Kandidatexamen i Teknisk Fysik, TFGC01

VT-19

Kandidatexamen i Teknisk fysik (TFGC01)

Examinator:

Thijs Jan Holleboom

Markus Rinio Rickard Hansson

Gustav Lund

gustav.lundh@outlook.com

Kandidatexamen i Teknisk Fysik, TFGC01

Light and enhanced Temperture Induced Degradation, LeTID

Fakulteten för hälsa, natur- och teknikvetenskap

Sammanfattning

Ett degraderingsexperiment på två multikristallina PERC-celler har genomförts. Båda cellerna LBIC-skannades vid leverans och samtidigt mättes I-V värden upp. Ena cellen har sedan under förhöjd temperatur (71°𝐶) belysts av ett ljus på 1000 𝑊/𝑚², medan andra cellen har belysts i rumstemperatur (25°𝐶). Under experimentet mättes I-V värden löpande.

Efter 100 timmar utfördes en ny LBIC-skanning och resultatet jämfördes med de för leveranstillstånd. Experimentet har till syfte att studera vilka områden i cellen som visar högre känslighet mot belysning vid förhöjd temperatur och genom de två testade cellerna om möjligt kunna presentera vilken påverkan den förhöjda temperaturen har för resultatet.

Experimentet är utfört på Karlstad Universitet, fakulteten för hälsa, natur och teknikvetenskap.

Av experimentet erhålls degradering av kortslutningsström (𝐼𝑠𝑐) och tomgångsspänning (𝑈_𝑜𝑐) för proverna. Provet som belyses vid 71°C degraderar cirka 6% 𝐼_𝑠𝑐 respektive 4,1%

𝑈_𝑜𝑐. Provet vid rumstemperatur degraderar 0,6% 𝐼_𝑠𝑐 samt försumbart för 𝑈_𝑜𝑐. Fill Factor är oförändrat av experimentet. De defektfria områdena är de som lider av den största procentuella degraderingen.

Nyckelord: LeTID, PERC, LBIC, I-V värden

Förord

Denna rapport är mitt kandidatarbete inom civilingenjör teknisk fysik vid Karlstad universitet. Experiment och sammanställning av resultat har utförts under april, maj och juni 2019. Kandidatarbetet omfattar 15 högskolepoäng och har gått på helfart.

Figurer och diagram är gjorda av mig i Office Power Point samt Office Excel. Bilder i rapporten är för övrigt tagna av mig om inget annat anges.

Under experimentet har jag haft stöd från Rickard Hansson som har varit mycket behjälplig och kunnat svarat på de frågor som kommit upp under projektets gång. Stort tack Aleo Paolo Jacinto Pacho som har sett till att LBIC-skanningarna har utförts. Jag vill tacka Rickard och Paolo för all hjälp jag fått av dem. Jag vill även tacka min handledare Markus Rinio som har hjälpt mig att få tag i solceller och svarat på frågor som dykt upp under experimentet.

Innehåll

1 Inledning ... 5

1.1 Bakgrund ... 5

1.2 Syfte ... 6

1.3 Historia ... 6

2 Teori ... 7

2.1 PN-övergången, Solceller och Defekter ... 7

2.2 Diffusion ... 9

2.3 PERC cell ... 9

2.4 Internal och external quantum efficency ... 10

2.5 I-V kurva ... 10

2.6 Peltierelement ... 11

2.7 Termistor ... 12

2.8 Light Beam Induced Current ... 13

2.9 4-probs mätning ... 14

3 Experiment ... 15

3.1.1 Metod ... 15

3.1.2 Utrustning ... 15

4 Resultat ... 17

5 Diskussion ... 21

6 Slutsats ... 25

7 Avslutning ... 26

8 Referenser ... 27

Bilagor Bilaga 1 ... 29

Bilaga 2 ... 30

Bilaga 3 ... 31

Bilaga 4 ... 32

5

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Light and enhanced Temperature induced degradation (LeTID) hos halvledare är en relativt nyupptäckt och det är därav inte fastställt vilka mekanismer som LeTID beror på. Man har kunnat fastställa visa typer av fenomen som ger upphov till vissa typer av degradering. Ett sådant fenomen är bor- syre komplex och järn-bor par upplösning, P-dopat kisel är ofta dopat med bor, boret kan i sin tur binda till syre- eller järnföroreningar i materialet, vilket ger upphov till energinivåer i bandgapet. Karaktäristiskt för BO-komplex är en snabb degradering i början följt av en långsammare asymptotisk degradering [1]. Resultat av experiment på Passivated emitter rear cell (PERC) -celler har inte kunnat beskrivas med BO komplex eller FeB par upplösning [2]. Prover som dopats med gallium istället för bor har visats sig ha en långsammare degradering till en början vilket skulle styrka att andra mekanismer än BO-komplex och FeB par upplösning bidrar till degraderingen, vilket diskuteras i [2] [3]. Experiment som testat olika syrehalter har visat att degraderingen inte påverkas nämnvärt av syrehalten [4], vilket även de tyder på att BO-komplex inte är orsaken till degraderingen. Det är känt att LeTID effektens hastighet beror på materialegenskaper och under vilka förhållanden experimentet utförs, temperatur och ljusstyrka [5]. Experiment har visat att multikristallina PERC-celler visar den starka degraderingen först när de belyses vid temperaturer högre än 50°C [4]. Experiment har kunnat visa skillnader i degraderingssförlopp beroende från vilken del av det gjutna kislet det aktiva lagret kommer ifrån [4].

Light induced degradation (LID) är en tidigare känd degraderingsmekanism. Med LID menas effektförluster hos solceller på grund av belysning med ljus av högre energi än bandgapsenergin hos kisel. Det är hos LID som BO-komplex och FeB pars upplösning anses vara orsaken till degradering [1].

Experiment som utförts har visat att degraderingsförloppet för LeTID är snabbt till en början för att sedan planas ut innan den når sin lägsta punkt, det vill säga största degraderingen. Efter att cellen nått lägsta punkten har experiment visat att cellen visar en regenereringseffekt. Den snabba degraderingen i början tros i vissa rapporter bero på BO- komplex och FeB par upplösning [2]. Om cellen belyses eller värms ytterligare så experiment visat att cellen återhämtar sig nästan helt till den ursprungliga effekten [2] [3].

