专利名称：利用空间分解发光成像进行器件测定的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及光伏器件的测定，特别是对局部二极管特性的依赖度较低的测 量空间分解串联电阻的非破坏性方法。
背景技术：
太阳能电池量产中的优化和工艺控制要求对各种电特性进行测量。在贯穿整个 电池区域上进行的空间分解测量尤其有吸引力，这是因为这将得到被测电池数据随位置 的变化的有关信息。这种空间信息对于追踪诸如不均勻的材料质量、错误或非优化构造 的制造设备、或电池布局设计中的缺陷等问题是至关重要的。为了实现太阳能电池量产 中的工艺控制，理想的测定方法应当是非破坏性并且快速的。串联电阻&是太阳能电池的主要电特性之一，其对电池效率具有直接影响。通 常，串联电阻会在太阳能电池区域各处具有变化，并且通常需要了解电池上位置i处的局 部电流密度J1(或其变化(AJ1))以精确地确定局部串联电阻Rs, l0在被照射的太阳能电池中，J1 = Jllght-Jd, 1；其中Jllght是近似与光照强度成线性关 系的光生电流，Jd,,是位置i处的局部二极管暗电流强度。Jd,,取决于位置i处的局部二 极管电压(V1)以及一些其它参数，这些参数包括局部二极管饱和电流以及局部理想系数 (ideality factor)，这些参数一般以某种未知的方式在电池区域各处具有变化。虽然已知一些方法能够测量贯穿太阳能电池的空间分解串联电阻，然而这些 方法均需要数分钟乃至数小时的测量时间和/或具有破坏性。例如，接触电阻扫描 (“Corescan")方法(A.S.H.van der Heideet al Sol.Energy Mater.Sol.Cells 74 (2002) 43)需 要使针划过电池的钝化层。基于发光成像的方法具有克服长测量时间和破坏性的局限的潜力。例如， T.Trupke等人报告了 一种基于光致发光成像的方法(” Spatially resolved series resistance of silicon solar cells obtainedfrom luminescence imaging (根据光致发光成像获取的硅太阳能电 池的空间分解串联电阻)”，AppLPhys丄ett.90 (2007) 093506)，D.Hinken 等人(” Series resistance imaging of solar cells by voltage dependentelectroluminescence (通过取决于电压 的电发光进行的太阳能电池的串联电阻成像)”，Appl.Phys丄ett.91(2007) 182104)和 K.Ramspeck 等人(” Recombination current and series resistance imaging of solarcells by combined luminescence and lock-in thermography (通过发光和锁相热成像的结合进行的太 阳能电池的复合电流及串联电阻成像)”，Appl.Phys.Lett.90 (2007) 153502)报告了基于电 发光成像的方法。这些方法的一个基本问题是对未知的局部二极管特性进行整体估计， 由于局部二极管特性(如Jd,在整体上不是均勻的而是贯穿装置区域具有实质变化的， 因此这种整体估计会导致不精确。说明书通篇中对现有技术的任何讨论都不应被认为承认了这些现有技术广为人 知或者构成该领域中一般公知常识的部分。
发明内容
本发明的一个目的是以优选的形式提供一种对空间分解串联电阻数据进行估计 的方法。根据本发明的第一方面，提供了一种对二极管器件区域处的串联电阻进行估计 的方法，该方法包括如下步骤使用初始光照强度和端子电压来测量器件区域的第一 发光强度A；使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述区域的第二发光强度 B1 ；测量其中至少一个参数相对第二校正发光强度B1的测量发生变化的所述区域处的第 三发光强度B2,其中所述参数是端子电压和光照强度；内插或者外插第二发光强度B1和 第三发光强度B2的光照强度值，以确定能够产生第一发光强度A的参数值；以及使用所 确定的参数值来估计所述区域处的串联电阻。优选地，所述区域对应于发光图像中的一个或多个像素。在一些实施例中，至 少一个发光强度是在零光照强度下产生的。优选地，如果在非零光照强度下产生了发光 强度，则通过确定所述区域的最小发光强度的反向偏置或者零偏置状态，来针对包括所 述器件的材料的受扩散限制的少数载流子寿命对发光强度进行校正。