In Solarzellen fließen verschiedene Ströme, darunter Dunkelstrom, Rückstrom und Leckstrom. Diese Ströme beeinflussen die Leistung von Solarmodulen unterschiedlich stark. Die Kenntnis ihrer Eigenschaften hilft, die Ursachen für eine anormale Modulleistung zu identifizieren und so die Probleme umfassend zu beheben.
Dunkler Strom
Definition
Dunkelstrom, auch als Sperrstrom bei fehlender Beleuchtung bekannt, bezeichnet den Gleichstrom, der in einem PN-Übergang unter Sperrvorspannung entsteht, wenn kein Licht einfällt. Er wird im Allgemeinen durch Ladungsträgerdiffusion oder Defekte an der Oberfläche und im Inneren des Bauelements sowie durch schädliche Verunreinigungen verursacht.
Bildung
(1).Diffusionsprozess:In einem PN-Übergang befinden sich mehr Elektronen in der N-Zone und mehr Löcher in der P-Zone. Aufgrund des Konzentrationsunterschieds diffundieren Elektronen aus der N-Zone in Richtung der P-Zone und Löcher aus der P-Zone in Richtung der N-Zone. Obwohl das eingebaute elektrische Feld des PN-Übergangs dieser Diffusion entgegenwirkt, findet sie dennoch statt, bis ein dynamisches Gleichgewicht erreicht ist, wodurch ein Diffusionsstrom entsteht.
(2).Defekte und Verunreinigungen:Wenn Defekte an der Oberfläche oder im Inneren des Bauelements vorhanden sind, wirken sie als Rekombinationszentren, indem sie Elektronen und Löcher einfangen und deren Rekombination fördern. Schädliche Verunreinigungen spielen eine ähnliche Rolle und tragen zur Bildung von Dunkelstrom bei.
Auswirkungen
Der Dunkelstrom spielt eine wichtige Rolle bei der Sortierung von Siliziumwafern. Ein zu hoher Dunkelstrom deutet auf eine schlechte Waferqualität hin, beispielsweise auf viele Oberflächenzustände, zahlreiche Gitterdefekte, schädliche Verunreinigungen oder zu hohe Dotierungskonzentrationen. Solarzellen, die aus solchen Wafern hergestellt werden, weisen üblicherweise eine geringe Minoritätsträgerlebensdauer auf, was direkt zu einem niedrigen Wirkungsgrad führt.
Dunkelstrom in Solarzellen
Bei einfachen Dioden entspricht der Dunkelstrom dem Sperrstrom. Bei Solarzellen hingegen umfasst der Dunkelstrom den Sperrstrom, den Leckstrom in der dünnen Schicht und den Volumenleckstrom.
Rücksättigungsstrom
Definition
Der Sperrstrom bezeichnet den Strom in einem PN-Übergang bei angelegter Sperrspannung. Die Sperrspannung verbreitert die Verarmungszone, wodurch das elektrische Feld und die potenzielle Energie der Elektronen steigen. Dies erschwert es Majoritätsladungsträgern, die Barriere zu überwinden, und reduziert den Diffusionsstrom nahezu auf null.
Bildung
1. Driftstrom: Das erhöhte elektrische Feld erleichtert es den Minoritätsträgern in den N- und P-Regionen zu driften, wodurch ein Rückstrom entsteht.
2. Temperaturabhängigkeit: Da Minoritätsträger thermisch erzeugt werden, ist ihre Anzahl bei einer gegebenen Temperatur konstant, und somit auch der Rückstrom.
Leckstrom
Definition
Solarzellen lassen sich in drei Bereiche unterteilen: die dünne Schicht (N-Bereich), die Verarmungszone (PN-Übergang) und den Volumenbereich (P-Bereich). Defekte und Verunreinigungen in diesen Bereichen wirken als Rekombinationszentren, die Elektronen und Löcher einfangen und so die Rekombination ermöglichen. Dieser Prozess erzeugt kleine Ströme, die zum gemessenen Dunkelstrom beitragen.
Typen
• Leckstrom in dünnen Schichten: Verursacht durch Defekte und Verunreinigungen in der dünnen Schicht.
• Leckstrom im Volumen: Verursacht durch Defekte und Verunreinigungen im Volumenbereich.
Zweck der Dunkelstromprüfung
1. Pannen verhindern
Bei Sperrbetrieb der Zelle oder umgekehrter Modulpolarität kann ein zu hoher Dunkelstrom zu einem schnellen Zellausfall führen. Obwohl selten, hilft die Messung des Dunkelstroms, solche Ereignisse zu vermeiden.
2. Überwachung der Produktionsprozesse
Dunkelstrommessungen helfen, potenzielle Prozessprobleme zu identifizieren. Der Dunkelstrom setzt sich aus dem Sperrsättigungsstrom, dem Dünnschichtleckstrom und dem Volumenleckstrom zusammen, die durch J1J_1J1, J2J_2J2 bzw. J3J_3J3 dargestellt werden.
Bei Anlegen einer umgekehrten Spannung:
• Region 1: Dominiert durch J2J_2J2 (Dünnschicht-Leckstrom).
• Region 2: Dominiert durch J3J_3J3 (Bulk-Leckstrom).
• Region 3: Dominiert durch J1J_1J1 (Sperrsättigungsstrom).
Die Grenzen dieser Bereiche werden durch spezifische Prüfspannungen bestimmt.
Spannungseffekte
Wird an die Zelle eine Spannung angelegt, führt dies zu einer elektrischen Injektion in den Siliziumwafer und regt Ladungsträger im Nichtgleichgewicht an. Je höher die Spannung, desto mehr Ladungsträger werden angeregt, was zu einem höheren Dunkelstrom führt. Die Wachstumsrate verlangsamt sich jedoch mit steigender Spannung, bis die Zelle schließlich zerstört wird.
Standardprüfung
Der Dunkelstrom wird typischerweise bei 12 V gemessen. Durch Vergleich der Messergebnisse mit Standardkurven lässt sich der Zustand der Zelle beurteilen:
• Ein übermäßiger Dunkelstrom in Region 1 deutet auf Probleme in der dünnen Schicht hin.
• Ein übermäßiger Dunkelstrom in Region 2 deutet auf Probleme im Bulk-Bereich hin.
• Ein übermäßiger Dunkelstrom in Region 3 deutet auf Probleme mit dem PN-Übergang hin, wie z. B. Diffusion, Siebdruck oder Temperaturschwankungen.
Abschluss
Die Messung des Dunkelstroms ist entscheidend, um prozessbedingte Probleme zu identifizieren und die Solarzellenproduktion zu verbessern.
