Alumni-Preis 2022

Betreuer: Prof. Dr. A. Bett (Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme, ISE)

Kurzzusammenfassung der Arbeit (deutsch):

Da die Produktion von photovoltaischen Bauelementen, insbesondere von Solarzellen aus kristallinem Silizium, ständig wächst, müssen sowohl die Produktionstechnologien als auch die entsprechende Messtechnik an höhere Durchsätze angepasst werden. Die wichtigste Charakterisierungsmethode für Solarzellen ist die Messung ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie, kurz IV-Kennlinie, aus der ihr Wirkungsgrad η bestimmt werden kann. Solche Messungen setzen die elektrische Kontaktierung der zu messenden Solarzelle voraus, was für die Zeitdauer der Messung und daher ihr Durchsatzpotential limitierend ist. Eine kontaktlose Messmethode könnte diese Grenzen durchbrechen und die Integration von Inline-IV-Messungen in Hochdurchsatzproduktionslinien ermöglichen.
In meiner Masterarbeit habe ich erfolgreich ein “Proof of Principle” solch einer Messmethode zur kontaktlosen Bestimmung der Hellkennlinie von Silizium-Solarzellen durchgeführt. Die untersuchte Methode kombiniert die separaten Messungen der Pseudokennlinie, der Kurzschlussstromdichte und des globalen Serienwiderstands der Solarzelle. Die Pseudokennlinie wird mit der bekannten kontaktlosen sunsPL-Methode gemessen und mit der Kurzschlussstromdichte skaliert, für die zwei verschiedene kontaktlose Messmethoden in der Arbeit untersucht wurden. Der erste Ansatz ist Elektrolumineszenz-Anregungsspektroskopie und der zweite benutzt spektrale Reflexionsmessungen in Kombination mit analytischer optischer Modellierung. Zuletzt wird die Pseudokennlinie um den Effekt des globalen Serienwiderstands korrigiert, der mittels einer neu entwickelten Methode basierend auf teilabgeschattetem Photolumineszenz-Imaging bestimmt wird. Diese ganze Prozedur wurde an einem kleinen Satz an Silizium-Solarzellen getestet und die resultierenden IV-Kennlinien und Wirkungsgrade stimmen gut mit Standard-Messungen mit elektrischer Kontaktierung der Zellen überein.

Abstract of thesis (english):

As the production of photovoltaic devices, especially of crystalline silicon solar cells, is growing, production technologies as well as measurement techniques aim for higher throughput. The most important characterization method for solar cells is measuring their current-voltage (IV) characteristic from which their energy conversion efficiency η can be determined. Such measurements require electrical contacting of the solar cell under test, which limits measurement time and therefore throughput potential. A contactless measuring method could overcome these limits and enable the integration of inline IV measurements in high-throughput production lines. In my master thesis I successfully performed a proof of principle of such a measuring method for contactless determination of light IV curves of silicon solar cells. The investigated method combines the separate measurements of the pseudo IV curve, the short-circuit current density and the lumped series resistance of the solar cell. The pseudo IV curve is measured via the common contactless sunsPL method and scaled by the short-circuit current density, for which two different contactless measuring methods were investigated in the work. The first approach is electroluminescence excitation spectroscopy and the second uses contactless spectral reflectance measurements in combination with analytical optical modeling. Finally, the pseudo IV curve is corrected by the effect of the lumped series resistance of the solar cell determined with a newly developed method based on partially shaded photoluminescence imaging. This whole procedure was tested on a small batch of silicon solar cells and the resulting IV curves and efficiencies agree well with standard measurements including electrical contacting of the cells.