En teori till vad degraderingen beror på är att de i tillverkningen skapas metalldefekter i materialet som sedan vandrar runt i materialet tills det når en lägsta energi, sedan vandrar de tills de fastnar vid till exempel en yta eller en allvarlig defekt där de gör mindre skada [6].

Stora skillnader i degradering har erhållits i experiment som studerat PERC-celler som har genomgått olika högtemperatur processer, då man har varierat den maximala temperaturen.

Vid experimentet testades ett prov som hade maximal temperatur på 900°𝐶 och en med en maximal temperatur på 650°𝐶. Den som behandlats vid lägre temperatur visade sig då vara mindre känslig mot LeTID [6]

Experiment har även visat att kvalitén på passiveringslagret sjunker lite under LeTID, vilket skulle kunna beskriva varför regenerationen har ett långsammare händelseförlopp [2]

6

High performance multi (HPM) solceller är en relativt ny typ av solcell som bygger på kisel med mycket små korn. Att tillverka kisel med mycket små korn bidrar till att minska områden med hög defektkoncentration. Det sker genom att de många korngränserna hindrar defekttäta områden att växa okontrollerat. Med den tekniken har man uppnått en ökad verkningsgrad med cirka 0,5 procentenheter. Vissa speciella celler där ibland vissa HPM- och PERC-celler har visat problem med hög känslighet mot degradering.

Degraderingen hos HPM celler kan inte beskrivas med BO-komplex eller FeB pars upplösning. Fotoluminiscens-bilder på degraderings prover av HPM celler har ett karakteristiskt disksvampsmönster vilket har gett namn åt den typen av degradering, Sponge-LID [7]. Det är idag inte bekräftat exakt vad sponge-LID beror på.

Trots att det under åren har gjorts flera framsteg inom solcellsforskning har ännu inte mekanismerna bakom LeTID kunnat bekräftas. Multikristallina PERC-celler har visat sig vara känsliga mot LeTID. PERC celler har visat på förluster i tomgångsspänning på upp till 12% vid LeTID experiment [2].

1.2 Syfte

Syftet med projektet är att genom experiment kunna fastställa vilka delar av en multikristallin PERC-solcellen som degraderas under belysning på cirka 1000 𝑊/𝑚²och förhöjd temperatur på 71°𝐶, det vill säga vilka delar som är mer känsliga för LeTID. Ett liknande experiment utförs på en likadan cell vid rumstemperatur, för att få en möjlighet att beskriva temperaturens inverkan på degraderingen. Att veta vilka delar som påverkas negativt är en förutsättning för att kunna förbättra tekniken och utveckla bättre solceller än de som idag existerar.

1.3 Historia

Solceller har funnits sedan 1950-talet och användes då främst för att försörja satelliter med el [8] [9]. På 1970-talet blev solceller kommersiella men användes då endast i separata system såsom båtar, fyrtorn med mera [10]. Det är på senare tid som intresset för solcellssystem har ökat. Det beror framförallt på att priset har sjunkit de senaste åren vilket har gjort solcellssystem konkurrenskraftiga [10]. Idag finns det flera solcellsparker som har enorm kapacitet, till exempel en anläggning i Indien som försörjer 700 000 hushåll [10]

[11] .

7

2 Teori

2.1 PN-övergången, Solceller och Defekter

PN-övergång uppstår då en P-dopad halvledare och en N-dopad förs ihop. Genom diffusion kommer laddningsbärarna diffundera in mot mitten av utarmningsområde och där rekombineras med varandra. Vid övergången skapas det ett elektriskt fält som kommer verka på laddningsbärarna (hål och elektroner), se figur 1. PN- övergångar kan användas eller ordnas för att konstruera flera olika elektronikkomponenter såsom dioder och transistorer.

Solceller består som de flesta halvledarkomponenter av en eller flera PN-övergångar.

Solceller utnyttjar den tekniken för att konvertera fotonenergi till elektrisk energi utan att en extern energikälla behövs. PN-övergången kopplas till den last som önskas drivas, vilket visas i figur 2. När solceller belyses av ljus kommer fotonenergin, om den överskrider bandgapet, att excitera en elektron och generera ett elektronhålpar. Det elektriska fältet verkar på laddningsbärarna och för elektronerna mot N-området och hålen mot P-området.

Elektronerna kommer sedan vandra genom lasten till P-området och rekombineras med hålen. I figur 3 visas generering och rekombination i bandstruktur [12].

Figur 2. Simpel schematisk bild över en solcell.

Figur 3. Generering och rekombination av elektronhålpar.

Figur 1. Schematisk bild över en PN-övergång

8

Rekombination som sker genom lasten är en önskad effekt hos solceller. Rekombination kan dock ske spontant i materialet vilket ses som effektförluster. Spontan rekombination är till viss del koncentrerad till de defeker som finns i materialet. Det beror på att defekter kan skapa nya energinivåer mellan ledningsbandet och valensbandet, se figur 4. I en ideal enkristallin kiselkristall anses området mellan ledningsbandet och valensbandet vara ett förbjudet energiband det vill säga energigapet mellan ledningsband och valensband är konstant, se figur 3. De tillåtna energierna beräknas gonom Schrödingers ekvation samt Blochs sats. Rekombinationstakten antas även vara omvänt proportionell mot medelladdningslivslängden (𝜏_𝑒𝑓𝑓) i ledningsbandet. Medelladdningslivslängden anses då vara en materialegenskap [12].

I en verklig tillämpning av halvledare kommer det alltid finnas defekter och/eller korngränser vilket kommer ge upphov till tillåtna energinivåer i bandgapet, enligt Schrödinger ekvation och Blochs sats. Medelladdningslivslängden kommer då domineras av de defekter som finns i materialet. Medelladdningslivslängden beror för kisel i normala förhållanden på medellivslängden för laddningsbärarna vid ytan (𝜏_𝑠) och Shockley-Read- Halls teori (𝜏_𝑛) [1] [13]. Där Δ𝑛 är antalet elektroner i ledningsbandet.

