación, de la que parte la presente invención como estado de
la técnica más próximo, se establece en una capa semiconductora
especial una correlación entre la anchura de valor mitad y el
contenido de dopado, es decir, la posible presencia de una fase
defectuosa (CuAu) dependiente del contenido de dopado y se deriva
un control in situ correspondiente del proceso. La fase
defectuosa puede determinarse aquí por difracción de radiación de
rayos X (XRD) como método de medida in situ. Mediante la
combinación de procedimientos no puede derivarse una conclusión
ex situ sobre las propiedades eléctricas de una célula solar
terminada de procesar construida sobre la capa semiconductora como
capa absorbedora. Esto se aplica en mayor medida cuando no se
presenta ninguna fase defectuosa en la capa absorbedora.
Se conoce por el documento DE 198 40 197 A1 un
procedimiento para el reconocimiento y caracterización rápidos y no
destructivos de defectos del cristal en material semiconductor
monocristalino, en el que se estudia el cuerpo de la muestra con
espectroscopia de Raman. La evaluación del espectro de Raman se
refiere aquí tanto a cristales monocristalinos y sus propiedades
aparentes, como, por ejemplo, racimos de puntos defectuosos, huecos
y segregaciones de oxígeno, como a pastillas de silicio y a las
transformaciones de fase que allí se desarrollan, tal como éstas
pueden presentarse en pasos de mecanización mecánica y química y en
tratamientos térmicos. Por este motivo, la espectroscopia de Raman
puede utilizarse para optimizar secuencias y parámetros del proceso
en producciones en línea. Asimismo, se conoce por el documento
citado el que la espectroscopia de Raman se puede acoplar con otros
métodos de medida, por ejemplo con medidas de conductividad durante
ensayos de dureza a la penetración que no son no destructivos. Sin
embargo, no se trata aquí de métodos de medida que sirvan para una
caracterización eléctrica de, por ejemplo, una célula solar, sino de
métodos que suministran, junto con la espectroscopia de Raman,
manifestaciones sobre defectos existentes en el cristal.
Otros métodos de medida con los cuales se puede
combinar la espectroscopia de Raman para obtener manifestaciones
sobre las propiedades estructurales de la capa semiconductora son
conocidos por el documento DE 198 27 202 A1. En este documento se
revela un procedimiento para reconocer y caracterizar defectos del
cristal en material semiconductor monocristalino, especialmente
pastillas de silicio, que comprende una combinación de
espectroscopia heterodina por fotoluminiscencia (coeficiente de
conversión), espectroscopia heterodina fotoquímica (rendimiento de
luminiscencia) y el procedimiento SIRD (grado de despolarización),
tratándose exclusivamente de procedimientos de medida para la
caracterización estructural de material semiconductor. El
coeficiente de conversión consiste en un parámetro eléctrico por
cuanto que en el método de medida con radiación de luz láser se
provocan ondas de respuesta en el material semiconductor que
conducen a una modulación en contrafase de las propiedades
dieléctricas del cristal. El coeficiente de conversión como
magnitud de medida indica la proporción del rendimiento de luz de
láser que, por cada densidad de potencia de láser absorbida en el
objeto de medida, se convierte en la frecuencia diferencia por la
interacción con el objeto de medida. Por tanto, se trata aquí
también de una magnitud estructural del material semiconductor que
permite un acceso a defectos eléctricos existentes. Asimismo, estos
complejos procedimientos, que se aplican siempre conjunta y
exclusivamente a material semiconductor monocristalino para
realizar el análisis, no son no destructivos en la mayoría de los
casos y, por tanto, no se pueden integrar en una producción en
línea. Partiendo de la caracterización estructural de un material
semiconductor que puede obtenerse con este procedimiento conocido,
no es aquí tampoco posible sacar una conclusión sobre los
parámetros electrónicos característicos de dicho material y las
propiedades eléctricas de una célula solar terminada de procesar
basada en la capa semiconductora.
