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Messgerät ModulLab MTSAufschlussreiche Elektronikmessungen

Solarzellenentwicklung profitiert von I-V-, C-V- und Impedanz-Analysen
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Messgerät ModulLab MTS: Aufschlussreiche  Elektronikmessungen

Dr. Raymond Jansen*)

  1. Ametek GmbH, Rudolf-Diesel- Str. 16, 40670 Meerbusch, E-Mail: raymond.jansen@ametek.de.


Photovoltaik ist eine etablierte Technologie: Bereits in den Fünfzigerjahren des 20. Jahrhunderts nutzten die Bell Labs die ersten Solarzellen, um das Telefonnetz im ländlichen Amerika funktionsfähig zu halten. Doch auch nach 50 Jahren gibt es in der Photovoltaik-Forschung noch viel unentdecktes Terrain. Denn die Labore konzentrierten sich lange auf die Weiterentwicklung klassischer Silizium-Zellen. Erst seit einigen Jahren rücken auch alternative Materialien wie mikrokristallines Silizium, Gallium-Arsenid, Cadmium-Tellurid, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid und Kupfer-Indium-Sulfid in den Fokus. Die neuen Technologien sind vielversprechend – doch es bedarf noch viel Grundlagenforschung, ehe ihre Leistung und ihr Wirkungsgrad zu denen von Silizium-Zellen aufschließen.
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Ein guter Ausgangspunkt, um die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad neuer Solarzellen-Technologien zu beurteilen, sind elektronische Messverfahren: I-V-, C-V- und Impedanz-Messungen geben zerstörungsfrei und schnell Aufschluss über die wichtigsten Parameter einer Solarzelle. Die drei Verfahren gehören seit Jahren fest zum Kanon physikalischer Messmethoden. Doch auch in diesem Feld macht die Geräteentwicklung rasante Fortschritte: Die aktuelle Generation elektrischer Messgeräte – zum Beispiel das ModuLab MTS von Solartron Analytical – ermöglicht es Laboren, alle drei Methoden (und mehr) mit einem Gerät durchzuführen, und bietet den Entwicklern viele weitere, neue Optionen.

I-V-Messung

Die Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie ist das wichtigste Standardverfahren, wenn es darum geht die Leistungskennzahlen einer Solarzelle zu beurteilen. Der Messaufbau ist einfach: Die Solarzelle wird mit Hilfe einer Konstantlichtquelle in verschiedenen Intensitäten – von absoluter Dunkelheit bis zu intensiver Sonneneinstrahlung – beleuchtet. Während die Spannung linear oder treppenförmig zunimmt, wird der Ausgangsstrom gemessen.

Das Verhältnis von Strom und Spannung lässt sich in einer für die Zelle charakteristischen Kurve ausdrücken. Bild 1 zeigt die typische I-V-Kurve handelsüblicher 18-V-Solarzellen. Aus der einfachen Grafik lassen sich praktisch alle relevanten Basisparameter der Solarzelle auslesen:

  • Kurzschlussstrom (Isc).
  • Leerlaufspannung.
  • Maximale Leistung (P max).
  • Stromstärke am Punkt maximaler Leistung (I max).
  • Spannung am Punkt maximaler Leistung (V max).
  • Füllfaktor (FF).

Auch der Wirkungsgrad (η) der Solarzelle lässt sich aus der I-V-Kurve errechnen: Er entspricht Pmax/E*A , wobei E die Lichtintensität und A die Gesamtoberfläche der Solarzelle ist.

Diese Standardmessungen lassen sich mit vielen auf dem Markt erhältlichen Produkten durchführen. Mit der neuesten Generation von Messgeräten kann man die Charakteristika von Solarzellen aber noch wesentlich präziser definieren:
• Die zeitabhängige Spannung kann softwaregestützt so variiert werden, dass sich dreieckige oder treppenförmig-dreieckige Potentialverläufe ergeben. Dies erlaubt es den Anwendern, Scanraten zwischen 100 μVs-1 und 1 MVs-1 zu realisieren und bis zu eine Million Messungen pro Sekunde durchzuführen. Die Höhe und Breite der Impulse lässt sich sehr genau definieren. Dies ermöglicht belastbare Aussagen über das Verhalten der Solarzelle bei rasch wechselnden Bedingungen.

  • Mit entsprechender Hardware-Option kann Gleichspannung in Schritten bis zu ±100 V angelegt und gemessen werden. Gleichstrom kann im Bereich von 0,15 fA bis 20 A gemessen werden, etwa um geringe Leckströme, die Performance während einer Lastspitze und die Messwiderstände exakt zu ermitteln.

C-V-Messung

Durch die Messung des Kapazitäts-Spannungs-Verhältnisses lassen sich viele fundamentale Eigenschaften einer Solarzelle verifizieren. Hierzu gehören unter anderem die Dotierung, die Ladungsträgerdichte und der DLCP-Wert (Drive Level Capacitance Profile).

Bild 2 zeigt den auf einer C-V-Messung basierenden Mott-Schottky-Graphen einer Silizium-Solarzelle. Die Verteilung der Ladungsdichte lässt sich mit folgender Formel errechnen:


((FORMEL hier her))

Nc(W) ist dabei die Ladungsdichte, q ist die Ladung eines Elektrons, Ks ist die relative Lichtdurchlässigkeit, A ist die Oberfläche der Zelle, ε0 entspricht der Permittivität des Vakuums und d(1/C²)/dV ist der Anstieg des Mott-Schottky-Graphen.