𝑅 =_𝜏^Δ𝑛

𝑒𝑓𝑓= Δ𝑛 ( _𝜏¹

𝑠+_𝜏¹

𝑛 ) (1)

Shockley-Read-Halls teori om rekombination beskriver hur defekters energinivåer i bandgapet interagerar med hål och elektroner. Enligt teorin kan alla energinivåer mellan ledningsbandet och valensbandet verka som rekombinationscentrum. Energinivårna fångar elektroner och hål från valensbandet och ledningsbandet med samma sannolikhet.

Rekombinationen beror då på antalet rekombinationscentrum som inte är upptagna av andra laddningsbärare av samma laddning samt antalet elektroner i ledningsbandet. Teorin föreslår fyra processer som kan ske vid en energinivå, se figur 5.

Energinivåer i bandgapet uppstår även vid ytan av en halvledare. Den periodiskt ordnade kristall får då ett plötsligt slut vilket har visat sig ge upphov till en fördelning av tillåtna energinivåer i bandgapet, se figur 6a [12].

Figur 4. Defekters i kristallstrukturen ger upphov till energinivåer i bandgapet.

9

Fördelningen av energinivåerna beror på att strukturen hos kisel bryts vilket medför att kiselatomerna på ytan inte binder till fyra andra atomer, se figur 6b. De fria elektronerna vid ytan bildar då flera energinivåer i bandgapet.

2.2 Diffusion

Diffusion handlar om laddningsbärarnas rörelse. Diffusionslängden är den genomsnittliga längd en laddningsbärarna rör sig från att den genereras till att den rekombineras.

Diffusionslängden för laddningsbärarna i kristallina kisel solceller ligger ofta på några hundra 𝜇m [14]. Diffusionslängden beror på antalet defekter samt dopingsgraden [14].

Diffusion kan även innebära rörelse av bland annat atomer och föroreningar som finns i kristallen. Till exempel kan metallföroreningar vandra runt i materialet.

2.3 PERC cell

Figur 5. De fyra vanliga interaktionerna mellan energinivåer och laddningsbärare. 1: Electron capture 2:

Electron emission 3:Hole capture 4:Hole emission.

Figur 6a. Fördelning av energinivåer i bandgapet vid ytan av halvledaren.

Figur 6b. Ytstruktur

10

PERC-cellen är i sitt utförande en modifiering av en klassisk cell, se figur 7a och 7b. PERC cellen är konstruerad för att förbättra verkningsgraden genom att minska rekombinationshastigheten också vid bakre ytan. Laddningsbärarna rekombineras gärna vid bakre ytan på grund av de många energinivåerna fördelade i bandgapet, enligt figur 6a [16].

På baksidan av cellen placeras ett passiveringslager med små öppningar. Passiveringslagret är ett lager som inte leder elektrisk ström. Öppningen gör att det endast finns elektrisk kontakt på vissa punkter. Det gör att den totala ytan där rekombination kan ske minskar vilket höjer verkningsgraden. För att denna teknik ska kunna användas krävs det att bulkmaterialet har hög diffusionslängd, så att laddningsbärarna kan vandra till öppningarna i passiveringlagret som ger kontakt till kretsen. Passiveringslagret på baksidan kan till exempel binda till de fria elektronerna som bildas vid ytan av kiseln. Detta medför att energinivåerna i bandgapet försvinner [13], se figur 6b. Passiveringsöagret kan även skapa ett elektrisktfält som repelerar en viss typ av laddningsbärare (Field Effect Passivation), för att på så sätt minska rekombinationenhastigheten. Passiveringslagret kan till exempel vara kiselnitrid eller aluminiumoxid [13].

2.4 Internal och external quantum efficency

External quantum efficency (EQE) är antalet elektroner som går genom lasten per foton som träffar solcellen, se ekvation 2. EQE kommer därför ge ett värde på strömmen som en solcell genererar för den testade våglängden.

𝐸𝑄𝐸 =𝐸𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛𝑒𝑟/𝑡

𝐹𝑜𝑡𝑜𝑛𝑒𝑟/𝑡 (2)

Internal quantum effect (IQE) är antalet elektroner som går genom lasten per fotoner absorberade av solcellen. Det medför att IQE alltid kommer vara större än EQE. Värdet på IQE säger mer om hur solcellens aktiva lager hanterar elektronerna, vilka områden som är mer eller mindre rekombinations aktiva. För att beräkna IQE behövs ett erhållet resultat av EQE för punkten, samt mätdata för transmissionen och reflektionen för punkten. För en tillräckligt tjock kiselsolcell kan transmissionen antas vara noll, se ekvation 3.

𝐼𝑄𝐸 = ^𝐸𝑄𝐸

1−𝑅𝑒𝑓𝑙𝑒𝑘𝑡𝑖𝑜𝑛𝑒𝑛 (3)

Om den inkommande fotonen har en energi lägre än de aktiva lagrets bandgap kommer EQE vara noll. EQE kan även vara större än 100%, detta på grund av att en foton kan ha en energi större än dubbla bandgapet och då excitera fler än en elektron. [17]

2.5 I-V kurva

Figur 7. a) klassisk solcell. b) PERC cellen [24].

11

En I-V kurva är en kurva som beskriver relationen mellan ström och spänning för till exempel en solcell. Av kurvan kan man läsa av kortslutningsström (𝐼_𝑠𝑐), fill faktorn (FF) och tomgångsspänningen (𝑈_𝑜𝑐). Kortslutningsströmmen är den maximala strömmen som kan tas ut ur cellen, det vill säga den ström som genereras när solcellen är kortsluten.

Kortslutningsströmmen är för en ideal solcell lika med den ljusgenererade strömmen.