在一些实施例中，在第一发光强度测量值A和第二发光强度测量值B1之间光照 强度发生变化，而端子电压保持基本恒定。优选地，在一些实施例中，在第一发光强度 测量值A和第二发光强度测量值B1之间端子电压发生变化，而光照强度保持基本恒定。 在一些实施例中，在第二发光强度测量值B1和第三发光强度测量值B2之间端子电压发生 变化，而光照强度保持基本恒定。在其它实施例中，在第二发光强度测量值B1和第三发 光强度测量值B2之间光照强度发生变化，端子电压保持基本恒定。优选地，在一些实施例中，在第一发光强度测量A之后执行三次或更多发光强 度测量(Bp B2, B3……)，在执行所述三次或更多发光强度测量时，端子电压在第二发 光强度测量B1和后续的发光强度测量之间发生变化，光照强度保持基本恒定。优选地，在一些实施例中，在第一发光强度测量A之后执行三次或更多发光强 度测量(Bp B2, B3……)，在执行所述三次或更多发光强度测量时，光照强度在第二发 光强度测量B1和后续的发光强度测量之间发生变化，端子电压保持基本恒定。在一些实 施例中，对二极管器件多个区域处的串联电阻进行估计，以确定所述器件上串联电阻的 空间变化。在一些实施例中，在端子电压处于开路时测量第一发光强度A。根据本发明的另一方面，提供了一种确定二极管器件区域处的串联电阻是否超 过预定值的方法，该方法包括如下步骤使用初始光照强度和端子电压来测量器件区域 的第一发光强度；使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述区域的第二发光 强度；以及根据第一和第二发光强度测量来确定所述器件区域的串联电阻是否超过预定 值。优选地，如果在非零光照强度下产生了发光强度，则通过确定所述区域的最小发光 强度的反向偏置或者零偏置状态，来针对包括所述器件的材料的受扩散限制的少数载流 子寿命对发光强度进行校正。本发明的方法非常适用于光伏器件的应用。根据本发明的另一方面，提供了一种用于对二极管器件第一区域处的串联电阻 进行估计的系统，该系统包括发光检测器，其使用初始光照强度和端子电压来测量器 件第一区域的第一发光强度A，使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述区域第一区域的第二发光强度B1,并且使用另一变化的光照强度或者另一变化的端子电压 来测量所述器件第一区域的第三发光强度B2 ；以及处理器，所述处理器与所述发光检测 器相互连接，所述处理器用于内插或者外插第二发光强度B1和第三发光强度B2的光照强 度值，以确定能够产生与第一发光强度测量值A相同的发光信号的光照强度值和端子电 压值；以及所述处理器还用于根据所确定的发光强度值和端子电压值来计算器件第一区 域的串联电阻Rs。优选地，所述处理器还适用于针对包括所述器件的材料的受扩散限制的少数载 流子寿命来对第一、第二和第三发光强度中的至少一个进行校正。
通过下述仅以示例形式作出的说明并结合附图，本领域的普通技术人员将能够 更好地理解本发明的实施例。图1示出了适用于优选实施例的光致发光成像设置的示意图。图2示意性地示出了相机的传感器阵列及其分成小传感器像素的分段。每个相 机像素都具有由索引i表示的序列号，并且对太阳能电池的一个相应区域进行成像。因此 电池被分割成多个小区域，这些小区域的尺寸对应于每个相机像素能够映射的尺寸，这 取决于相机传感器阵列和成像光学装置的分辨率。因此，同一索引i代表太阳能电池的一 个相应区域，于是图2例示了相机传感器阵列和太阳能电池两者的分段。图3例示了太阳能电池部分i在等于7mA/cm2的短路电流强度的光照强度下的 两个电流/电压曲线。虚线31表示作为端子电压Vtemmal的函数而绘制的电流强度，虚 线31包括串联电阻Rs(假设为ΙΟΩαη2)的影响。实线32表示作为二极管Vi上的电压 的函数而绘制的电流强度，其不受串联电阻的影响。图3中的箭头示出了特定的端子电 压Vtommal, Α(竖直箭头34的尖端)和局部二极管电压V1, Α(水平箭头35的尖端)如何彼 此相关。竖直短划线36表示二极管电压V1的恒定值。图4例示了两个不同光照强度41、42下电流强度相对于二极管电压的曲线图。 曲线之间的距离是恒定的并且等于短路电流之差。图5和图6例示了在两个不同的光照强度20mW/cm2 (A)和100mW/cm2 (B)下、
