Setup of a laser facility for characterization and treatment of photovoltaic devices

Diploma thesis

"Setup of a laser facility for characterization and treatment of solar cells"

Autor: 

Günther Krauß

"Excerpt in German"

Die Diplomarbeit wurde von mir in englischer Sprache verfaßt, da die Arbeit im Zuge eines LEONARDO DA VINCI Traineeship Programmes am CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Technológicas, Madrid, Spain) durchgeführt wurde und auch von der politechnischen Universität (Institut für Solarenergie) betreut wurde.
Diese Diplomarbeit beschreibt das Design und die Montage eines experimentellen Systems zur Charakterisierung und Strukturierung von Solarzellen und anderen Photovoltaikbauteilen.
Das designte Lasersystem kombiniert ein Werkzeug zur Strukturierung von Dünnschichtsolarzellen mit einer Charakterisierungseinheit (,,Photoresponse Mapping"-Technik)
Das Charakterisierungsteilsystem arbeitet nach dem LBIC-Prinzip (laser beam induced currents). Das System zur Strukturierung von dünnen Schichten arbeitet mit einem NdYAG Lasercutter, der gewöhnlicherweise auch zu IC-Reparaturen verwendet wird.
Ziel dieser Diplomarbeit ist der ,,Set-Up" des Doppel-Lasersystems, welches die Anstrengungen in der Forschungsarbeit der Entwicklung neuer Materialen für Solarzellen und deren Charakterisierung unterstützen soll.
Benutzt man Standardmethoden (I-V Kurven, Spektrale Empfindlichkeit), um optische-elektrische Eigenschaften einer Solarzelle zu messen, erhält man ein quantitatives Ergebnis, das einem keine Rückschlüsse auf lokale Defekte innerhalb der Probe erlaubt. Kleine Defekte innerhalb eines photovoltaischen Bauelementes können die Leistung dieses Bauteils negativ beeinflussen. Der Vorteil der ,,Photoresponse-Mapping" -Technik liegt in der Möglichkeit, lokale Messungen am Bauteil vorzunehmen.
,,Laser-Scribing" ist eine Schlüsseltechnologie im Herstellungsprozess von amorphen Silizium-Solarzellen. Diese Technologie deckt bereits 50% des Fabrikationsprozesses ab und hat die konventionelle Methode mittels Photolithografie bereits komplett ersetzt. [1]
Der erste Teil dieser Arbeit soll in das Thema einführen und erläutert die vorgegebene Aufgabenstellung.
Der Theorie folgend ([2], [3]) werden die fundamentalen Prinzipien des Energiewandlungsprozesses einer Solarzelle in Kapitel 2 erläutert, um den physikalischen Hintergrund der Solarzellencharakterisierung zu verstehen.
Das Kapitel 3 gibt einen Überblick über die zum Design des Systems verwendete Laborausstattung und erläutert wie die Einzelteile, funktionell zusammengesetzt zum System, eine nach dem ersten Set-Up zuverlässig funktionierende Laboreinheit bilden.
Im Kapitel 4 wird die Wahl der Software und der unterschiedlichen verwendeten Schnittstellen (GPIB, low-level-programming, RS232) begründet. Ebenfalls wird ein kurzer Überblick über die Leistungsfähigkeit der Programmierwerkzeuge gegeben.
Nach dem Aufbau eines solchen Systems ist es natürlich von großem Interesse, erste erhaltene Messergebnisse zu verifizieren. Dies wird im Kapitel 5 getan. Hier wird auch der Zusammenhang zu anderen opto-elektrischen Charakterisierungsmöglichkeiten aufgezeigt und die erhaltenen Messergebnisse werden unter Einbeziehung dieser komplementären Charakteristiken der verwendeten Solarzellen interpretiert.
Kapitel 6 sollte einige Ideen zur weiteren Entwicklung und Verbesserung des Systems aufzeigen und einen Anreiz geben, dieses entwickelte System für weitere Diplom- oder Promotionen zu verwenden.
Eine Zusammenfassung der Arbeit ist als siebtes Kapitel angefügt und drei angehängte Kapitel (Appendix 1-3) ermöglichen einen tieferen Einblick in das Systemdesign.

Abstract

This thesis, submitted for a diploma, describes the set up of an experimental system which basically includes two lasers and one precision positioning system. The facility designed should be used for the characterization of solar cells by photoresponse mapping and for scribing thin films.