Tomgångsspänningen är den högsta möjliga spänningen för cellen. Det sker när strömmen är lika med 0. Maximala effekten 𝑃_𝑚𝑎𝑥 är den punkt där produkten av strömmen och spänningen blir störst. Fill faktorn är kvoten mellan de två rektanglarna i figur 8, det vill säga kvoten mellan 𝑃_𝑚𝑎𝑥 och den idealt största effekten, se ekvation 4. En ideal solcell skulle ha en i princip fyrkantig kurva, det vill säga fill faktorn skulle närma sig 100%.

Egenskaper som kan påverka formen på kurvan är bland annat serieresistanser och parallellresistanser i solcellen [18]

𝐹𝐹 = ^{𝑃𝑚𝑎𝑥}

𝐼_𝑠𝑐∗𝑈_𝑜𝑐 (4)

2.6 Peltierelement

Peltierelement bygger på peltiereffekten som är ett termoelektriskt fenomen, där likström och halvledare kan skapa en värmepump. När likström flyter genom materialet kommer en temperaturskillnad mellan sidorna uppstå. Vilken sida som blir varm och kall beror på riktningen på strömmen. Peltierelement är uppbyggda av N-typ och P-typ halvledare som är placerade parallellt med varandra men elektriskt ligger de i serie. På vardera sida monteras en värmeledande platta. När spänning kopplas över halvledarna kommer likström börja flöda vilket ger upphov till en temperaturskillnad mellan sidorna. Se figur 9 [19].

Figur 8. I-V kurva

12

Om peltierelementen används för kylning ska värmen från varma sidan transporteras bort, vanligen med vattenkylning, samt om elementen används för värmning ska kylan transporteras bort.

2.7 Termistor

Termistorn är en resistor vars resistans är beroende av temperaturen, där ”Negative Temperature Coefficient” NTC är den vanligaste typen. NTC får sänkt resistans med ökande temperatur, se figur 10. Termistorn är gjord av en halvledare där den ökande temperaturen får elektroner att exciteras från valensbandet till ledningsbandet vilket ökar halvledarens ledningsförmåga. Termistorer kategoriseras utifrån parametrarna 𝑅₂₅ och 𝛽.

𝑅₂₅ är den resistans som termistron har vid 25°C och 𝛽 är en konstant.

Temperaturberoendet hos en termistor beskrivs enligt ekvation 7, där 𝑟_∞ är de värdet funktionen konvergerar mot då temperaturen går mot oändligheten. Då derivatan i aktuellt område är hög kommer små temperaturskillnader ge stora resistansskillnader vilket kommer leda till en säker temperaturmätning [20]. I ekvation 5 till 7 står T för temperatur.

𝑇₀ för 25°𝐶 eller 293𝐾 och R är resistans.

1 𝑇

=

𝑇₀

+

𝛽

ln

𝑅₂₅

(5)

𝑅 = 𝑅

𝑒

1 𝑇−¹

𝑇0)

(6) 𝑅 = 𝑟

𝑒

, 𝑟

= 𝑅

𝑒

(7)

Figur 9. Schematisk bild av ett Peltierelement

13

2.8 Light Beam Induced Current

LBIC är en analysteknik för halvledarsolceller. Skanningen fungerar genom att en laserstråle med en viss våglängd belyser en punkt på solcellen och skapar då elektron-hål par, se figur 11. Den strömmen analyseras för att fastställa halvledarens elektriska egenskaper. Speciellt kommer defekter och andra oregelbundenheter i halvledaren att hittas. En vanlig LBIC exciterar en elektron till ledningsbandet genom en så kallad ”single- photon absorption”, det vill säga att en foton exciterar en elektron. Excitationen kan endast ske om fotonen har tillräckligt med energi för att övervinna halvledarens bandgapsenergi [21]. För kisel behöver fotonen ha en energi på 1,12 eV (bandgapsenergi för kisel) vilket motsvarar våglängder kortare än 1100nm. Beroende på vilken del av cellen man vill studera, kan laserns våglängds justeras. Olika våglängder har olika penetreringsdjup i solcellen [22].

Figur 10. NTC resistans mot temperaturrelation. Figur skapad av Rickard Hansson.

14

Områden där strömmen från LBIC blir låg kan bero på att rekombinationen är hög.

Rekombinationen domineras som sagt av defekterna i området. Låg ström kan därför uppstå vid till exempel korngränser, dislokationer och punktdefekter.

2.9 4-probs mätning

4-probsutrusting består av minst fyra ledande spetsar, men kan konfigureras på många olika sätt för att optimera den mätningen som önskas göras. Spetsarna sitter vanligen med ekvidistans. de yttre spetsarna för en ström genom provet och de inre gör mätningen.

Spänningen mellan de inre spetsarna kan till exempel mätas, se figur 12. En 4- probsmätning ger ett bättre resultat då den minimerar kontaktresistansen vid mätningen.

För att erhålla I-V värden för en solcell kan en 4-probsmätare placeras i en mörk kammare där en stark blixt genereras. Blixten ger solcellen energi som sedan kan mätas. Bland annat mäts effekten, kortslutningsströmmen, tomgångsspänning och fill faktor.

Figur 12. 4-probsmätnig av spänning. Där de yttre stiften skapar en krets och de inre mäter spänningen mellan sig.

Figur 11. LBIC funktion.

15

3 Experiment

3.1 Metod

Två systerceller väljs ut, detta för att jämförelsen ska vara så bra som möjligt. Fram- och bakkontakterna är inte kontinuerliga för cellerna. För att lösa det appliceras silver pasta på cellens fram- och baksida, se bilaga 4. I-V värden och LBIC-skanning görs för de valda cellerna vid leveransskick. Först görs en överblicksskanning av hela cellen, ur överblicksskanningen väljs fyra mer intressanta områden ut. De fyra områdena skannas igen, men nu mer högupplöst. Provet placeras i en mörk kammare där en blixt genereras under 100 millisekunder och en 4-probsmätningen görs under tiden för att få fram I-V värdena för cellen. För att minimera slumpmässiga mätfel görs åtta mätningar för varje prov. Mellan varje mätning justeras provet lite för att minimera fel från placeringen. Provet placeras på värmeplattan och under belysning som motsvarar solens ljus. Det andra provet placeras på en vattenkyld platta och under liknande belysning. Proven får sedan över tid belysas under förhöjd temperatur och i rumstemperatur. Med ett tidsintervall t görs en ny 4-probsmätning för att erhålla I-V värdena för cellerna. Vid experimentets slut görs en ny LBIC-skanning, först en ny överblicks skanning och sedan en ny högupplöst skanning av de valda områdena,

Bilderna som erhålls av LBIC-utrustningen jämförs över tid för att en bild av degraderingens utveckling i provet ska erhållas. Data erhållet från I-V mätningarna sammanställs i en figur som beskriver degraderingen vid varje tid t.