Por tanto, partiendo del estado conocido de la
técnica, el problema para la presente invención consiste en indicar
un procedimiento de análisis de la clase descrita al principio que,
basándose en el conocimiento actual de los parámetros estructurales
de una capa semiconductora, admita que se saquen conclusiones de
alto valor sobre las propiedades eléctricas de una célula solar
basada en la capa semiconductora. El procedimiento de análisis más
sencillo posible y barato en su ejecución deberá trabajar aquí con
rapidez y en forma no destructiva y deberá poder aplicarse a ambas
formas de presentación cristalina (monocristalina y policristalina)
de material semiconductor utilizado como capa absorbedora en la
célula solar. Asimismo, deberá ser posible una integración en una
línea de producción por estudio de capas semiconductoras recién
confeccionadas antes del siguiente paso de trabajo. En una
ampliación de los requisitos impuestos a la invención, deberá ser
posible también establecer una correlación con las propiedades
electrónicas de la capa absorbedora para fomentar aún la deducción
de conclusiones.
La solución de este problema consiste, según la
invención, en un procedimiento de análisis no destructivo como el
que se describe en la reivindicación 1.
En el procedimiento de análisis según la
invención se ponen por primera vez las propiedades estructurales de
una capa semiconductora en correlación con las propiedades
eléctricas de una célula solar que se basa en la capa
semiconductora como capa absorbedora. Resulta así posible que,
mediante una sencilla determinación de las propiedades
estructurales de la capa por medio de espectroscopia de Raman, se
saquen directamente después de la fabricación de la capa
absorbedora conclusiones referentes a las propiedades eléctricas
posteriores de la célula solar terminada de procesar. Con el
procedimiento de análisis según la invención es posible directamente
después de la fabricación (ex situ) de una capa absorbedora
un control de calidad sencillo y rápido de aplicar, así como no
destructivo, con el cual, a través de los parámetros estructurales
actuales, se puede deducir directamente la decisiva calidad a
esperar en la célula solar. Se tiene que realizar para ello
únicamente un análisis de Raman en la capa absorbedora actualmente
fabricada, con lo que se tiene que aplicar concretamente un solo
procedimiento de medida derivado de la combinación en el
procedimiento de análisis. Los parámetros estructurales derivados
de los datos de medida actualmente obtenidos se correlacionan
después, por ejemplo gráfica o numéricamente, con solamente
parámetros característicos para las propiedades eléctricas
("parámetros eléctricos") conocidos para una célula solar con
el tipo de capa semiconductora correspondiente, a fin de obtener un
pronóstico pertinente sobre la calidad de la célula solar terminada
de procesar. Los parámetros característicos para las propiedades
eléctricas pueden obtenerse aquí, por ejemplo, por medio de
mediciones realizadas en muestras de material correspondientes y
sometiendo a varianza los parámetros ambientales influyentes. Por
tanto, en la invención se aprovechan los procedimientos de medida
combinados con la espectroscopia de Raman para crear valores
comparativos y, por así decirlo, dichos procedimientos se utilizan
como procedimientos de fondo que suministran datos, con lo que
resulta una importante simplificación para la aplicación práctica
del procedimiento de análisis según la invención.
La clasificación de la calidad de una célula
solar terminada de procesar puede dotarse de mayor fuerza expresiva
cuando, según un perfeccionamiento de la invención, se efectúan en
el procedimiento de análisis no destructivo una combinación
adicional de datos provenientes de una espectroscopia de admitancia
bajo la influencia de la temperatura para determinar las
propiedades electrónicas de una capa semiconductora, así como una
correlación y evaluación de los parámetros estructurales actuales
con parámetros electrónicos característicos prefijados en función
del tipo de capa semiconductora a fin de verificar con ello el
pronóstico. Las manifestaciones sobre las propiedades electrónicas
de la capa absorbedora fabricada en la célula solar se aprovechan
aquí para la verificación y el fortalecimiento de los conocimientos
sobre las propiedades eléctricas de la misma que son de esperar. En
el desarrollo del procedimiento esto puede parecer como si los
parámetros estructurales característicos actualmente obtenidos para
la calidad del cristal se asignaran primero a los parámetros
eléctricos característicos para las propiedades eléctricas de la
célula solar para el tipo de capa semiconductora correspondiente.
En casos de duda y en casos límite se puede realizar entonces una
asignación a los parámetros electrónicos característicos para las
propiedades electrónicas de la capa absorbedora generada del tipo de
capa semiconductora correspondiente.