Moderne Analysensysteme wie das ModuLab MTS bieten Anwendern bei der C-V-Messung vier Vorteile:

  • C-V-Profile lassen sich mit einer Gleichspannung von bis zu ±100 V erfassen.
  • Die Intensität und Frequenz des Wechselstrom-Impulses können exakt auf die Beschaffenheit der Solarzelle abgestimmt werden. Neben der Größenordnung der Impedanz wird auch die Phase erfasst, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse auch wirklich kapazitiv sind, sprich: dass θ ~ 90° gilt.
  • Da die Intensität des Wechselstrom-Impulses variiert werden kann, lässt sich auch der DLCP-Wert ableiten. Diese Funktion kann automatisiert von der Software gesteuert werden.
  • Die Spannungsänderungen können benutzerdefiniert linear oder treppenförmig mit unterschiedlichen Scanraten erfolgen.

Impedanz-Spektroskopie mit hohen Bandbreiten

Bei der elektrischen Impedanz-Spektroskopie (EIS) wird das Gleichstrom-Potenzial der Solarzelle mit einer Wechselspannung kleiner Amplitude überlagert. Das Messgerät erfasst die Wechselstrom-Reaktion auf diese Überlagerung. Indem die Frequenz der Wechselspannung flexibel variiert wird – in der Regel im Bereich zwischen 1 MHz und <0,1 Hz – lassen sich anhand der Impedanz detaillierte Aussagen über die physikalischen Eigenschaften der Solarzelle treffen.

EIS hat in Forschung und Entwicklung für viel Aufsehen gesorgt. Aufgrund des hohen Frequenzbereichs der neuesten Gerätegeneration können die Forscher Ersatzschaltbilder entwickeln, die die Prozesse in Solarzellen über sieben Frequenzgrößenordnungen hinweg darstellen. Die Vorteile dieser Technologie sind:

  • Alle Prozesse im Frequenzbereich werden detailliert aufgeschlüsselt, darunter der Serienwiderstand, die chemische Kapazität, der Rekombinationswiderstand und die Impedanz blockierender Elektrodenkontakte.
  • Alle Parameter werden in einem einzigen Messdurchgang erfasst.
  • Die gemessenen Daten können auf der Basis der Ersatzschaltbildanalyse untersucht werden. Prozesse werden dabei einfach als passive Schaltkreiselemente dargestellt. Mithilfe solcher Modelle lassen sich zum Beispiel Faktoren, die die Leistung einer Zelle beeinträchtigen, sehr schnell ermitteln.

Bild 3 zeigt ein Diagramm einer Impedanzspektroskopie über einen großen Frequenzbereich einer beleuchteten Solarzelle bei unterschiedlichen Gleichstrom-Vorspannungen. Die Wechselstrom-Amplitude lag bei 100 mV. In diesem Nyquist-/Cole-Cole-Diagramm werden die Imaginär- und Realteile der Impedanz bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen dargestellt. Alternativ lassen sich die Impedanz-Daten in vielen anderen Formaten abbilden. So unterstützt das ModuLab MTS auch das Bode-Format sowie eine Reihe weiterer Darstellungsmöglichkeiten (Kapazitanz und Permittivität vs. Frequenz, Wechselspannung und Wechselstrom vs. Frequenz).

Bild 3 ermöglicht viele interessante Rückschlüsse: An dem Punkt, an dem sich die Spannung der Inversionsregion der Solarzelle nähert, zeigt das Impedanz-Spektrum zwei klar erkennbare Zeit-Konstanten – die beiden Halbkreisbögen bei V = 1,0 V. Das Vorhandensein eines Niedrigfrequenzbogens (Frequenz < 1 kHz) ist ein Hinweis darauf, dass der Rekombinationswiderstand den Betrieb der Solarzelle im niedrigen Spannungsbereich beeinflusst. Bei steigender Spannung lässt der Einfluss nach.

Diese Art von Informationen macht es Forschern leicht, klare Aussagen über die Prozesse und die Materialeigenschaften in einer Solarzelle zu treffen und das System bei Bedarf zielgerichtet zu optimieren. Und noch eines macht das Beispiel deutlich: Diese Art der Prozesskontrolle erfordert Messgeräte, die auch im Bereich von deutlich unter 1 kHz noch zuverlässige Ergebnisse liefern.

Fazit

Elektrische Messungen bieten Forschungs- und Entwicklungslaboren viele Ansatzpunkte, um mehr über die Eigenschaften neuer Solarzellen-Generationen herauszufinden und deren Wirkungsgrade zu verbessern. Wichtig ist dabei, die Messtechnologie stets auf dem neuesten Stand der Technik zu halten. Nur so können die Labore auch langfristig den steigenden Anforderungen der Industrie gerecht werden. Die Investition in neue Geräte rechnet sich meist schon in kurzer Zeit: Moderne Messinstrumente arbeiten deutlich effizienter, da sie alle erforderlichen Messtechniken – I-V, C-V und Impedanz – in einem einzigen Gerät und unter einer einheitlichen Bedienoberfläche zusammenführen.

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