Prov 1:

Den förhöjda temperaturen som cellen ska testas för är 71 °𝐶 och testet ska löpa under ca 100 timmar. Tidsintervallet mellan I-V mätningarna är till en början en gång i timmen för att senare utökas. Utökningen sker då provet efter en timmes belysning inte uppvisar någon signifikant skillnad.

Prov 2:

Den förhöjda temperaturen som cellen ska testas för är 25 °𝐶 och testet ska löpa under ca 100 timmar. Tidsintervallet mellan I-V mätningarna kommer vara identiska med prov 1.

En del av arbetet har varit att modifiera värmesystemet. Det behövdes för att kunna värma provet med peltierelementen. Den kontrollenhet som fanns i utrustningen kunde endast kyla provet. För att kunna värma byttes kontrollenheten och en potentiometer ut, samt en LCD display. Bilder på den nya kontrollenheten finns i bilaga 1.

3.2 Utrustning

En guldpläterad värmeplatta används. För att plattan ska hållas vid en förhöjdtemperatur används peltierelement som styrs av Peltier-controller QC-PC-CO-CH1 och en NTC termistor. NTC: n i experimentet har parametrarna 𝑅₂₅= 10𝑘Ω och 𝛽 = 3977 𝐾. För att transportera bort kylan från peltierelementen används vattenkylning. Se bilaga 1 för figur över kontrollsystemet.

För provet som hållas vid rumstemperatur används en platta med infrästa kanaler för vattenkylning.

För att belysa cellerna används lysdioder som ger ett artificiellt solljus motsvarande solens ljusstyrka (ca 1000 𝑊/𝑚²). Sollampan har dock en annan fördelning av våglängder än solens ljus. Fördelningen hos de artificiella solljus som används i experimentet visas i figur

16

12. På sollampan sitter luftkylning, se bilaga 2 för figur på ljusuppställningen. Se bilaga 3 för figur på hela uppställningen. Plattorna är även utrustade med en vakuumpump som håller proverna mot ytan så att kontaktytan blir bra.

En LBIC-skanner med våglängden 826nm används.

En cetisPV-CTL1 IV measurement och en cetisPV-XF1 Flash control används för ett erhålla I-V värden.

För att göra fram- och bakkontakten kontinuerlig används ACHESON 1415 silver pasta.

Figur 12. Fördelning av våglängder fr det artificiella solljus som används. Figur skapad av Rickard Hansson.

17

4 Resultat

Figur 13 visar översiktsskanningar av prov 1. 13a är för leveranstillstånd och 13b efter 100 timmars degradering. I 14a och b visar samma information för prov 2. I 14a visas vilka områden som är valda för högupplöst skanning. Områdena är samma för prov 1 som prov 2. Degradering för prov 1 är högst i de centrala delarna av cellen. I 13b syns fler korngränser, samt att den dominerande degraderingen är koncentrerad till de defektfria områdena. För prov 2 kan ingen tydlig förändring observeras ur figur 14a och b. Silverpastan som appliceras för att göra fram- och bakkontakten kontinuerlig visar inga tendenser till att påverka resultatet. I Figur 13 och 14 kan en diagonal struktur observeras. Det är ingen riktig struktur utan ett tecken på Moiers effekt, det vill säga ett optiskt fenomen. Fenomenet beror på steglängden hos LBIC utrustningen, Denna struktur försvinner vid de högupplösta skanningarna då steglängden är kortare.

Figur 13a. Visar IQE karta erhållen genom LBIC för prov 1 vid leverans. Figur 13b. Visar IQE karta erhållen genom LBIC för prov 1 efter 100 timmars degradering

Figur 14a. Visar IQE karta erhållen genom LBIC för prov 2 vid leverans. Figur 14b. Visar IQE karta erhållen genom LBIC för prov 2 efter 100 timmars degradering

.

18

Figur 15. Högupplösta bilder för prov 1. Områdena är samma som de som representeras i figur 14a.

19

Figur 16. Högupplösta bilder för prov 2. Områdena representeras i 14a.

20

Figur 15 visar högupplösta LBIC-bilder för de valda områderna för prov 1. Till vänster visas bilderna vid leveranstillstånd och till höger bilderna efter 100 timmars degradering.

Skalan för IQE är samma för samtliga bilder. Överst visas område A följt av B, C och D.

På samma sätt är de valda områderna representerade i figur 16, men då för prov 2. Även i figur 15 observeras det att den största degraderingen sker i de områden utan lokala defekter.

I de områden utan lokala defekter går IQE från cirka 97% ner till 90-91%. Det kan jämföras med de stora defekterna där ingen större degradering observeras. I området nära defekten observeras degradering från cirka 93% till 90%. I figur 15B kan fler korngränser observeras efter degraderingen. I figur 16 kan ingen skillnad större skillnad observeras. Vertikala rader med små punkter ska observeras i figur 15 och 16.

Cellen som belysts under högst temperatur visar betydligt större degradering redan efter en timme, se figur 17A och B. Efter 100 timmar visar prov 1 en degradering av kortslutningströmmen på cirka 6% medan prov 2 endast degraderat cirka 0,7%. Liknande skillnader erhålls för tomgångsspänningen men då 4% för prov 1 och försumbar degradering för prov 2. Fill faktorn för de båda proven anses inte förändras av degraderings mekanismerna.

Figur 17A. Överst representeras kortslutsströmmens degraderingsförlopp under de 100 första timmarna.