Están disponibles diferentes parámetros para
hacer un dictamen de calidad de las propiedades estructurales y
electrónicas de una capa semiconductora y de las propiedades
eléctricas de la célula solar. Según una ejecución inmediato de la
invención, el procedimiento de análisis no destructivo reivindicado
se puede realizar con una determinación de la anchura de valor
mitad como parámetro estructural característico para la calidad del
cristal de la capa absorbedora, con una preespecificación de la
tensión de funcionamiento en vacío, del rendimiento o del factor de
llenado como parámetro eléctrico característico para la calidad de
la célula solar y con una preespecificación de la densidad de
defectos como parámetro característico para la calidad electrónica
de la capa semiconductora. Referenciando las propiedades eléctricas
de la célula solar y las propiedades electrónicas de la capa
absorbedora fabricada a las propiedades estructurales de las mismas
se obtienen correlaciones de, por ejemplo, la tensión de
funcionamiento en vacío y de la densidad de defectos con la anchura
de valor mitad de la capa absorbedora fabricada. Como ya se ha
explicado más arriba, especialmente la anchura de valor mitad, que
resulta de la evaluación de los datos de Raman, es un parámetro
característico de gran fuerza expresiva para la calidad del cristal
generado. Se cumple que cuanto más pequeña sea la anchura de valor
mitad, tanto mejor será la cristalinidad de la capa semiconductora.
Por tanto, en función de esto, se puede decidir directamente sobre
la idoneidad o no idoneidad de una capa semiconductora fabricada
para un proceso de elaboración ulterior. Según un perfeccionamiento
inmediato de la invención, es aquí ventajoso que se presente una
indicación de un valor límite para los parámetros estructurales
característicos para la calidad del cristal de la capa absorbedora.
Los resultados de ensayo se derivan entonces solamente de una simple
comparación numérica. Asimismo, es ventajoso que, según otra
ejecución de la invención, se efectúen una captación, almacenamiento
y correlación automatizados de los datos de medida actuales. Se
hace posible así un análisis optimizado y exento de errores de la
capa semiconductora fabricada. Particularmente debido a la clase
del análisis no destructivo por medio de espectroscopia de Raman y
debido a su capacidad de realización rápida y automatizable es
especialmente ventajoso para aplicaciones especiales del
procedimiento de análisis según la invención que se prevea como
aplicación una integración del procedimiento de análisis en una
línea de producción de una célula solar. Por tanto, antes de la
elaboración ulterior de la capa absorbedora se efectúa in
situ en el proceso de producción de una célula solar un control
de calidad por medio de una espectroscopia de Raman realizada ex
situ después de la fabricación de dicha capa absorbedora. El
procedimiento de análisis reivindicado es aplicable así también a
modernos procesos de producción con resultados de análisis de gran
fuerza expresiva y, debido a su sencillez, se puede poner en
práctica a bajo coste.
La influencia de los resultados de análisis
sobre el tratamiento ulterior de una capa absorbedora actualmente
fabricada es importante especialmente también desde el punto de
vista económico. Se pueden evitar así altas tasas de rechazos en
las células solares terminadas de procesar y pasos de proceso
realizados en una capa absorbedora reconocida como deficiente. Se
pueden ahorrar material y tiempo. En particular, estas ventajas
entran en acción cuando, según otro modo de aplicación, el
procedimiento de análisis no destructivo se aprovecha para
determinar la calidad de una célula solar con una capa absorbedora
constituida por un material semiconductor policristalino
heterounido. Resulta así, por ejemplo, la posibilidad de dictaminar
tempranamente la calidad de células solares policristalinas de capa
delgada constituidas por materiales semiconductores ternarios o
cuaternarios en lo que respecta a la calidad de la capa absorbedora
activa, a fin de que, en caso necesario, ésta sea entonces extraída
de la línea de producción inmediatamente después de su preparación.
Por el contrario, en células solares terminadas de procesar casi
está garantizada la alta calidad requerida respecto de las
propiedades eléctricas. Asimismo, el procedimiento de análisis
reivindicado puede aprovecharse para determinar la calidad de una
célula solar con capas absorbedoras fabricadas de forma diferente.
Las capas absorbedoras o muestras a estudiar pueden provenir así de
diferentes procedimientos de fabricación. Por tanto, con la
invención se proporciona un procedimiento de análisis universal
para el control pronosticador de la calidad de células solares, el
cual no se limita a un tipo de fabricación para la capa absorbedora,
sino que puede aplicarse a diferentes procedimientos de
fabricación.
En lo que sigue se explican con detalle
diagramas mostrados en las distintas figuras a fin de proporcionar
una mayor comprensión de la invención. Muestran en estos
diagramas:
La figura 1, espectros de Raman a tensiones de
funcionamiento en vacío diferentes,
La figura 2, una correlación entre la anchura de
valor mitad y la tensión de funcionamiento en vacío,
La figura 3, una correlación entre la anchura de
valor mitad y el factor de relleno y
La figura 4, una correlación entre la anchura de
valor mitad y la densidad de defectos.
