Analysis and simulation of macroscopic defects in Cu(In,Ga)Se$_2$ photovoltaic thin film modules

Misic, Boris; Rau, Uwe; Werner, Jürgen H.

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-011326

Analysis and simulation of macroscopic defects in Cu(In,Ga)Se$_2$ photovoltaic thin film modules = Analyse und Simulation makroskopischer Defekte in Cu(In,Ga)Se$_2$ Photovoltaikdünnschichtmodulen

Misic, Boris

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl.-Ing. Boris Misic aus Stuttgart

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (iv, 147 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor) ; Werner, Jürgen H. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-10-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-011326
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/568190/files/568190.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/568190/files/568190.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Elektrotechnik, Elektronik (frei) ; photovoltaics (frei) ; thin film technology (frei) ; Cu(In,Ga)Se2 (frei) ; defects (frei) ; production (frei) ; P1 scribing lines (frei) ; P3 scribing lines (frei) ; defect diagnostics (frei) ; defect repair (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit behandelt herstellungsbedingte Defekte in CIGS Dünnschichtmodulen, welche die elektrische Leistung des Moduls verschlechtern können. Die Motivation dieser Arbeit ist es, sowohl Wege zu finden, wie diese Defekte diagnostiziert werden können, beispielsweise in Form einer Qualitätskontrolle in der Produktionstätte, als auch ein besseres Verständnis des tatsächlichen Defekteinflusses auf Ströme und Spannungen in der Defektumgebung zu erlangen. Ich beginne mit einer Untersuchung des CIGS Herstellungsverfahrens und liste mögliche Defektursachen für die relevanten Produktionsschritte auf. Um eine experimentelle Untersuchung von Fehlern zu ermöglichen, bringe ich diese in der Umgebung einer realen CIGS Produktionsstätte in CIGS Photovoltaikmodule gezielt ein. Das gezielte Einbringen der Fehler beinhaltet beispielsweise unterbrochene P1-, P2- und P3-Strukturierungslinien, wie sie durch fehlerhafte Strukturierungsanlagen entstehen können, ebenso wie Veränderungen des CIGS Schichtenaufbaus, wie sie durch lokale Verschmutzungen verursacht werden können. Darüber hinaus verändere ich die Geometrie der eingebrachten Fehler. Ich charakterisiere die gezielt eingebrachten Defekte anhand von Mikroskopmessungen, Elektrolumineszenzmessungen (EL) und phasenempfindlichen Thermographiemessungen (DLIT). Die Messverfahren EL und DLIT wähle ich, weil sie ortsaufgelöste Messungen sind und daher eine vergleichsweise schnelle Untersuchung eines vollständigen Moduls erlauben. Zusätzlich zu den Messungen an den Defekten implementiere ich eine Software, die auf dem Prinzip des Netzwerksimulationsmodells beruht, und die es ermöglicht, die gezielt eingebauten Defekte in CIGS Photovoltaikmodulen zu modellieren und zu simulieren. Die Software modelliert das CIGS Photovoltaikmodul mit einem Netzwerk, welches aus Ersatzschaltbildern einer Solarzelle und Widerständen besteht, und überführt das Netzwerk in ein nichtlineares Gleichungssystem um dieses dann zu lösen. Abschließend untersuche ich Methoden zur Reparatur einer unvollständigen Isolierung zwischen den Molybdänrückkontakten zweier benachbarter Zellen. Die Messungen an Defekten ergeben, dass P1-, P2- und P3-Strukturierungsfehler charakteristische EL and DLIT Muster hervorrufen. Ich weise nach, dass Strukturierungsfehler anhand dieser Muster verlässlich identifiziert werden können, sofern die Länge der Strukturierungslinienunterbrechungen in den EL- und DLIT-Bildern ausreichend aufgelöst wird. Die Erklärung dieser EL- und DLIT-Muster der Strukturierungsfehler wird durch die Simulationssoftware erleichtert, welche die Spannungsverteilung ermittelt, die wiederum das EL-Bild zu erklären vermag, und welche den Stromfluss ermittelt, welcher wiederum das DLIT-Bild zu erklären vermag. Hinsichtlich des Simulationsprogrammes stelle ich einen alternativen Lösungsansatz vor, welcher vom standardisierten Newton-Raphson Verfahren abweicht und ein Skalieren der Simulationsdauer mit der Anzahl der Gleichungen nahe des linearen Optimums erlaubt. Darüber hinaus zeigen EL-Messungen von punktförmigen Defekten mit unnatürlicher CIGS-Schichtenfolge, dass die Pufferschichtkombination bestehend aus i-ZnO und CdS einen fehlermildernden Effekt hat. Anhand des Vergleichs verschiedener Punktdefekte ziehe ich den Schluss, dass das CdS während der chemischen Badabscheidung eine oberflächenglättende Eigenschaft hat und Hohlräume wie auch Löcher im CIGS-Absorber auffüllt. Ich schlage als Erklärung vor, dass diese Oberflächenglättung es dem i-ZnO ermöglicht, eine gleichmäßige und ununterbrochene Schicht auszubilden, und somit einen Kurzschlusskontakt zwischen Front- und Rückelektrode vermeidet. Im Gegensatz dazu zeigen die punktförmigen Defekte, wenn ich die CdS-Schicht lokal entferne, ein starkes Kurzschlussverhalten in EL- und DLIT-Bildern, wenn durch den gezielt eingebauten Defekt scharfe Kanten oder spanartige Abblätterungen am Mo oder CIGS hervorgerufen worden sind. Zudem stellen kupferreiche Partikel, wie sie während der Abscheidung des CIGS von den Kupferverdampfungsquellen herab auf das Modul fallen können, eine potentielle Verschmutzung dar. In Bezug auf diese kupferreichen Partikel finde ich heraus, dass ihre Lage in der Zelle darüber entscheidet, ob sie in EL- und DLIT-Messungen verlässlich identifiziert werden können. Ein kupferreicher Partikel auf ein einer P1 Strukturierungslinie ruft ein einzigartiges Fehlerbild in der EL hervor, welches ich mithilfe der Simulationssoftware als eine Überlagerung eines P1 Strukturierungsfehlers mit zwei zu Kurzschlüssen führenden Punktdefekten, von denen jeweils einer in den benachbarten Zellen liegt, erkläre. Abschließend entwickele ich zwei Reparaturverfahren für die fehlerhafte Isolierung von Molybdänrückkontakten (durch die P1-Linie). Das erste Reparaturverfahren ist thermisch bedingt und verwendet thermisch induzierte, mechanische Spannung um isolierende Risse an der Defektstelle zu erzeugen. Das zweite Reparaturverfahren ist elektrisch bedingt und beruht darauf, dass an der Defektstelle ein angelegter Strom das leitfähige Molybdän aufschmilzt und verdampft. Zusammenfassend kann man sagen, dass die vorliegende Arbeit einen Beitrag dazu leistet, produktionsbedingte Fehler in Photovoltaikdünnschichtmodulen auf Basis von Cu(In,Ga)Se$_2$ zu verstehen, sie zu detektieren und identifizieren, und sie im Falle von P1 Strukturierungsfehlern sogar zu reparieren.

