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Dokumentenidentifikation DE102004014099A1 21.10.2004
Titel Schnelles Verfahren zur Strahlrasterung und Bilderzeugung
Anmelder Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 80539 München, DE
DE-Anmeldedatum 23.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004014099
Offenlegungstag 21.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.10.2004
IPC-Hauptklasse G01N 21/55
IPC-Nebenklasse G01N 23/06   G01R 31/265   

Beschreibung[de]

LBIC (Light Beam Induced Current) ist ein Standard-Verfahren zum Nachweis rekombinationswirksamer Defekte wie z.B. Versetzungen und Korngrenzen in Solarzellen. Dabei wird ein Lichtpunkt über die Zelle gerastert, und der Zellenstrom wird als Helligkeitssignal zum Aufzeichnen eines Bildes genutzt. An der Position von rekombinationswirksamen Defekten ist das LBIC Signal verringert, diese Defekte erscheinen deshalb im LBIC Bild als dunkle Kontraste. Auch andere analytische Verfahren arbeiten mit einer rasternden Strahlsonde.

Die Standard-Methode zur Aufnahme von LBIC-Bildern ist die, daß die Probe mit einem x-y-Bewegungstisch unter dem feststehenden Lichtpunkt bewegt wird (J. Marek: "Light-beam-induced current characterization of grain boundaries", J. Appl. Phys. 55, 1984 pp. 318-326). Durch das mechanische Abrastern ist dieses Verfahren relativ langsam und daher nicht in der in-line Produktionskontrolle einsetzbar. Es gibt auch LBIC-Verfahren; bei denen parallel zur Aufnahme des strahlinduzierten Stromes auch das von der Solatzelle wieder reflektierte Licht gemessen wird (B.L. Sopori, L.C. Allen, C. Marshall, R.C. Murphy, T. Marshall, US Patent 5,757,474). Dieses reflektierte Signal wird dazu benutzt, die Reflexionsverluste zu messen, wodurch die Ergebnisse der LBIC-Untersuchung in innere Quantenwirkungsgrade umgerechnet werden können. Zur Beschleunigung dieses Verfahrens werden neuerdings auch Laser-Scanner eingesetzt, bei denen die Probe ruht und über bewegliche Laserspiegel nur der Lichtpunkt auf der Probe bewegt wird (G. Agostinelli, G. Griesen, F. Merli, E.D. Dunlop, M. Acciari, A. Racz, J. Hylton, R. Einhaus, T. Lauinge: "Large area fast LBIC as a tool for inline PV module and string characterisation", Proc. 17th Eur. Photovoltaic Solar Energy Conference, Munich 2000, pp. 410–413). Bei diesem Verfahren kann die Probe im Prinzip beliebig schnell abgerastert werden. Es gibt jedoch auch physikalische Effekte, die die Bandbreite der Messung und damit die maximal sinnvolle Rastergeschwindigkeit begrenzen. Dazu gehören die RC-Zeitkonstante der Strommessung und die Minoritätsträgerlebensdauer in der Solarzelle. Die Strommessung erfolgt nominell unter Kurzschlußbedingungen. In der Praxis tritt jedoch durch den endlichen Eingangswiderstand des Stromverstärkers und durch Zuleitungs- und Kontaktwiderstände stets ein gewisser Serienwiderstand auf, der im Bereich einiger Ohm liegen kann. Die Solarzelle selbst stellt unter Kurzschlußbedingungen eine Kapazität von mehreren Mikrofarad dar, wodurch sich eine RC-Zeitkonstante von über 10 Mikrosekunden ergibt. Eine sauber getrennte Auflesung benachbarter Bildpunkte ist nur dann möglich, wenn der zeitliche Abstand mehrere Zeitkonstanten beträgt, wodurch sich für ein Bild mit der Auflösung von 500 × 500 Punkten bei einer Meßdauer von 50 &mgr;s/Pixel eine Meßzeit von immer noch 13 Sekunden ergibt. Das ist für eine in-line Produktionskontrolle unakzeptabel, bei der die Taktzeit unter 3 s liegen muß. Eine noch stärkere Einschränkung ergibt sich aus der Minoritätsträger-Lebensdauer im Material, welche bei guten Solarzellen bis zu 1 ms betragen kann. Um auch hier benachbarte Bildpunkte noch getrennt auslesen zu können, muß der zeitliche Abstand eigentlich einige Millisekunden betragen. Selbst bei einer Meßzeit von 1 ms/Punkt würde die gesamte Meßzeit unter vergleichbaren Bedingungen auf etwa 250 s ansteigen. Eine Verringerung der Pixelzahl führt zwar bei konstanter Bandbreite der Messung zu einer entsprechenden Verringerung der Meßzeit, damit sinkt jedoch die Ortsauflösung und damit die Qualität der Ergebnisse. Auch das Laserscan-LBIC Verfahren kann unter gleichzeitiger Abbildung des reflektierten Lichts angewandt werden (Awamura Daikichi, Jap. Pat. 63278023 A).

