Спосіб виявлення локальних дефектів в пластинах сонячних батарей

1. Спосіб виявлення локальних дефектів в напівпровідникових пластинах сонячних батарей, що включає формування середовища у вигляді тонкого прозорого шару між прозорою скляною пластиною і поверхнею напівпровідникової плас C2 2 (19) 1 3 Але не всі локальні дефекти створюють такі локальні джерела тепловиділення, які можуть бути виявленими з допомогою вищезгаданих методів. Цьому заважає або недостатня роздільна здатність, або недостатня чутливість до локальної температури чи до потужності локального джерела тепловиділення. Наприклад, в роботах [9] наводяться локальні дефекти в пластинах СБ, які при зворотній напрузі на р-n переході випромінюють в видимому діапазоні спектра. Ці дефекти можуть бути поодинокими, але частіше вони розміщуються колоніями, які займають певні ділянки поверхні пластини. Тільки деяка частина цих дефектів виявляється методами рідких кристалів (РК). Локальне випромінювання в видимому і невидимому ближньому інфрачервоному діапазонах з поверхні пластини СБ може виникати при існуванні локального енергетичного бар'єра і відповідного локального електричного поля. Такий бар'єр являється аномальним і створюється включенням в n+ шар пластини локальної області з відмінними від n+ шару властивостями. В винаході пропонується спосіб виявлення в пластинах СБ таких локальних дефектів, що створюють в приповерхневій області пластини локальні електричні поля. В електронній техніці (ЕТ) відомі методи виявлення локальних дефектів в виробах по реакції середовища, що прилягає до поверхні виробу, на якій діють локальні електричні поля дефектів. Ці поля викликають зміни властивостей в локальних областях середовища. Частіше всього використовуються такі зміни властивостей, які дозволяють візуально спостерігати ці локальні області середовища. Спостереження локальної області стає можливим, якщо в ній змінюється розсіювання світла, коефіцієнт його заломлення, виникає подвійне заломлення світла, змінюється його поляризація, виникає електроліз з виділенням бульбашок газоподібних продуктів електрохімічної реакції або продукти реакції осаджуються на локальну область поверхні в місці дефекту, тощо. Різноманітність методів [10] виявлення дефектів в структурах та виробах ЕТ, в основі яких лежать електрохімічні реакції, визначається призначенням, електролітом, полярністю та величиною прикладеної напруги, конструкцією електролітичної ванни, тощо, і саме головне, візуальним відображенням результату реакції в області дефекту видимою ділянкою травлення, окислення, осадження металу чи видимим виділенням газоподібних продуктів. Спільним для переважної більшості цих методів є те, що весь зразок виробу або досліджувана структура розміщується в середовищі електроліту, одним із електродів являється підкладка кристала зразка або підкладка структури, другим електродом являється металічна пластина чи фольга, повністю занурені в електроліт, що товщина шару електроліту над досліджуваною поверхнею не регламентується, що електрохімічна реакція відбувається в локальних місцях і визначається локальними електричними полями дефектів в електролітичному середовищі. Іноді використовуються електрохімічні методи, в яких тільки досліджувана поверхня зразка контактує з елект 96545 4 ролітом. Для цього електролітична ванна виготовляється у вигляді ємності, в якій дном являється досліджувана пластина, герметично з'єднана з боковою стінкою. В електроліт, залитий в ємність, занурюється металічний електрод, другим електродом являється досліджувана пластина. Інший шлях створення контакту з електролітом тільки досліджуваної поверхні зразка є захист герметичним матеріалом всієї поверхні зразка, окрім досліджуваної. Електрооптичні властивості нематичних рідких кристалів (НРК) використані при створенні методів і пристроїв [11] для виявлення таких локальних дефектів у виробах ЕТ, локальні електричні поля яких деформують структуру шару НРК в локальній області над дефектом. Це приводить до зміни в ній оптичних властивостей (розсіювання світла, виникнення подвійного заломлення світла) НРК, що дозволяє візуально спостерігати місце дефекту у виробі. Спільним для методів, в яких використовуються електрооптичні властивості НРК, є те, що для їх реалізації на досліджуваній поверхні зразка потрібно сформувати рівномірний тонкий шар НРК між прозорою скляною пластиною і досліджуваною поверхнею. Для виявлення дефектів в діелектричній плівці на