Figur 17B. I mitten representeras tomgångsspänningens degraderingsförlopp.

Figur 17C. Nederst representeras fill faktorns degraderingsförlopp.

Prov 1 Prov 2

21

5 Diskussion

I figur 13a och 14a syns ett förväntat resultat av en multikristallin PERC-cell i leveranstillstånd med homogent fördelade defekter och korngränser. Det syns även tydligt att 13a och 14a är systerceller. Defekter och korngränser har samma position i båda cellerna. De fyra områdena i varje cell som representeras i figur 15 och 16 visar även de att cellerna är systerceller. Systerceller är celler vars kisel lager är tagna bredvid varandra i gjutet kisel, det medför att kornstrukturen är mycket liga för de båda cellerna.

Den inhomogena degraderingen som observeras i figur 13b skulle kunna bero på att belysningen på cellen inte är konstant 1000𝑊/𝑚² över hela cellen. En variation mellan olika punkter antas finnas. En sådan variation skulle kunna beskriva varför degraderingen är lägre längs kanterna. Det är känt degraderingens storlek och hastighet beror på ljusstyrkan och temperaturen [4]. Om ljusstyrkan är lägre kan degraderingen antas bli lägre.

Värmeplattan antas hålla en konstanttemperatur.

Att fler korngränser syns i LBIC-skanningarna efter degraderingen beror högstroligt på att degraderingens storlek varierar mellan dessa områden. Korngränserna har efter degradering högre IQE än kornen. Det går därför att säga att degraderingen är större i kornen än i de små korngränserna. Fler korngränser kan observeras i 13b samt i figur 15.

Degraderingsförloppet för prov 2 som representeras i figur 17A och 17B, skiljer sig mycket från den för prov 1. Degraderingen är betydligt mindre för prov 2 än för prov 1. Av det kan man utläsa att den eller de dominerande degraderingsmekanismerna för LeTID har en högre aktiveringsenergi än den som fås av den termiskaenergin vid rumstemperatur. Detta anses vara ett rimligt resultat, då tidigare experiment har kunnat visa att PERC-celler inte lider av kraftig degradering förrän den förhöjda temperaturen når 50°C [4]. Samma resultat observeras i LBIC-skanningarna där ingen större skillnad kan hittas mellan 14a och b, samt för bilderna i figur 16.

Den degradering som kan observeras är en liten sänkning av IQE nära de allvarliga defekterna, det syns tydligt i figur 16. Det skulle betyda att en liten ljusaktiverad degraderingsmekanism sker nära defekterna. Det skulle även betyda att en annan eller flera mekanismer sker vid defekterna för det varma provet. Att endast en liten minskning i IQE kan observeras för prov 2 stämmer bra med det resultat som erhålls i figur 17A och B.

De vertikala raderna med punkter som kan observeras i figur 15 och 16 tros vara öppningarna i passiveringslagret. Det känns rimligt då en förhöjd rekombination vid öppningarna borde ske på grund av fördelning av energinivåer i bandgapet, se figur 6a. Att dessa punkter inte går att observera efter degradering i figur 15, antas bero på att degraderingen i kornen är högre än den vid öppningarna i passiveringslagret. Skillnaden i IQE mellan kornen och öppningarna blir då mindre och svårare att observera. I figur 16 kan dessa punkter observeras båda före och efter degradering vilket tyder på att belysningen inte påverkar passiveringslagret och dess öppningar.

Degraderingsexperiment liknande det som utförs för prov 1 har visat samma degraderingsförlopp, med högre degraderingshastighet i början för att sedan plana ut. Men storleken på degraderingen och hur många timmar som behövs för att nå maximal degradering, har varierat mellan olika experiment. Variationen tros bero på skillnader i laborationsmiljö, det vill säga olika temperaturer och skillnader i ljusstyrka [3]. Skillnader i tillverkningen av solcellen som används har genererat variation av degraderingsstorlek [6]. Experiment har kunnat visa skillnader i degraderingsförlopp beroende från vilken del

22

av det gjutna kislet, det aktiva lagret kommer ifrån. Dessa faktorer gör det svårt att jämföra exakta siffror för degraderingen, men de resultat som erhållits här anses vara rimliga och degraderingsförloppet överensstämmer med tidigare genomförda experiment.

Om den snabba degraderingen i början för prov 1 skulle bero på de BO-komplex och FeB pars upplösning, skulle samma sak även ha skett för prov 2. Då det inte sker en snabb degradering för prov 2 tyder det på att BO-komplex och FeB pars upplösning inte kan vara en dominerande degraderingsmekanismen för proven. BO-komplex och FeB pars upplösning är ljusaktiverade mekanismer (LID mekanismer) [1], som borde ha skett för båda proverna. Flera experiment har kommit fram till den slutsatsen att BO-komplex och FeB pars upplösning inte har någon dominerande inverkan på LeTID [2] [4] [3].

Teorin som Bredemeier presenterar i [6] skulle kunna beskriva de erhållna graferna i figur 17A och 17B. Teorin går ut på att det i kislet finns många metallslaggpariklar som under rapid thermal annealing (RTA) löser upp sig och bildar lösta atomer i kristallgittret 𝑀_𝑖. De lösta atomerna kan då binda till andra orenheter X i materialet såsom syre, kväve och kol och 𝑀_𝑖− 𝑋 komplex bildas. 𝑀_𝑖− 𝑋 antas bidra lite till rekombination. När provet belyses under förhöjd värme ändrar komplexen konfiguration till 𝑀_𝑖− 𝑋^∗ som agerar som mer aktiva rekombinationscentrum. Det skulle beskriva den snabba degraderingen i början. Vid fortsatt belysning och värme delar komplexen upp sig till 𝑀𝑖 och 𝑋. 𝑀𝑖 antas i teorin vara ett mycket aktivt rekombinationscentrum vilket beskriver den långsammare degraderingen.