Das Ziel dieser Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens, mit dem bei konstanter Bandbreite der Messung und konstanter Pixelzahl die LBIC Meßzeit verringert werden kann bzw. bei gleicher Meßzeit eine höhere Anzahl von Pixeln aufgelöst werden kann. Das Verfahren kann vorzugsweise für die LBIC-Untersuchung von Solarzellen eingesetzt werden. Auch die verschiedenen speziellen Varianten des LBIC-Verfahrens wie z.B. LBIC mit verschiedenen Lichtwellenlängen oder im Lock-in Modus unter Vorspannung wie auch die parallele Erfassung des reflektierten Lichtes können durch diese Erfindung schneller gemacht werden. Nach diesem Verfahren können auch beliebige andere punktrasternde analytische Verfahren mit sequenzieller Datenaufnahme und additiver Signalüberlagerung wie z.B. EBIC (Abbildung des elektronenstrahlinduzierten Stromes) oder EDX-Mapping (Röntgen-Mikroanalyse) schneller gemacht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Beleuchtung der Probe kein Lichtpunkt, sondern ein Linien-Formstrahl verwendet wird, der mehrmals quer zur Linie unter verschiedenen äquidistanten Winkeln von 0 bis 180° über die Probe gescannt wird. Bei jedem Scan wird ein eindimensionaler Vektor von Daten gemessen. Aus diesen Vektoren wird nach der Messung mit den bekannten Rekonstruktionsalgorithmen der Tomographie bzw. Laminographie das 2-dimensionale Orginalbild errechnet (H. Barrett, W. Swindell: Radiological Imaging; The theory of image formation, detection and processing, 2 Bände, ISBN 0-12-079601-5, Academic Press, London, 1981).

Das Verfahren beruht auf der Analogie zwischen 2-dimensionaler Tomographie (Laminographie) und linienhafter Beleuchtung einer flächenhaften Probe. Wenn man sich z.B. vorstellt, daß die Solarzelle horizontal (d.h. parallel zu ihrer Fläche) mit parallelem Licht durchstrahlt wird, dann ist ihr "Schatten" eine Linie mit variierender Hellligkeit, also ein 1-dimensionaler Vektor. Ein rekombinationswirksamer Defekt im LBIC Bild verhält sich bezüglich dieses Vektors ebenso, wie ein absorbierender Körper in der durchstrahlenden Tomographie erscheint. Dabei ist es unerheblich, ob die Elemente des Vektors gleichzeitig (wie in einigen Varianten der Tomographie) oder erfindungsgemäß sequenziell aufgenommen werden. Der Erfolg dieses Verfahrens ergibt sich daraus, daß für eine genügend genaue Rekonstruktion eines 2-dimensionalen Bildes die "Durchstrahlung" unter einer endlichen Anzahl von Winkeln ausreichend ist. In Abhängigkeit von der verwendeten Anzahl der Winkel kann das rekonstruierte Bild zwar gewisse Bildfehler aufweisen, die jedoch immer noch eine genügend genaue Interpretation der Bilder erlauben. Mathematisch entspricht die Laminographie bei einer niedrigen Anzahl von Winkeln einer Entwicklung des Bildes nach geraden Linien. Da die dominierenden Defekte in multikristallinen Solarzellen Korngrenzen sind, die als stückweise gerade dunkle Linien erscheinen, ist dies eine günstige Entwicklung, die wenig Bildfehler beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bei LBIC an diesen Solarzellen erwarten läßt.

Ausführungsbeispiel

In 1 ist das Funktionsschema einer günstigen Ausführung dieses Verfahrens in der inline Produktionskontrolle dargestellt. Um bewegte Teile zu vermeiden, erfolgt die Erzeugung des bewegten Linien-Formstrahls auf der Solarzelle (1), die sich auf einem auf dem Probentisch (2) mit elektrischem Kontakt (3) befindet, mit Hilfe eines Videoprojektors (4). Dieser wird vom Computer (5) so angesteuert, daß eine bewegte Linie mehrmals nacheinander die Probe unter verschiedenen Winkeln überstreicht. Bei jeder Position der Linie wird vom Stromverstärker (6) ein Stromwert gemessen, digitalisiert, und dem Computer (5) zugeführt. Es wird davon ausgegangen, daß die Rechenzeit zur Rekonstruktion des Bildes entweder unerheblich ist, oder daß die Auswertung der Daten einer Zelle während der Meßzeit der nächsten Zelle erfolgt, oder daß die Daten an einen weiteren Computer übergeben werden, der die Bildrekonstruktion vornimmt. Ein intelligentes Bildverarbeitungssystem muß in jedem Fall die Auswertung der Bilder mit einer gutschlecht Bewertung übernehmen. Bei einer Meßzeit von 500 &mgr;s/Meßpunkt, einer Linienauflösung von 500 Punkten pro Scan, und einer Bestrahlung unter 10 verschiedenen Winkeln ergibt sich für das rekonstruierte Bild von 500 × 500 Punkten eine Meßzeit von 2,5 s, was für eine in-line Produktionskontrolle ausreichend wäre. Ein konventionelles LBIC System mit punktförmiger Beleuchtung brauchte unter gleichen Bedingungen für ein 500 × 500 Punkte Bild eine Meßzeit von 125 s.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Strahlrasterung und Bilderzeugung bei strahlangeregten bildgebenden Analyseverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abrasterung der Probe ein Linien-Formstrahl verwendet wird, der mehrmals unter verschiedenen Winkeln über die Probe geführt wird, wobei die bei jeder Strahlposition gespeicherten Meßwerte für jeden Winkel einen Datenvektor bilden, aus denen unter Benutzung der bekannten mathematischen Prinzipien der Bildrekonstruktion aus der Laminographie das entsprechende 2-dimensionale Bild rekonstruiert wird.
  2. Verfahren nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erzeugung des Linien-Formstrahls ein Videoprojektor verwendet wird.
  3. Verfahren nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Erzeugung des Linien-Formstrahls ein genügend schnell hin- und hergerasterter Punktstrahl verwendet wird.
  4. Verfahren nach 1, gekennzeichnet dadurch, daß in jeder Position des Linienstrahls außer dem analytischen Meßwert auch noch die Intensität des von der Probe reflektierten Strahls gemessen und entsprechend ausgewertet wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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