作为端子电压的函数(虚线)和作为二极管电压的函数(实线)的电流强度的曲线图，两 个不同的光照强度20mW/cm2(A)和100mW/cm2(B)分别对应于短路电流强度7mA/cm2 和36mA/cm2。图5包括两个指向对应于同一二极管电压的两个端子电压的竖直绘制箭 头，表明对于每个端子电压Vtommal,八都存在对应于相同二极管电压的刚好一个特定端子 电压Vtommal, B。在图6中，竖直绘制的箭头61、62指向两个工作点Bl和B2，其中端子 电压Vtemmal,见和Vtommal, B2对应于分别大于和小于二极管电压V1, A66的二极管电压V1, 則65和 V1, B264。图7例示了其中端子电压在系列B中改变、光照强度在图像A和系列B之间改变 但在系列B中测量的图像之间保持恒定的特殊情况。将图像中像素i的测量数据示为点。 如实线71所示，对系列B的测量数据进行内插和外插。可以在根据图像B导出的内插曲 线(水平虚线)上得到发光强度I。_ra, A,工(即图像A的像素i处的强度)。由Δ Vterminal, ΒΑ来表示需要在像素i处产生相同发光强度并用于计算局部串联电阻的端子电压之差。测量点与图5和图6所示的测量点不同。图8例示了与图7类似的曲线，但是表示将来自系列B的像素i的发光值绘制成 (AVtommal, ba/Δ Jllght, αβ)的函数这种更一般的情况，其中(Δ Vt_nal, ΒΑ/Δ Jllght, ΑΒ)等于局 部串联电阻。在此情况下，端子电压和光照强度均在图像A和系列B中的图像之间以及 在系列B中的图像之间变化。(AVtommal, ba/Δ Jlight, ΑΒ)的每个值表示一个可能的局部串 联电阻值，其中框出的串联电阻对应于正确值。图9表示优选实施例方法的计算过程的流程图。
具体实施例方式在后文的说明中，表述“局部结电压”和“局部二极管电压”等同并由Vi表 示，术语“端子电压”和“偏置”等同。为了测量诸如光伏器件和太阳能电池等二极管器件的空间分解串联电阻，需 要针对发光成像的实验设置。对于光致发光成像的一种适当的设置形式(如图1所示 意’性 列不)，在标题为"Method andSystem for Testing Indirect Bandgap Semiconductor Devicesusing Luminescence Imaging(用于利用发光成像来测试间接带隙半导体器件的方法 和系统)”的PCT公开W02007/128060中进行了描述，其内容通过交叉引用并入本文。通常，太阳能电池及其分段的电流密度由下式给出J1 = Jllght-Jd, ,(V1)其中Jllght是光生电流，在大多数情况下等于外部光照强度下的电池的短路电流并 且呈线性，因此光照强度中明确定义的变化导致Jllght的明确定义的变化。在均勻光照的 条件下，Jllght可以被认为在样本电池上是均勻的。二极管暗电流Jd,工是二极管电压乂的 函数；精确函数Jd, Jv1)很复杂并且取决于多个一般未知的参数，这些参数均在电池区域 上变化。在发光图像中测量电池上的局部发光强度，并且能够与局部二极管电压相关 联。对于通过光激励产生的发光(即光致发光)，局部发光强度I。_ra,,包括两个分量， 其中一个指数性地依赖于局部二极管电压V1,另一个依赖于光照强度但独立于二极管电 压
_] I_era, . = C1- —V/kTHCo^, , (1)其中kT即所谓的热电压，C1是校正常数。对于电产生的发光(即电致发光)，
偏置C
off-set， 丄为零。对于已有的空间分解串联电阻测量方法，使用等式(1)来获得局部二极管电压 V,。重要的是要注意到，常数C1在电池区域上(即在不同的像素之间)会发生明显的变 化；此外，由于少数载流子的寿命和扩散长度会随着工作条件而变化，因此在单个像素 上C1也可能发生变化。需要获取并考虑这些依赖关系，以精确地解释发光信号。分量Cfset,工在特定的光照条件下为常量，并且由少数载流子寿命的所 谓扩散限制所导致，这是组成电池的材料的属性。如T.Trapke等人在Appl.Phys. Lett.90 (2007) 093506中讨论的，必须针对分量Ct^set,,来校正测得的相机信号。实际上， 从电池处在短路或者反向端子电压条件下的相机信号中得到Cfsrt, ΙΟ通过将光照强度保持为恒定、并将端子电压降低至足够低的值，来测量针对给
7定光照强度的偏置值Cm ΙΟ “足够低”意味着局部二极管电压必须足够小以至于对全 部发光发射的贡献可以忽略，即等式(1)中右手侧的指数项必须接近零或者至少远小于 Ctjfl^p为此，使电池工作在短路状态下通常是足够的。不过在极高的局部串联电阻的 情况下，短路条件无法提供足够低的局部二极管电压，这使得二极管对整个发光信号产 生了不可忽略的贡献。在这种情况下可以应用下面的处理对于选定的外部光强度，使太阳能电池初始工作在短路状态(Vtemmal = OV),并 通过相机拍摄发光图像。在反向端子电压(例如Vtommal = -(UV)下拍摄后续图像，并且 在两幅图像之间比较每个相机传感器像素i处的发光强度。如果一个像素处的强度I。_ra,