Tillslut diffunderar 𝑀_𝑖 och fastnar vid till exempel korngränser och ytan där de inte längre gör lika stor skada. Det sista steget skulle kunna beskriva den regenerering som bland annat beskrivs i [2] och [4]. Prov 2 skulle då inte aktivera processen som bildar 𝑀_𝑖− 𝑋^∗ komplex och då inte degradera på samma sätt. Bredemeirs teori anses vara rimlig, då det för LID är känt att BO-komplex och FeB pars upplösning är de dominerande mekanismerna. Det är känt att dessa typer av mekanismer ger upphov till degradering hos solceller, det är därför inte otroligt att det skulle vara liknande mekanismer som sker för LeTID.

Att degraderingsförloppet överensstämmer med vad Bredemeiers model beskriver går att se i resultatet. Det skulle dock vara intressant att likt Bredemeiers experiment [6] ta reda på vilka metallföroreningar kislet innehåller samt vilka koncentrationer det är av de.

I figur 17b representeras tomgångsspänningens degraderingsförlopp. Under de 10 första timmarna er hålls ett resultat som skulle kunna liknas vid en sinuskurva. Då detta resultat erhålls för båda proven så är det inte osannolikt att det är någon mekanism som sker för båda cellerna under de 10 första timmarna. Det går dock inte att utesluta att det är små mätfel. Fler experiment krävs för att fastställa om det är något och i så fall vad det är som sker. Då det sker i båda proverna skulle det kunna vara en mekanism som aktiveras av belysningen. Det som sker under de 10 första timmarna beskrivs inte av Bredemeiers teori [6], dock är det inte omöjligt att det kan vara bildande och upplösning av olika komplex i materialet som ger upphov till vågen under de första 10 timmarna. Sinuskurvan anses dock inte vara nån dominerande degraderingmekanism.

Fill factor som representeras i figur 17C, anses inte påverkas av degradering.

Standardavvikelsen är större än variationen i mätningarna, vilket tyder på att det skulle kunna vara oförändrat. Det är rimligt då FF bland annat beror på resistanser i cellen och inte på kortslutningsström och tomgångspänning. Storleken på rekombinationen borde inte påverka resistansen i någon större grad. Resistansen i materialet är en materialkonstant som inte borde påverkans nämnvärt av ljus-och värmebehandling.

23

Översiktsbilderna efter degradering, figur 13b och 14b, visar att det är degraderingen av de områden utan lokala defekter som är dominerande. I de fina områdena där kristaller är mest kontinuerliga sker den största degraderingen. Bredemeiers teori kan beskriva degradering av de områdena som erhållits [22].

I figur 18 visas en quioteitent bild av område A. En quioteitent bild är en bild som jämför två andra bilder genom att placera de ovanpå varandra. I Figur 18 indikerar rött oförändrat och lila mycket förändrat. Det som kan observeras för prov 1 är att det finns en viss variation mellan olika lokalt defektfria områden. Detta kan bero på att metalldefektstätheten kan variera mellan områdena, vilket fortfarande skulle kunna beskriva av Bredemeiers teori. För prov 2 kan ingen ny information erhållas.

Det som tydligt framgår i figur 19 är att korngränserna är oförändrade eller i alla fall minst förändrade om vi jämför med omgivningen. Vi kan även se att en del korngränser får högre EQE efter belysning, de röda partierna. Vi kan likt de andra bilderna av prov 1 se fler korngränser i quioteitenta bilder än i bilderna gjorda vid leverans. Det är här tydligt att de lokalt defektfria områdena påverkas mycket. Det som observeras här är dock att områdena närmast kornen lider av större degradering än som tidigare observeras i figur 15. Det skulle

Figur 18. Quioteitent bild av prov 1 till vänster och prov 2 till höger.

Figur 19. Prov 1 område A. Till höger en quioteient bild där före och efter degraderingen jämförs.

24

kunna bero på att metalldefektetstätheten är högre där. Det skulle även kunna bero på att det nära defekter sker andra degraderingsmekansimer.

Den degradering som observeras vid korngränser och defekter kan beskrivas av Bredemeiers teori. Degraderingen i korngränser är inte lika stora som de för de lokalt defektfria områdena, vilket är rimligt. Metallkomplex i en fin periodisk kristall borde göra mer skada en ett metallkomplex i en allvarlig defekt. Degraderingen som observeras vid de allvarliga defekterna anses vara större för prov 1 än för prov 2. Det skulle kunna medföra att det är minst 2 mekanismer som sker. En ljusaktiveras vilket även observeras för prov 2 samt en som aktiveras av termisk energi. Den som aktiveras av värmen skulle kunna beskrivas av Bredemeier. Det skulle även kunna vara så att värmen accelererar mekanismen som observeras för prov 2.

LBIC-mätningar görs endast med en våglängd av ljus till skillnad från I-V värdena som tas fram av ljus från hela spektret. Det kan medföra att resultatet från LBIC-mätningarna och I-V värdena kan skilja sin lite från varandra.

Vid sista LBIC-mätningen uppkom en spricka när prov 1 skulle laddas i LBIC- utrustningen, se figur 20. Sprickan anses inte påverkat resultatet. En ytterligare LBIC- skanning av prov 1 genomfördes, då utrustningen kopplades till en annan punkt. Det resultatet var identiskt med det resultat erhållet när utrustningen kopplades till sprickan.

Silverpastan som appliceras för att göra fram- och bakkontakten kontinuerlig visar inga tendenser till att påverka resultatet. Förstorad bild över området med silverpasta visas i figur 21. Det är dock oklart om silverpastan vid högre förhöjd temperatur skulle kunna påverka resultatet.

Figur 20. Spricka vid framkontakt.

Figur 21. LBIC-bilder för prov 1 vid de område där fram- och bakkontakt görs kontinuerliga med silverpasta.

25

6 Slutsats

Degraderingen aktiveras av den förhöjda temperaturen. Degraderingen uppgår till nästan 10% sett till effekten. Belysning vid 25°C ger inte någon större degradering. Degraderingen sker till störst del i kornen men en viss del sker även vid korngränserna. Öppningarna i passiveringslagret påverkas inte nämnvärt. Fler experiment och med flera olika mätningar behövs för att om möjligt kunna komma med ett svar på vilka mekanismer som är dominerande för LeTID.