The present work deals with production induced defects in CIGS thin film modules which can deteriorate the electrical performance of the module. The motivation of this work is to both find ways how these defects can be diagnosed, e.g. in a quality control in the production site, and to gain a better understanding of the actual defect influence on the voltage and current in the surrounding of the defect. Thus, I investigate the use of electroluminescence and thermography as diagnostic tools to detect and identify common defects occurring in CIGS production. I begin this work with a study of the CIGS production process and list potential defect origins for relevant production steps. In order to allow an experimental investigation of defects, I intentionally implement them into CIGS photovoltaic modules in a real CIGS production site environment. The defect implementation includes e.g. interrupted P1, P2, and P3 scribing lines for the monolithic series connection, as they can be caused by faulty scribing tools, and changes in the normal CIGS layer structure, as they can be caused by local contamination. Furthermore, I vary the geometry of the implemented defects. I characterise the implemented defects with microscope, electroluminescence (EL), and dark lock-in thermography (DLIT) measurements. EL and DLIT are chosen as they are spatially resolved measurements and therefore allow a comparatively fast investigation of a complete module. In addition to the defect measurements, I implement a software that is based on the principle of network simulation model and allows to model and simulate the implemented defect types in a CIGS module. The software models the CIGS module with a network, that consists of equivalent circuits of a solar cell and resistances, and translates the network into a non-linear system of equations that are solved. Finally, I investigate methods to repair an incomplete insulation of the Mo back contacts of two neighbouring cells. The measurements on defects yield that P1, P2, and P3 scribing defects have characteristic EL and DLIT patterns. I show that the scribing defects can be reliably identified by these patterns if the length of the scribing line interruptions is sufficiently resolved in the EL and DLIT images. The explanation of the characteristic El and DLIT patterns of scribing defects is facilitated by the simulation software that yields the voltage distribution, which can explain the El images, and the current flow, which can explain the DLIT images. With regard to the simulation software itself, I present an alternative solving approach for the non-linear system of equations, that differs from the standard Newton-Raphson procedure and allows a scaling behaviour of the simulation duration with the number of equations close to the linear optimum. Moreover, EL measurements of point defects with implemented abnormal layer sequences show that the i-ZnO/CdS buffer layer combination has a shunt mitigating effect. From comparison of various point defect types I conclude that the CdS has during chemical bath deposition a surface smoothing effect and fills up cavities and holes in the CIGS absorber. I suggest that this surface smoothing allows the sputtered i-ZnO to form a uniform and unbroken layer, and thus prevent shunting contact between the front and back electrode. In contrast, when I remove the CdS layer locally, the point defects show strong shunting in EL and DLIT measurements if the defect implementation has caused sharp edges or flakes at the Mo or CIGS layer. Furthermore, Cu-rich debris is a potential contamination during CIGS co-evaporation, where it can fall down from the Cu evaporation source onto the module. For Cu-rich debris I find that its position within the cell determines whether it can be reliably identified by EL and DLIT measurements. Cu-rich debris on the P1 line evokes among all defects a unique EL brightness pattern, which I explain by the simulation software as an overlay of a P1 defect with two shunting defects, one located in each of the neighbouring cells. Eventually, I develop two repair processes for defective Mo back contact insulation (P1 line). The first process is a thermal repair which uses thermally induced mechanical stress to create insulating fractures at the defect position. The second process is an electrical repair, where an applied current melts and evaporates remaining conductive Mo at the defect position, which finally results in an insulation, too. To draw a conclusion, the present work contributes to the understanding and diagnostics of production induced defects in Cu(In,Ga)Se$_2$ photovoltaic thin film modules, and in case of the P1 scribing defects even shows ways how they can be repaired.

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