En el diagrama según la figura 1 se representan
diferentes espectros de Raman. Se ha registrado la intensidad de
dispersión de la capa semiconductora irradiada ("Intensidad" en
u.a.) en función del número de ondas ("Desplazamiento de
Raman" en cm^{-1}). El método de evaluación de estos espectros
se basa en una función matemática (línea continua) que se utiliza
para ajustar los datos originales (línea con puntos). Se han
registrado los espectros de Raman para un material semiconductor
del tipo de disulfuro de cobre-indio (CIS modo
A_{1}, CuInS_{2}). El espectro a resulta cuando se
determina en la muestra, por medición de
corriente-tensión, una tensión de funcionamiento en
vacío de 752 mV. Análogamente a esto con otras estequiometrías, en
el espectro b se presenta una tensión de funcionamiento en
vacío de 715 mV y en el espectro c se presenta una tensión de
funcionamiento en vacío de 685 mV. La línea horizontal de trazos en
los espectros de Raman representa la anchura de valor mitad (FWHM)
como parámetro característico para la calidad del cristal del
material semiconductor.
Con ayuda de un ejemplo para CuInS_{2} se
explica aquí el modo de proceder para realizar el procedimiento de
análisis según la invención. Sin embargo, existen también
correlaciones respecto de la temperatura y, por ejemplo, de la
relación Cu/In que pueden documentarse de manera análoga. Con el
procedimiento de análisis según la invención se puede estudiar una
capa absorbedora con espectroscopia de Raman directamente después
de la preparación del absorbedor. A partir del valor obtenido para
un parámetro estructural característico se puede deducir entonces
la calidad a esperar de la célula solar terminada de procesar
respecto de sus propiedades eléctricas. Esto hace posible ahora que
se detenga la producción en caso de que se sobrepase un valor
límite. Se puede realizar, por ejemplo, una nueva determinación de
las relaciones estequiométricas en la composición del material o un
nuevo ajuste de la temperatura del procedimiento. Una revisión de la
capa absorbedora correspondientemente procesada después de esto con
espectroscopia de Raman da entonces información sobre la eficacia de
las medidas adoptadas. En caso de que no se alcance el valor
límite, la capa absorbedora sin medidas de corrección presenta la
calidad estructural necesaria para la calidad eléctrica deseada de
la célula solar y puede seguir siendo elaborada inmediatamente en
la línea de producción. Puede excluirse una preparación errónea del
absorbedor.
En los diagramas según las figuras 2 y 3 se
representa la correlación entre los parámetros característicos
obtenidos a partir de la espectroscopia de Raman para la calidad del
cristal (anchura de valor mitad FWHM) y las propiedades eléctricas
de la célula solar estudiada. En la figura 2 se representa la
correlación entre la anchura de valor mitad FWHM y la tensión de
funcionamiento en vacío (V_{OC} en mV) como parámetro eléctrico
característico para las propiedades eléctricas de la célula solar.
Se puede apreciar claramente una tendencia (curva de trazos). Hasta
un valor límite FWHM de aproximadamente 3,4 cm^{-1} se puede
apreciar una zona de saturación con una alta tensión de
funcionamiento en vacío V_{OC}. Por tanto, las capas absorbedoras
del tipo CIS citado muestran hasta una anchura de valor mitad de
aproximadamente 3,4 cm^{-1} una correlación con una tensión de
funcionamiento en vacío satisfactoriamente alta V_{OC} de la
célula solar correspondiente y, por tanto, una calidad cristalina
suficientemente alta para realizar una elaboración ulterior. Sin
embargo, a partir de esta anchura de valor mitad determinada la
tensión de funcionamiento en vacío V_{OC} pasa a ser
rápidamente peor con una anchura de valor mitad que se va haciendo
más grande. Por tanto, las capas absorbedoras con anchuras de valor
mitad en este rango serían desechadas a consecuencia de una calidad
estructural insuficiente, ya que provocarían tensiones de
funcionamiento en vacío demasiado bajas en la célula solar terminada
de procesar.