26

7 Avslutning

Om mer tid funnits hade det varit möjligt att fortlöpa degraderingen tills den nått sitt max och sedan observera om en regenerationsfas inleds som i andra liknade experiment [2]. Att studera regenerationen hade kunnat ge bättre förutsättningar till att beskriva vad det är som händer under degraderingen. Experiment på celler med kisel från en annan del av det gjutna kislet skulle kunna hjälpa för att beskriva defekters inverkan på degraderingen. Olika defekter finns generellt i olika delar av det gjutna kislet. För att göra experimentet mer tillförlitligt skulle ett större antal celler behövt gå igenom samma process och visat dylika resultat.

Det skulle vara intressant att göra om experimentet på fler celler och se om sinuskaraktären under de första 10 timmarna upprepar sig och för ett sådant experiment göra fler LBIC- skanningar under de första 10 timmarna för att ge möjlighet att beskriva vad som händer.

Det skulle även kunna vara aktuellt med andra typer av mätningar.

Att utföra experiment vid flera olika temperaturer skulle kunna ge förutsättning att beskriva temperaturens påverkan på degraderingen samt ge svar på om användningen av silverpasta är en tillförlitlig metod, även för högre temperaturer.

27

8 Referenser

[1] J. Lindroos och H. Savin, ”Review of light-induced degradation in crystalline silicon solar cells,” Elsvier, Karstad Sverige, Espoo Finland, 2015.

[2] A. Zuschlag, D. Skorka och G. Hahn, ”Degradation and regeneration in mc-Si after different gettering steps,” University of Konstanz, Konstanz, Tyskland, 2016.

[3] F. Kersten , P. Engelhart, H.-C. Ploigt, A. Stekolnikov, T. Lindner, F. Stenzel, M.

Bertzsch, A. Szpeth, K. Petter , J. Heitmann och J. W. Müller, Degradation of multicrystalline silicon solar cells and modules after illumination at elevated temperature, Bitterfeld-Wolfen och Freiberg tyskland: Elsevier, 2015.

[4] K. Ramspeck, S. Zimmermann, H. Nagel, A. Metz, Y. Gassenbauer och B.

Birkmann, ”Light induced degradation of rear passivated MC-Si solar cells,”

SChott solar, Alzenau.

[5] A. Schmidt , J. Lindroos, A. Zuschlag, D. Skorka, J. Fritz och G. Hahn, ”Influence of low-temperature annealing before firing on LeTID in multicrystalline silicon,”

University of Konstanz, Konstanz Tyskland.

[6] D. Bredemeier, D. Walter, S. Herlufsen och J. Schmidt, ”Lifetime degradation and regeneration in multicrystalline silicon under illumination at elevated temperatur,”

Hanover, Tyskland, 2016.

[7] C. Fahrland, Y. Ludwig, F. Kersten och K. Petter, ”Sponge LID - a new degradation mechanism?,” Wolfen, Freiberg Tyskland, 2014.

[8] ”Wikipedia.org,” Wikipedia, 08 Maj 2019. [Online]. Available:

https://sv.wikipedia.org/wiki/Solcell. [Använd 17 Maj 2019].

[9] D. Chapin, C. Fuller och G. Pearson, ”A New Silicon p-n Junction Photocell for Convering Solar Radiation into Electrical Power,” AIP Publishing, 1954.

[10] Energimyndigheten, ”Energimyndigheten.se,” Energimyndigheten, 15 September 2015. [Online]. Available:

http://www.energimyndigheten.se/fornybart/solenergi/solceller/. [Använd 05 April 2019].

[11] J. Summers, ”originenergy.com,” Orgin energy, 24 Oktober 2018. [Online].

Available: https://www.originenergy.com.au/blog/lifestyle/5-largest-solar-farms-in- the-world.html. [Använd 05 April 2019].

[12] D. A. Neamen, Semiconductor Physics And Devices, McGraw-Hill Education , 2012.

[13] J. Nelson, The Physics of Solar Cells, London: Imperial college press, 2003.

[14] ”pveducation.org,” pveducation, [Online]. Available:

https://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junctions/diffusion-length. [Använd 20 Maj 2019].

28

[15] ”aleo-solar,” aleo-solar, [Online]. Available: https://www.aleo-solar.com/perc-cell- technology-explained/. [Använd 07 Maj 2019].

[16] ”Wikipedia.org,” Wikipedia, 1 Maj 2019. [Online]. Available:

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_efficiency. [Använd 13 Maj 2019].

[17] ”pveducation.org,” pvducation, [Online]. Available:

https://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/series-resistance.

[Använd 19 Maj 2019].

[18] ”Wikipedia.se,” Wikipedia, 22 Oktober 2018. [Online]. Available:

https://sv.wikipedia.org/wiki/Peltiereffekt. [Använd 07 Maj 2019].

[19] ”Wikipedia.org,” Wikipedia, 24 April 2019. [Online]. Available:

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor. [Använd 07 Maj 2019].

[20] LBIC, ”Wikipedia.org,” Wikipedia, 05 Juni 2018. [Online]. Available:

https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_beam-induced_current. [Använd 07 Maj 2019].

[21] ”www.freiberginstruments.com,” freiberginstruments, [Online]. Available:

https://www.freiberginstruments.com/upcdmdp/technology/penetration-depth-of- different-laser-wavelength-in-silicon.html. [Använd 21 Maj 2019].

[22] T. Luka, S. Grosser, C. Hagendorf, K. Ramspeck och M. Turek, ”intra-grain versus grain boundary degradation due to illumination and annealing behavior of

multi.crystalline solar cells,” Elsevier, Halle, Frankfurt Tyskland., 2016.

[23] W. J. W. Donald R. Askeland, Science and Engineering of Materials, Cengage Learning, 2015.

8.1 Bildreferenser

[24] Institute for solar energy research Hamil (ISFH) [Använd 12 April 2019]

Bilaga 1

Bilaga 2

Bilaga 3

Bilaga 4