Entwicklung eines Messplatzes zur ortsaufgelösten, lichtinduzierten Stimulation und dessen Anwendung auf Solarzellenemitter aus laserbearbeiteten Siliziumnanopartikeln
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Verbesserung der Fokussierung und der Auflösung von Systemen zur ortsaufgelösten, lichtinduzierten Stimulation (LS). In gängigen Systemen wird der Fokuspunkt des anregenden Lichtstrahls vor der Messung manuell eingestellt. Die hier vorgestellte Fokussiermethode hingegen basiert auf der Verwendung eines von der Probe unabhängigen Referenzpunktes, an dem der Fokuspunkt vorab ermittelt wird. Vor der eigentlichen Messung wird die komplette Probentopographie mit Hilfe eines Laser-Wegmesssensors bestimmt, sodass nachfolgend der korrekte Fokusabstand jedes einzelnen Messpunktes eingestellt werden kann. Dies ermöglicht es beispielsweise gegen die Tischebene verkippte, raue oder auch gebogene Proben korrekt zu messen. Unter Berücksichtigung des Lichtweges können auch verkapselte Proben (z. B. unter Glas) verwendet werden.
Die Fokussiermethode für LS-Systeme wurde anhand eines entwickelten Optical Beam Induced Current (OBIC)-Messplatzes zur ortsaufgelösten Bestimmung des Kurzschlussstromes von Solarzellen demonstriert, ist aber prinzipiell für alle LS-Systeme gültig. Die maximale Auflösung des OBIC-Systems ist in der Höhenschwankung des zur Probenpositionierung verwendeten xy-Tisches begrenzt. Durch die Anwendung der aus der CCD- und CMOS-Bildoptimierung bekannten Super Resolution (SR)-Methode ist es möglich, die maximale Auflösung des Systems zu verbessern. Dies wurde durch die Anpassung des SR Projection Onto Convex Sets (POCS)-Algorithmus an das OBIC-System sowie POCS-Ergebnissen mit resultierender, erhöhter Bildqualität gezeigt.
Am Beispiel von Siliziumsolarzellen, deren Emitterschichtdotierung durch einen Lasersinterprozess mit dotierten Siliziumnanopartikeln (Si-NP) realisiert wird, konnte die Anwendung der OBIC-Methode anhand von Prozessoptimierung sowie Parameter- und Fehleranalyse demonstriert werden. Durch die Hinzunahme eines Messplatzes zur Bestimmung der internen Quanteneffizienz wurde zusammen mit OBIC-Messungen unter Verwendung verschiedener Wellenlängen eine tiefenabhängige und ortsaufgelöste Analyse der Proben durchgeführt.
This thesis shows an alternative principle to achieve optimal focusing conditions or rather the smallest possible beam diameter for scanning light stimulation (LS) systems. Usually, the focus adjustment is fixed and done prior to the light stimulated measurement by a manual process. The focusing principle introduced in this work is based on a reference point where the focus is adjusted independently of the measured sample. In addition, the topography of the sample is obtained in advance using a laser distance sensor. With this information the focus is adjusted in each LS measurement
point, ensuring optimal focus conditions all over the sample. Furthermore, the sample can be tilted, rough or bent and can have different surface materials. To measure encapsulated devices (e.g. covered by glass), the focusing process was modified to include changes in the optical pathway due to refraction.
The principle was implemented using a developed Optical Beam Induced Current (OBIC) system to measure the space-resolved short circuit current of solar cells, but can be applied to any other LS system. The resolution limitations of the OBIC system were evaluated, showing that the system is mainly restricted by the height fluctuations
of the used xy-table to move the sample. A widespread method to overcome the resolution limitation of imaging systems is the Superresolution (SR) technique, used in digital image processing. SR is a common approach to enhance the resolution of CCD and CMOS sensor images. Here it is demonstrated that SR can be applied with
LS systems. Thereby, the Projection Onto Convex Sets (POCS) algorithm was chosen and modified to suit the needs of LS systems, and a significant improvement in image quality was obtained.
The application of the developed OBIC system as a tool to optimize the production process and analyze parameters or failures, was demonstrated at the example of solar cells with an emitter dopant concentration produced by laserprocessed, doped silicon nanoparticles. Using OBIC measurements at different wavelengths in combination with internal quantum efficiency (IQE) measurements, the production process could be analyzed laterally and in depth.
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