напівпровідниковій пластині обов'язковою є прозора електропровідна плівка на прозорій скляній пластині. Електричне поле в шарі НРК і діелектричній плівці створюється електричною напругою між електропровідною плівкою і напівпровідниковою пластиною. В електронній техніці електрохімічні методи з використанням електролітів і електрооптичні методи НРК знайшли найбільше застосування для виявлення дефектів в діелектричних плівках на напівпровідникових пластинах. Основним недоліком електрохімічних методів виявлення локальних дефектів в напівпровідникових структурах є те, що вони являються руйнівними. Занурення зразка в електроліт приводить до взаємодії його поверхні з електролітом ще до підключення електродів до напруги. Можуть виникати наведені дефекти процесом реалізації методу. Використання цих методів для виявлення дефектів в пластинах сонячних батарей пов'язане з ризиком руйнівної взаємодії електроліту з пористою металізацією та шорсткою поверхнею пластини. Найближчими до заявленого є методи, що візуально виявляють дефект по місцю дії локального електричного поля на поверхні зразка, що приводить до локального електролізу рідини і виділенню газових бульбашок над дефектом і, методи, що виявляють ділянки дії електричного поля на поверхні зразка, над якими в тонкому шарі НРК виникає подвійне заломлення світла. Серед способів цих двох напрямків методів найближчими до запропонованого винаходу є способи (прототипи), що описані в роботах [12] і [13]. Згідно з роботою [12], досліджувана напівпровідникова пластина р-типу провідності з полірованою поверхнею занурюється в електроліт - 1-2 % розчин сірчаної кислоти в деіонізованій воді. До пластини - катода і до анода, зануреної в розчин платинової фольги, підключають джерело електричного живлення. При напрузі 50-65 В виявляють 5 місця виділення бульбашок водню над електрично активними дефектами в пластині. Способу притаманні недоліки: 1) придатність для виявлення електрично активних дефектів тільки в монокристалічній пластині р-типу з полірованою поверхнею; 2) локальний електроліз виникає при високих напругах; 3) газові бульбашки не фіксуються в місці виникнення; 4) координати дефекту визначаються приблизно. Цьому способу притаманні недоліки, які ускладнюють його використання для виявлення локальних дефектів в пластинах р-типу з суцільним n+ приповерхневим шаром: 1) р-n+ перехід безпосередньо не підключається до джерела живлення; 2) перед зануренням пластини в електроліт необхідно герметично захистити від дотику з електролітом відкритий р-n+ перехід, який виникає після травлення n+ шару на торцях пластини; 3) ризик взаємодії електроліту з пористою металізацією пластини; 4) ризик руйнування р-n+ переходу пластини високою напругою. Головний недолік способу - його непридатність для виявлення локальних дефектів в р-n+ переході пластини сонячної батареї з шорсткою поверхнею. В роботі [13] описується спосіб візуального відображення електричного поля на поверхні кристала мікросхеми. Для цього використовується чутливий до електричного поля поверхні тонкий шар однорідно зорієнтованого НРК між полірованою поверхнею прозорої скляної пластини і поверхнею кристала мікросхеми. Здійснення однорідної орієнтації НРК досягається попередньою обробкою кожної названої поверхні відповідним розчином поверхнево активної речовини (ПАР). Скляна пластина використовується тільки для формування однорідно орієнтованого шару НРК заданої товщини. Електричне поле на поверхні мікросхеми, підключеної до джерела електричного живлення, приводить до відповідної зміни орієнтації молекул НРК в шарі і виникненню подвійного заломлення світла в областях шару, в яких відбулась зміна орієнтації молекул. Ці області чітко спостерігаються в поляризаційному мікроскопі. Способу притаманні недоліки, які обмежують його застосування: 1) на зразках з великою площею (а такими є пластини сонячних батарей), бо це приводить до великих витрат дорого коштовного матеріалу (НРК); 2) непридатність для використання на зразках пластин сонячних батарей з шорсткою поверхнею, бо на таких зразках неможливо однорідно зорієнтувати НРК; 3) необхідність спостереження поверхні зразка тільки через поляризаційний мікроскоп. Задачею запропонованого винаходу є спосіб виявлення дефектів, що створюють локальні електричні поля на поверхні пластини сонячної батареї, який позбавлений недоліків способів прототипів, описаних в роботах [12] і [13]. Суть способу полягає в тому, що дефект виявляється