工在反向偏置条件下较低，则拍摄具有较大反向偏置(如-0.2V)的另一图像，重复此过程 直到每个I。_ra,,都到达其最小值或者可接受的低值。记录I。_ra,,的全部单个最小值。 判定二极管分量是否达到可忽略的程度的典型标准是例如当反向端子电压增加(朝负值 反向)0.1 V时像素是否变化超过10%。校正后的发光图像由在任何给定工作点测量得到的发光图像减去“校正发光图 像”构成，所述“校正发光图像”是使用相同的光照强度和测量参数、但是使电池工作 在短路或者反向偏置条件下(即具有可忽略的二极管分量)所测量得到。因此，每个像 素的校正发光强度仅由等式(1)右手侧的第一项构成，即纯二极管分量。如上所述，电 致发光图像不必按照这种方式校正。为了进行后面的讨论，如果有必要，对所有发光图 像进行如上文所述的“校正”。这样，术语“发光图像”或“发光强度”或“相机信 号”描述了相应的量，它们已按需针对受扩散限制的少数载流子寿命进行了校正。本发明优选实施例的基本思想是找出样本太阳能电池的对应于同一局部发光 信号的两个不同的工作条件A和B (具有不同的端子电压和不同的光照强度)，并使用此 信息来计算作为电池上位置的函数的串联电阻。优选实施例的一个关键方面是，由于相等的发光信号意味着相等的局部二极管 电压Vi以及相等的局部二极管暗电流强度Jd, 因此可以从分析中排除未知、复杂并且横 向变化的局部电流-电压特性；所需确定的只是工作条件A和B下的二极管电流相同。如果在两个不同的操作条件A和B下局部发光强度相同，则可以通过对光生电 流强度Jllght, A和Jllgh, B以及端子电压Vtommal, Α和Vtommal, 理论分析来量化局部串联电 阻民，，。这些量值中的一个或多个可以通过对实验数据进行内插或外插来得到，如下文 所述。对于太阳能电池的两个不同的工作条件，有如下两个等式Vterminal, A — Vi，A-Ji, A · Rs, i — Vi，A~ flight, i, A~Jd, i, A) ·民，iVterminal, β — Vi, B~Ji, B · Rs, i — Vi，B_(Jlight，i, B~Jd, i, B) ·民，i可以重写成Vterminal, A_Vterminal，B — Χ,B+{(Jlight，i, B~Jd, i, β) ~ flight, i, A~Jd, i，A) } ·民，i先前的基于发光的Rs成像方法具有无法精确确定电流密度之差的缺点，这是由 于未知的、且空间变化的二极管特性。此外，校正常数C1对电池工作条件的依赖性也被 忽略，这会导致额外的错误。对于给定的像素i，所述方法如下进行。如果两个工作条件A和B产生了相同 的发光强度，即I。_ra, ,, Λ = Icamer, , Β，则根据等式⑴有V1, Α = V1, Β(记住校正光致发光图像中的Cm ,是可忽略的或者为零)，因此Jd, L A = Jd, , Β。这两个关系允许上述 等式简化重置为下式
权利要求
1.一种对二极管器件的区域处的串联电阻进行估计的方法，该方法包括步骤(a)使用初始光照强度和端子电压来测量所述器件的所述区域的第一发光强度A；(b)使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述区域的第二发光强度B1； (C)测量其中至少一个参数相对第二校正发光强度B1的测量发生变化的所述区域处的第三发光强度B2,其中所述参数是端子电压和光照强度；(d)内插或者外插第二发光强度B1和第三发光强度B2的光照强度值，以确定能够产 生第一发光强度A的所述参数的值；以及(e)使用所确定的参数值来估计所述区域处的串联电阻。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述区域对应于发光图像中的一个或多个像素。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中至少一个发光强度是在零光照强度下产生的。
4.如任一前述权利要求所述的方法，其中如果在非零光照强度下产生了发光强度， 则通过确定所述区域的最小发光强度的反向偏置或者零偏置状态，来针对包括所述器件 的材料的受扩散限制的少数载流子寿命对发光强度进行校正。
5.如任一前述权利要求所述的方法，其中光照强度在第一发光强度测量值A和第二 发光强度测量值B1之间发生变化，而端子电压保持基本恒定。
6.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中端子电压在第一发光强度测量值A 和第二发光强度测量值B1之间发生变化，而光照强度保持基本恒定。