The photoresponse-mapping equipment uses a He-Ne laser, an intensity-measuring photodiode, a sample holder with electrical tips mounted on the x-y positioning tables and a set of electrical-measurement facilities, such as digital voltmeters and operational amplifiers. Photoresponse maps are obtained by laser beam induced currents (LBIC). The scribing system consists of a Nd-YAG laser cutter, a special microscope, and a sample holder mounted on the x-y positioning table. 
It was the objective of this work to put all parts properly together and to reach in a first set up a reliable working facility as well as to do a number of initial measurements with the characterization part of the system. Individual tasks included:

Designing a global platform for the system, mountings and sample holders, fixing the two lasers, the positioning system and the sample holders on this platform. Installing a photodiode for monitoring the He-Ne laser intensity.
Making the electrical connections for measuring the short-circuit currents generated by the device under test for photoresponse mapping, which includes connecting the operational amplifiers and the digital multimeters.
Developing individual control subroutines for the positioning table, the Nd-YAG laser and the voltmeters.
Measuring a number of photoresponse maps in order to establish the validity of the experimental set up.
The system set up represents an automated system controlled by a personal computer (type 80286) via different interfaces. The double laser facility already works reliable and performs the characterization of solar cells by photoresponse mapping and the scribing and cutting of thin films. With the experimental results carried out by initial photoresponse mappings, it was possible to determine the active area, to identify local defects, to generate maps of surface heterogeneity, and to calculate local spectral response values of solar cells or other photovoltaic devices.
After the set up, the laser scribing system is ready to be tested and should initially be used to optimize scribing and cutting conditions. Moreover it should be used for research and development of photovoltaic materials and devices.

1 Introduction

Worldwide 80% of all energy used comes from fossil fuels like coil, oil, and natural gas. Since these energy resources are exhaustible, low energy consumption and the search for renewable energy resources should be the basis of the world energy structure of the 21st century. Obviously, solar energy can not solve all energy problems but could deliver a part of the energy consumed worldwide.
Nevertheless, it is not part of this thesis to discuss social and political questions.
They should be discussed elsewhere.
The topic of this thesis is the set up of a double laser facility which should support the efforts of CIEMAT’s laboratory staff to investigate in the field of photovoltaic device development. CIEMAT is the main Spanish RTD (Research and Technological Development) center working on energy resources. One of its groups focuses on the preparation and characterization of thin film materials (a-Si:H, CIS and CdS) for photovoltaic-device applications.

Part of the motivation for thin-film work is its ability to use layers only a few microns thick rather than the freestanding silicon wafers, which are hundreds of microns thick [18].
The double laser facility designed combines one tool for the treatment with one tool for the characterization of photovoltaic devices. 
Using standard methods like current-voltage - and spectral response characterization to measure optical device performance, the measured quantity is usually an average value over the entire wafer. Small defects within a wafer, that can negatively influence the performance of the device, may not be discovered. By scanning the whole sample with laser light one can induce short circuit currents in the device under test, measure these currents, and present them by a photoresponse map. The advantage of photoresponse mapping is the possibility to obtain a lateral resolution. Using a scanning technique, the measurement is performed locally in limited areas of the probe, whereby the relative influence of the defect on the signal is more pronounced and hence detectable. The simplicity in equipment using photons instead of electrons for scanning a sample might be the most attractive feature. There is no need for vacuum and the scanning of light is easy to accomplish. (Kai Wilhelm and Birger Drugge give in their doctoral dissertations a detailed comparison of advantages and disadvantages of using photons or electrons as excitation sources to scan photovoltaic devices ([5], [30]).
For thin film fabrication it is very important to be able to cut metal contacts and ablate selective thin film material deposited on glass or other materials.
The above mentioned processes of thin film fabrication are usually named “laser scribing”. Laser scribing is a key technology in the manufacturing process of amorphous silicon integrated modules. It covers about 50% of the fabrication process steps and has completely replaced the conventional metal masking or photolithography methods [7].

Literatur:

[1] Laser Focus World, March 1997, 127 - 133, December 1997, 67 - 75

[2] Eduardo Lorenzo, Electricidad Solar, Ingenieria de los sistemas fotovoltaicos, Progensa, Sevilla 1994

[3] Hans J. Möller, Semiconductors for Solar Cells, Artech, Boston 1993