En la figura 3 se muestra un diagrama con una
tendencia semejante a la del diagrama según la figura 2, si bien
aquí se ha registrado el factor de relleno (FF en %) como otro
parámetro eléctrico relevante para las propiedades eléctricas de una
célula solar en función de la anchura de valor mitad (FWHM en
cm^{-1}) de la capa absorbedora. El modo de decisión como
resultado de la espectroscopia de Raman se desarrolla análogamente
al modo de decisión explicado según la figura 1. En consecuencia, en
función de la anchura de valor mitad actualmente obtenida de una
capa absorbedora fabricada se pueden deducir sin problemas
diferentes parámetros característicos para las propiedades
eléctricas de la célula solar terminada. Además, éstos pueden
aprovecharse para la verificación mutua del dictamen de calidad
sobre la base de la anchura de valor mitad actualmente obtenida de
la capa absorbedora. Es posible también una asignación al
rendimiento de una célula solar como parámetro eléctrico
característico para las propiedades eléctricas y esta asignación se
efectúa de manera análoga.
Mientras que en los dos diagramas según las
figuras 2 y 3 se representa la correlación entre las propiedades
estructurales y las propiedades eléctricas de la capa
semiconductora, el diagrama según la figura 4 muestra la
correlación de la espectroscopia de Raman con las propiedades
electrónicas de una capa semiconductora que puede utilizarse como
capa absorbedora. Éstas se han obtenido a partir de mediciones de la
admitancia. Como parámetro electrónico característico para las
propiedades electrónicas se ha registrado logarítmicamente en este
caso la densidad de defectos (ln DOS 500 meV en cm^{-3}eV^{-1})
en función de la anchura de valor mitad (FWHM en cm^{-1}). Se
puede apreciar aquí también una correlación lineal con un
comportamiento de valor límite entre las propiedades. A partir de
un valor límite determinado FWHM, que, sin embargo, está por debajo
del valor límite FWHM para las propiedades eléctricas, se puede
apreciar un claro ascenso en la densidad de defectos con FWHM
creciente. El proceso para pronosticar la calidad a través de las
propiedades electrónicas se efectúa análogamente al proceso para
dictaminar sobre las propiedades eléctricas. Ambos procedimientos
de selección de calidad, eléctrico y electrónico, pueden
aprovecharse para su confirmación mutua.
- CIS
- Disulfuro de cobre-indio
- FWHM
- Anchura de valor mitad
- V_{OC}
- Tensión de funcionamiento en vacío
- FF
- Factor de relleno
- DOS
- Densidad de defectos
Claims (4)
1. Procedimiento de análisis no destructivo para
determinar la calidad de una célula solar cristalina heterounida a
base de calcopirita por medio de una combinación de datos derivados
de una espectroscopia óptica de Raman para establecer las
propiedades estructurales de una capa semiconductora y al menos
derivados de una medición de corriente-tensión
eléctrica bajo la influencia de una iluminación para obtener las
propiedades eléctricas de una célula solar, en donde, directamente
después de la producción de la capa absorbedora semiconductora de
la célula solar, se obtienen únicamente con ayuda de la
espectroscopia de Raman parámetros estructurales característicos
para las propiedades cristalinas que se correlacionan gráfica o
numéricamente con parámetros eléctricos característicos que son
conocidos por mediciones realizadas en muestras de material del
mismo tipo de la capa absorbedora, y que se evalúan en función de
valores límite conocidos para los parámetros estructurales
característicos.
2. Procedimiento de análisis no destructivo
según la reivindicación 1 con una combinación de datos adicional
proveniente de una espectroscopia de admitancia bajo la influencia
de la temperatura para obtener las propiedades electrónicas de una
capa semiconductora, en donde los parámetros estructurales
característicos obtenidos se correlacionan y verifican gráfica o
numéricamente con parámetros eléctricos característicos que son
conocidos por mediciones realizadas en muestras de material del
mismo tipo de la capa absorbedora.
3. Procedimiento de análisis no destructivo
según la reivindicación 1 ó 2 con una determinación de la anchura
de valor mitad (FWHM) del modo principal A1 de Raman como parámetro
estructural característico, con una preespecificación de la tensión
de funcionamiento en vacío (V_{OC}), del rendimiento o del factor
de relleno (FF) como parámetro eléctrico característico y con una
preespecificación de la densidad de defectos (DOS) como parámetro
electrónico característico.
4. Procedimiento de análisis no destructivo
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 con una captación,
almacenamiento y correlación automatizados de los parámetros
estructurales medidos y de los parámetros eléctricos y electrónicos
conocidos.
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