Empfindliche Infrarot-Kameras auf InGaAs-Basis detektieren die schwache Elektro­lumineszenz-Strahlung von Dünnschicht-­Solarzellen. Diese emittieren Photonen aufgrund einer extern angelegten Vorspannung und lassen darüber Rückschlüsse auf die Qualität der Solarzellen zu. Damit lassen sich beispielsweise Mikrorisse und Verunreinigungen der Halbleiterschichten räumlich aufgelöst erfassen.

Traditionelle Solarzellen auf Basis von Silizium-Wafern sind deutlich besser erforscht als Dünnschicht-Solarzellen. Über deren langfristiges Verhalten unter verschiedenen Licht- und Wetterbedingungen ist nur wenig bekannt. Doch sie haben einige wesentliche Vorteile gegenüber den herkömmlichen Zellen. Aktuelle Studien belegen, dass die Energieausbeute der Dünnschicht-Zellen deutlich höher liegt. Zudem sind sie um einen Faktor 100 dünner als die traditionellen Zellen. Die geringe Dicke spart nicht nur Gewicht, die Zellen lassen sich auch einfacher einbauen: in Fassaden, Dachziegel und verglaste Lichtkuppeln. Als Materialien für Dünnschicht-Solarzellen werden heute vor allem monokristallines Silizium, CGIS (Kupfer-Gallium-Indium-Diselenid) oder das Gallium-freie CIS sowie CdTe (Cadmium-Tellurid) eingesetzt.

Lumineszenz zur Kontrolle
Solarzellen funktionieren auf Basis des photovoltaischen Effekts: Die auf die Zellen treffende Strahlung wird in elektrische Energie umgewandelt. Dieser Effekt lässt sich umkehren, indem man an eine Solarzelle eine externe Spannung anlegt. Aufgrund derer emittiert die Zelle Licht in Form von Elektrolumineszenz. Das funk­tioniert, weil die Solarzelle aus vielen ­parallel geschalteten PN-Übergängen besteht. Injiziert eine externe Spannung nun Elektronen, so können diese nur teilweise durch vorhandene Löcher rekombiniert werden. Die überschüssige Energie wird in Form von Photonen frei. Deren Wellenlänge hängen von der Bandlücke des ­Absorber-Materials ab. Die Bandlücken weisen bei den verwendeten Materalien Werte zwischen 0,9 und 1,7 eV auf und erzeugen damit Wellenlängen zwischen 0,7 und 1,3 µm. Genau in diesem Spektralbereich sind auch SWIR (Short Wavelength Infrared)-Bildsensoren am empfindlichsten. Für breitere Bandlücken geht der Trend zum VISWIR-Sensor-Array, dessen spektrale Empfindlichkeit sich im Bereich 0,4 bis 1,7 µm befindet. Dieser findet auch bei Parallelaufnahmen von Infrarot- und sichtbarem Bereich Einsatz.
Über die Intensität der elektrolumineszenten Strahlung lassen sich Qualitätsmängel der Solarzellen erfassen. Räumlich aufgelöst können Diffusionslängen, Mikrorisse in Zellen, Parallel­widerstände und Verunreinigungen der Halbleiterschichten detektiert werden. Abbildung 1 zeigt den Querschnitt einer CGIS-Dünnschicht-Solarzelle in monolithischer Serienschaltung mit der nächsten Zelle. Darin sind drei kritische Bereiche markiert: P1, P2 und P3. In diesen ist unter die abdeckende, transparente und leitende Oxydschicht TCO (transparent and conductive oxide layers) Feuchtigkeit eingedrungen, wodurch sich die Zell-Eigenschaft verschlechtert. Im Abschnitt P1 sinkt der Parallelwiderstand, bei P2 ist der ZnO/Mo-Kontakt korrodiert und bei P3 steigt der Serienwiderstand durch die Korrosion der Molybdän-Schicht an.

Elektrolumineszenz detektieren
SWIR-Sensoren (Short Wavelength Infrared) basieren auf InGaAs (Indium-Gallium-Arsenid) und detektieren Elektrolumineszenzen im Wellenlängen-Bereich 0,9 bis 1,7 µm. Der Aufbau ist in Abbildung 2 zu sehen: Ein Infrarot-Photodioden-Array auf einem InP-Epiwafer-Substrat wird kopfüber (Flip-Chip) auf ein CMOS-Chip mit der Ausleseelektronik ROIC (read out integrated circuit) montiert. Die Belichtung erfolgt durch das Substrat, welches Licht im sichtbaren Bereich und bis 0,9 µm absorbiert.
Um dies zu verhindern, wird das Substrat nach der Montage stark ausgedünnt: Unterhalb der Photodioden werden zusätzliche Schichten aus InGaAsP eingebracht, die in der InP-Umgebung als Ätzstop wirken. Eine nachfolgende Ätzung mit Salzsäure wirkt genau bis zu dieser Ätzstop-Schicht und verdünnt den Sensor-Chip auf nur 5 µm (Abb. 2 rechts). Damit gibt es den Strahlengang für sichtbares Licht frei, so dass der Sensor den breiten Wellenlängenbereich von 0,4 µm bis 1,7 µm empfangen kann.
Die geringe Intensität der Elektrolumineszenz erfordert lange Integrationszeiten. Die Zeiten sind aber durch den Dunkelstrom des Bildaufnehmers begrenzt. Verwendet man eine empfindliche SWIR-Kamera, z. B. die XEVA 1.7 320 von Xenics, mit rauscharmer Auslegung, und kühlt das Sensor-Array zusätzlich thermoelektrisch, so ist eine um den Faktor 100 längere Integrationszeit möglich. Dadurch werden auch schwach ausgebildete Fehlstellen sichtbar.

In der Praxis
Abbildung 3 zeigt die sichtbar gemachte Elektrolumineszenz-Strahlung, so wie sie mit einer SWIR-Kamera im nahen Infrarot-Bereich aufgenommen wird. Zu Beginn eines Korrosionstests (links) strahlt das Modul noch über die gesamte Fläche. Nach längerer Heißdampfbehandlung über 1.000 Stunden zeigte sich bei diesem - offenbar nicht optimal einge­bauten - Prüfling insbesondere an den Rändern eine erhebliche TCO-Korrosion (rechts). Dieser Mangel halbiert die Leistung des Solarmoduls.

Fazit
Die Analyse der schwachen Elektrolumineszenz photovoltaischer Zellen sichert nicht nur die Qualität in der Fertigung. Auch bei der Entwicklung verhilft die Auswertung zu neuen Erkenntnissen und fördert so die Forschung und kontinuierliche Verbesserung der Dünnschicht-Technologie. So soll der Entwicklungsvorsprung herkömmlicher Zellen aufgeholt werden, um Versorgungslösungen durch die Sonnenenergie weiter voranzutreiben.