7.如任一前述权利要求所述的方法，其中端子电压在第二发光强度值B1和第三发光 强度值B2之间发生变化，而光照强度保持基本恒定。
8.如权利要求1至6中任意一项所述的方法，其中光照强度在第二发光强度值B1和 第三发光强度值B2之间发生变化，而端子电压保持基本恒定。
9.如任一前述权利要求所述的方法，其中在第一发光强度测量A之后执行三次或更 多发光强度测量(Bp B2, B3……)，在执行所述三次或更多发光强度测量时，端子电压 在第二发光强度测量B1和后续的发光强度测量之间发生变化，光照强度保持基本恒定。
10.如权利要求1至8中任意一项所述的方法，其中在第一发光强度测量A之后执行 三次或更多发光强度测量(Bp B2, B3……)，在执行所述三次或更多发光强度测量时， 光照强度在第二发光强度测量B1和后续的发光强度测量之间发生变化，端子电压保持基 本恒定。
11.如任一前述权利要求所述的方法，其中对所述二极管器件的多个区域处的串联电 阻进行估计，以确定所述器件上串联电阻的空间变化。
12.如任一前述权利要求所述的方法，其中在端子电压处于开路时测量第一发光强度A。
13.一种用于确定二极管器件的区域处的串联电阻是否超过预定值的方法，该方法包 括步骤(a)使用初始光照强度和端子电压来测量所述器件的所述区域的第一发光强度；(b)使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述区域的第二发光强度；以及(c)根据第一和第二发光强度测量来确定所述器件的所述区域的串联电阻是否超过预定值。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述区域对应于发光图像中的一个或多个像素。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中至少一个发光强度是在零光照强度下产生的。
16.如权利要求13至15中任意一项所述的方法，其中如果在非零光照强度下产生了 发光强度，则通过确定所述区域的最小发光强度的反向偏置或者零偏置状态，来针对包 括所述器件的材料的受扩散限制的少数载流子寿命对发光强度进行校正。
17.如权利要求13至16中任意一项所述的方法，其中在端子电压处于开路时测量第一发光强度A。
18.如任一前述权利要求所述的方法，其中所述器件是光伏器件。
19.一种用于对二极管器件的第一区域处的串联电阻进行估计的系统，该系统包括 发光检测器，其使用初始光照强度和端子电压来测量器件的第一区域的第一发光强度A，使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量器件的所述第一区域的第二发光 强度B1 ；并且使用另一变化的光照强度或者另一变化的端子电压来测量所述器件的所述 第一区域的第三发光强度B2;以及处理器，所述处理器与所述发光检测器相互连接，所述处理器用于内插或者外插第 二发光强度B1和第三发光强度B2的光照强度值，以确定能够产生与第一发光强度测量值 A相同的发光信号的光照强度值和端子电压值；以及所述处理器还用于根据所确定的发 光强度值和端子电压值来计算所述器件的所述第一区域的串联电阻Rs。
20.如权利要求19所述的系统，其中所述处理器还适用于针对包括所述器件的材料的 受扩散限制的少数载流子寿命来对第一、第二和第三发光强度中的至少一个进行校正。
21.—种估计光伏二极管器件的第一区域上的近似串联电阻的方法，实质上如文中参 照附图和/或示例中所示的本发明任一实施例所述。
22.一种用于估计二极管器件区域上的串联电阻的系统，所述系统执行如权利要求1 至18中任一项所述的方法。
全文摘要
使用发光成像来测量光伏器件的空间分解串联电阻的方法。该方法包括步骤使用初始光照强度和端子电压来测量所述器件的区域的第一发光强度，使用变化的光照强度或者变化的端子电压来测量所述器件的所述区域的第二发光强度，以及测量其中至少一个参数相对第二校正发光强度的测量发生变化的所述区域处的第三发光强度，其中所述参数是端子电压和光照强度。内插或者外插第二发光强度和第三发光强度，以确定能够产生所述第一发光强度的端子电压和光照强度的值，其中使用所确定的值来估计器件的所述区域处的串联电阻。
文档编号H01L21/66GK102017116SQ200980114220
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月23日 优先权日2008年4月23日
发明者于尔根·韦伯, 亨纳·坎普韦特, 托尔斯滕·特鲁普克 申请人:Bt成像股份有限公司