візуально по місцю виникнення електролізу прозорої рідини, тонкий шар якої формується між прозорою скляною пластиною і поверхнею пластини сонячної батареї. Електроліз рідини в локальному місці спричиняється локальним елект 96545 6 ричним полем дефекту, яке виникає при підключенні р-n+ переходу пластини сонячної батареї до зворотної напруги. В електричному полі локального дефекту значно переважаючою являється складова, паралельна поверхні пластини. Газова бульбашка затискається між поверхнями тонкого шару рідини, фіксується в місці виникнення над дефектом і визначає його координати. Суттєві ознаки способу: 1) тонкий шар прозорої рідини між прозорою скляною пластиною і поверхнею пластини сонячної батареї; 2) товщина тонкого шару рідини і фіксування скляної пластини на поверхні пластини сонячної батареї визначається силами поверхневого натягу рідини; 3) підключення р-n+ переходу пластини сонячної батареї до зворотної напруги; 4) локальний електроліз рідини в тонкому шарі під дією локального електричного поля дефекту в р-n+ переході; 5) газова бульбашка фіксується над дефектом і визначає його координати. Запропонований спосіб виявлення дефектів в пластинах сонячних батарей позбавлений недоліків способів визначених прототипів. Він придатний для застосування до пластин з полірованою і шорсткою поверхнею, здійснюється без занурення всієї пластини в електроліт, що позбавляє його від ризиків руйнівної взаємодії електроліту з пластиною. В запропонованому способі р-n+ перехід пластини підключається до зворотної напруги, що дозволяє саме в ньому виявляти дефекти. Для візуального спостереження місць виникнення локальних областей електролізу в тонкому шарі рідини, не потрібно застосовувати поляризаційний мікроскоп. Реалізація запропонованого способу не потребує використовувати дорого коштовні матеріали, електролітичні ванни, електроди. Спосіб забезпечує виявлення і визначення координат дефектів, які створюють локальні електричні поля на поверхні пластини сонячної батареї. Здійснення способу включає в себе виконання наступних операцій. Пластина сонячної батареї, з ретельно очищеною і висушеною поверхнею, встановлюється на металеву платформу. Металічні пружні контакти, закріплені на платформі і електрично ізольовані від неї, виставляються на струмозбираючі шини пластини і притискуються до неї. Металева платформа з закріпленою пластиною сонячної батареї встановлюється на стіл мікроскопу. На вибране для аналізу місце поверхні сонячної батареї аптечною піпеткою наноситься прозора рідина, наприклад, деіонізована вода, гліцерин, етиловий спирт, ацетон, тощо. Нанесена рідина накривається, ретельно очищеною і просушеною, скляною пластиною, під якою формується тонкий шар рідини. Фіксоване положення скляної пластини і товщина шару рідини визначаються силами поверхневого натягу рідини. До пружних контактів і металевої платформи підключають джерело живлення так, щоби на р-n+ перехід пластини сонячної батареї подавалася зворотна напруга. Повільно збільшують напругу, спостерігаючи за поверхнею пластини. При появі газової бульбашки припиняють збільшувати напругу і витримують пластину під напругою на протязі часу, після якого припиняється виникнення нових бульбашок і збі 7 льшення розмірів тих, що виникли спочатку. Фіксують зображення поверхні пластини сонячної батареї з зафіксованими бульбашками в тонкому шарі рідини над дефектами р-n+ переходу. Для демонстрації способу, запропонованому у винаході, на фото Фіг.1 і Фіг.2 наведені приклади виділення газових бульбашок електролізу в тонкому шарі деіонізованої води, створеному між прозорою скляною пластиною і поверхнею зразка. В цих зразках заздалегідь відомо де існує електричне поле і в якому напрямку воно має перевагу. На фото Фіг.1 показаний зразок, що являє собою підкладку із ситалу, на поверхню якої нанесені три паралельні доріжки із алюмінієвої плівки. На поверхні з доріжками під прозорою скляною пластиною сформований тонкий шар деіонізованої води. Фото 1 відображає поверхню зразка до подачі напруги на алюмінієві доріжки, а фото 2 відображає цю поверхню після збільшення напруги до 5 В між середньою доріжкою і з'єднаними крайніми доріжками і витримці при цій напрузі на протязі 5 сек. При мінусовому потенціалі на середній доріжці на її краях скупчуються газові бульбашки. Фото отримані при використанні мікроскопа з прямим підсвічуванням (через об'єктив). На фото Фіг.2 показаний фрагмент поверхні пластини сонячної