Hyperspectral photoluminescence imaging of silicon wafers and solar cells

Abstract

Hyperspectral photoluminescence imaging is a non-destructive characterization method used to study radiative defects in crystalline silicon wafers and solar cells. It provides both spatial distribution and spectral response of these crystal imperfections and impurities. The goal of this research has been to establish hyperspectral photoluminescence imaging as a characterization method. The objectives of this research have been three-fold; to optimize, verify and apply the method. In the optimizing process, an oscillation in the background noise was identified. An enhanced noise removal algorithm was developed, drastically increasing the camera’s sensitivity, allowing even weakly emitting defects to be detected. By application of a macro-lens, the spatial resolution has been improved from 200 to 27 µm. Verification of the method was done by comparing results with several complementary characterization techniques and on various materials. In addition to multicrystalline silicon wafers and solar cells, samples of mono and mono-like crystalline silicon have been characterized with success. The results show that hyperspectral photoluminescence imaging correlates well and in some instances, compared with electroluminescence, yields richer data output. The third objective of this research was to show that the method might be applied as a characterization method in line with other existing methods. This objective has been achieved in two studies. One of these studies has led to a patent application. The conclusion is that Hyperspectral photoluminescence imaging is a method that may be used on par with other characterization methods.

Hyperspektral avbildning av fotoluminescens er en ikke-destruktiv karakteriseringsmetode av radiative defekter i krystallinske silisiumbaserte skiver og solceller. Metoden gir både romlig fordeling og spektral respons av disse krystallfeilene og urenhetene. Målet med denne forskningen har vært å etablere hyperspektral avbildning av fotoluminescens som en karakteriseringsmetode. Formålet med denne forskningen har vært tredelt; optimalisere, verifisere og anvende metoden. Underveis i optimaliseringsprosessen ble svingninger i bakgrunnsstøyen identifisert. Det ble utviklet en forbedret algoritme for fjerning av bakgrunnsstøy, noe som gjorde at kameraets sensitivitet økte drastisk og førte til at selv defekter som avga signaler med svak intensitet kunne oppdages. Ved å benytte en makrolinse er den romlige oppløsningen blitt forbedret fra 200 til 27µm. Verifisering av metoden ble gjort ved å sammenligne resultatene med flere komplementære karakteriseringsteknikker og ulike materialer. I tillegg til multikrystallinske silisiumskiver og solceller, har prøver av mono- og mono-lignende krystallinsk silisium blitt karakterisert med suksess. Resultatene viser at hyperspektral billedtaking av fotoluminescens samsvarer godt med andre metoder og at den i noen tilfeller, sammenlignet med elektroluminescens, gir mer rikholdig data. Det tredje formålet med denne forskningen har vært å vise at metoden han benyttes som en karakteriseringsmetode på lik linje med andre eksisterende metoder. Dette er vist i to studier hvorav en av disse har resultert i en patentsøknad. Konklusjonen er at hyperspektral avbildning av fotoluminescens er en metode som kan brukes på lik linje med andre karakteriseringsmetoder.