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UV-induziertes reversibles Front-Surface-Field bei Solarzellen

31.12.2007

Am DSR-Messplatz wurden UV-induzierte Nichtlinearitäten von Solarzellen aus kristallinem Silizium untersucht (DSR: Differential Spectral Responsivity). Dabei wurden auch bei sehr niedrigen Bestrahlungsstärken - wie sie z.B. bei Monochromator-Messungen auftreten - bei einigen Solarzellen sehr deutlich ausgeprägte Hysterese-Effekte gefunden.

Diese können mit einem bei UV-Bestrahlung entstehenden Front-Surface-Field (FSF) in Analogie zu dem bekannten Back-Surface-Field (BSF) mit dem Energiebändermodell erklärt werden. Während das BSF bei der Herstellung durch entsprechende Dotierung erzeugt wird und auch ohne Bestrahlung durch thermische Anregung und Diffusion entsteht, bildet sich das FSF erst bei UV-Bestrahlung aus. Bei UV-Bestrahlung werden auch in der Passivierungsschicht an der Frontseite Elektronen generiert, die jedoch aufgrund des hohen Widerstands nur mit einer sehr großen Zeitkonstante von mehreren Stunden in die Solarzelle diffundieren. Zurück bleibt die dann positiv aufgeladene Passivierungsschicht, die eine Absenkung des Energiebandes in der Nähe der Oberfläche bewirkt. Je nach Vorzeichen der Minoritätsladungsträger im Emitter wird dadurch die Diffusion zur Oberfläche gehindert oder verstärkt.

Solarzellen, die diesen Effekt zeigen, dürfen bei Kalibrierungen im UV-Bereich nicht als spektrale Referenz verwendet werden.


Spektrale Empfindlichkeit von Solarzellen bei Bestrahlung mit niedriger Strahlungsleistung, dann 10-mal höherer Strahlungsleistung und erneut mit niedriger Strahlungsleistung (2 µW  20 µW   2µW). Da sich im dritten Abschnitt wieder die gleiche Empfindlichkeit wie im ersten Abschnitt einstellt, handelt es sich um einen reversiblen Effekt. Der Vorzeichen dieses Effekts hängt von der Dotierung der Solarzelle ab.

Bändermodell einer Solarzelle mit p-dotierter Basis.

1) UV-generierte Elektronen diffundieren von der isolierenden Passivierungsschicht an der Frontseite in den Halbleiter. Dieser Diffusionsstrom erzeugt ein Front-Surface-Field (FSF).

2) Das FSF erhöht die effektive Lebensdauer der Minoritätsladungsträger (hier Löcher) indem es sie von der Rekombination an der Oberfläche abhält (Erniedrigung der effektiven Ober- bzw. Grenzflächenrekombinationsgeschwindigkeit).

UV-Bestrahlung erhöht die spektrale Empfindlichkeit dieses Solarzellentyps

Bändermodell einer Solarzelle mit n-dotierter Basis.

1) UV-generierte Elektronen diffundieren von der isolierenden Passivierungsschicht an der Frontseite in den Halbleiter. Auch dieser Diffusionsstrom erzeugt ein Front-Surface-Field (FSF).

2) In diesem Fall verringert das FSF jedoch die effektive Lebensdauer der Minoritätsladungsträger (hier Elektronen) indem es zu sie der Oberfläche zieht, wo sie rekombinieren.

UV-Bestrahlung erniedrigt die spektrale Empfindlichkeit dieses Solarzellentyps