батареї. При підключенні р-n+ переходу сонячної батареї до зворотної напруги на поверхні фрагменту проявляється локальний дефект, що випромінює в видимій області спектру. На фото 1 цей фрагмент показаний при зворотній напрузі 11 В. Після формування між поверхнею і скляною пластиною тонкого шару деіонізованої води, включення і збільшення зворотної напруги до 8 В, витримці цієї напруги протягом 4 сек., над локальним дефектом виникає і утримується газова бульбашка. Цей стан фрагмента показаний на фото 2. Фото Фіг.2 отримані при використанні мікроскопа з боковим підсвічуванням. На Фіг.3 наведені фото фрагментів поверхні різних пластин сонячних батарей. Над локальними дефектами на цих фрагментах зафіксовані газові бульбашки в тонкому шарі деіонізованої води між поверхнею пластини батареї і поверхнею скляної пластини після включення зворотної напруги на рn+ перехід. Всі фото на Фіг.3 отримані при використанні мікроскопа з прямим підсвічуванням (через об'єктив). На фото 1 показана газова бульбашка над дефектом, що випромінює в видимій області спектра при напрузі 10 В. Бульбашка зафіксована через 4 сек. після досягнення цієї напруги. Дефект розташований поруч з струмозбираючою шиною. Газова бульбашка над дефектом, що не випромінює в видимій області спектра, зафіксована на фото 2 при досягненні напруги 18В і витримці при ній протягом 8 сек. Дефект розміщений поміж струмозбираючими шинами. На фото 3 показані дві бульбашки над двома дефектами при досягненні напруги 10 В і витримці при ній протягом 6 сек. Більша бульбашка фіксує дефект, який при цій напрузі випромінює в видимій області спектра. Дефект, зафіксований меншою 96545 8 бульбашкою, починає випромінювати в видимій області спектра при напрузі 19 В. Дефекти розташовані біля струмознімаючої шини. Газові бульбашки, які фіксують два дефекти через 12 сек. після досягнення напруги 22 В, показані на фото 4. При цій напрузі дефекти не випромінюють в видимій області спектра. Дефекти розташовані поміж струмозбираючих шин. Джерела інформації: 1. J. Schmidt, I. Dierking. Localization and imaging of local shunt in solar cells using polymerdispersed liquid crystals.Progress in Photovoltaic: Research and Applications, vol. 9, 2001, pp. 263-271. 2. Україна. Патент на винахід №84808, 25.11.2008, Бюл. №22. Спосіб виявлення локальних тепловиділяючих дефектів в пластинах сонячних батарей. В.М. Попов, А.С. Клименко, О.П. Поканевич, М.В. Мошель. 3. J. Isenberg and W. Warta. Realistic evaluation of power losses in solar cells by using termographic methods.Journal Applied Physics, 95, 2004, pp. 5200-5209. 4. S.A. Correiaa, J. Lossena, M. Bahrb. Eliminating shunt from industrial silicon solar cells by spatially resolved analysis. 21-st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 4-8 September 2006, Dresden, Germany. 5. Shuntometer 404 @ 704 Passan, Belval S.A. www.belval.com/pasan/. 6. O. Breitenstein, J.P. Racotoniaina, J. Schmidt. Comparison of shunt imaging by liquid crystals sheets and lock-in thermography.12-th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cells Materials and Processes, Breckenridge, Colorado, August 2002. 7. Al Rjfai M.H., Breitenstein O., Racotoniaina J.P., Carstensen J. Edge shunt passivation in silicon solar cells by chemical etching investigated by lock-in thermography. Photovoltaic Energy Conversion. rd Proceedings of 3 World Conference, issue 12-16 May 2003, vol.2, pp. 1061-1064. 8. A. Kaminski, J. Jouglar, M. Mergui, Y. Jourlin, A. Bouille, P.L. Vuillermoz, A. Laugier. Infrared characterization of hot spot in solar cells with high precision due signal treatment processing. Solar Energy Materials and Cells, 51 (1998), pp. 221-231. 9. J.W. Bishop. Microplasma breakdown and hotspots in silicon solar cells Solar Cells, 26 (1989) pp. 335-349. 10. Ваканова Т.Ф., Рубцов А.Е. Электрохимические и электрооптические методы анализа и контроля полупроводниковых приборов и микросхем. Обзоры по электронной технике. Серия 8, вып. 2. - М.: ЦНИИ "Электроника", 1983. 11. Рубцов А.Е., Невская Г.Е. Метод жидких кристаллов в контроле интегральных схем. Обзоры по электронной технике. Серия 8, вып. 1. - М. ЦНИИ "Электроника", 1986. 12. США. Патент №4125440, 14.11.1978. Способ испытания полупроводников без их разрушения (перевод). 13. US Patent №3934199, 20.01.1976. D.J. Channin.Method testing an electrical circuit. 9 Комп’ютерна верстка А. Рябко 96545 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601