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Polycrystalline silicon solar cells on glass - toward an industry compatible process
Frijnts, Tim Robin
Multicrystalline silicon wafer based solar cells are currently the dominating photovoltaic technology. Liquid phase crystallized, thin film, polycrystalline silicon on glass (LPC-Si) is a promising approach to reduce the cost of crystalline silicon solar cells.
In this thesis the large area plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) of SiOx/SiNx/SiOxNy interlayers and 5-15 µm amorphous silicon (a-Si) precursor layers is developed and evaluated. It is shown that the PECVD material can result in similar solar cells efficiencies as the established physical vapour deposition (PVD) material, resulting in new efficiency and open circuit voltage (VOC) records for p-type (11.8 %, 618 mV) and n-type (12.1 %, 649 mV) LPC-Si solar cell. These results are obtained using lithographically structured, bifacial solar cells with stacked contact fingers (FrontERA).
The solar cell development was continued on a backside point contacted device concept with proven industry compatibility. The resistance contributions for this solar cell are analysed in detail and the resistance is reduced by increasing the absorber doping and replacing the emitter. A series resistance (Rs) of 0.8 Ωcm2 is obtained on n-type cells with an absorber doping concentration of ~9∙1016 cm-3 and a 6/6/30 nm a-Si(i)/a-Si(p)/nanocrystalline-Si(p) emitter stack in combination with a 10/250 nm In2O3:Sn/ZnO:Al (ITO/AZO) transparent conductive oxide (TCO) stack. The TCO and emitter etching process in the absorber point contact openings is adapted to reduce shunting without increasing the dead area fraction due to the absorber contact (fDA). KOH texturing is implemented to increase the short circuit current density (JSC), resulting in a light trapping efficiency close to the light trapping limit for geometrical optics. It is shown that the textured point contact cells were affected by a FF loss and it is argued that can be explained by increased recombination at the isolation scribes that define and isolate the cell area (“isoscribes”). A passivated isoscribe process is successfully developed to prevent this. Together, these improvements result in a new efficiency record for point contacted LPC-Si cells of 12.0 %.
The effect of crack in the LPC-Si absorber on shunting and dead area losses is evaluated and laser scribes before LPC (“crack catchers”) are implemented to prevent these cracks. These crack catcher scribes are successfully implemented as isoscribes into point contacted mini-modules. A module efficiency of 9.2 % is obtained, despite many local shunts, showing the shunt insensitivity of the point contact module concept.
Light beam induced current (LBIC) measurements are used to determine the fDA for n-type (fDA ≈ 11 %) and p-type (fDA ≈ 7 %) FrontERA cells and for n-type (fDA ≈ 3 %) and p-type (fDA ≈ 2 %) point contact cells. The lower fDA for p-type cells can be explained by conduction of minority carriers through a frontside charge inversion layer that is induced in the c-Si(p) by positive fixed charges in the SiOxNy based interlayer stack. Detailed JSC analysis show that the lower fDA for the point contact cells than for the FrontERA cells is counteracted by higher parasitic absorption and light trapping losses. It is argued that this can be explained by the attached white resin/Ag reflector of the point contact cells compared to the detached white paper reflector for the FrontERA cells. Several methods are suggested to reduce these losses. Using a newly developed JSC model, it is argued that the optimum absorber thickness for textured LPC-Si cells is ~6 µm for the typical material quality determined in this thesis (effective diffusion length Leff ≈ 12-20 µm).
Mehrkristalline Silizium Wafer Solarzellen sind derzeit die dominierende Photovoltaik Technologie. Flüssigphasenkristallisierter, dünner Film, polykristallines Silizium auf Glas (LPC-Si) ist ein vielversprechender Ansatz, um die Kosten für kristalline Silizium-Solarzellen zu senken.
In dieser Arbeit wird die großflächige Plasma Enhanced Chemical Vapour Depostion (PECVD) von SiOx/SiNx/SiOxNy Zwischenschichten und 5-15 μm amorphen Silizium (a-Si) Vorläuferschicht entwickelt und ausgewertet. Es wird gezeigt, dass das PECVD-Material zu ähnlichen Solarzellenwirkungsgraden führen kann, wie das etablierte Physical Vapour Deposition (PVD) Material, was zu neuen Effizienz und Leerlaufspannung (VOC) Rekorde für p-Typ (11.8%, 618 mV) und n-Typ (12.1%, 649 mV) LPC-Si Solarzelle führt. Diese Ergebnisse werden mit lithographisch strukturierten, bifacialen Solarzellen mit gestapelten Kontaktfingern (FrontERA) erreicht.
Die Solarzellenentwicklung wurde auf einem Rückseitenpunktkontaktierungskonzept mit bewährter Industriekompatibilität fortgesetzt. Die Widerstandsbeiträge für diese Solarzelle werden im Detail analysiert und der Widerstand wird durch Erhöhung der Absorberdotierung und des Austauschs des Emitters reduziert. Ein Serienwiderstand (Rs) von 0.8 Ωcm2 wird erhalten für n-Typ Zellen mit einer Absorberdotierungskonzentration von ~9∙1016 cm-3 und einem 6/6/30 nm a-Si(i)/a-Si(p)/Nanokristallinen-Si(p) Emitterstaffel, in Kombination mit einem 10/250 nm In2O3:Sn/ZnO:Al (ITO/AZO) transparenten leitfähigen Oxid (TCO) Staffel. Der TCO- und Emitter-Ätzprozess in den Absorberpunktkontaktöffnungen ist angepasst um Kurzschlüsse zu reduzieren, ohne den Totraumanteil aufgrund des Absorberkontakts (fDA) zu erhöhen. KOH-Texturierung wird implementiert, um die Kurzschlussstromdichte (JSC) zu erhöhen, was zu einer Lichtfangeffizienz nahe der Lichtfanggrenze für die geometrische Optik führt. Es wird gezeigt, dass die strukturierten Punktkontaktzellen durch einen FF Verlust beeinflusst wurden und es wird argumentiert dass dies verursacht wird von einer erhöhten Rekombination an den Isolationsgraben (Isoscribes) die den Zellbereich definieren und isolieren. Ein passivierter Isoscribe Prozess wird erfolgreich entwickelt, um dies zu verhindern. Gemeinsam führen diese Verbesserungen zu einem neuen Wirkungsgrad für punktkontaktierte LPC-Si-Zellen von 12.0 %.
Die Wirkung von Rissen im LPC-Si-Absorber auf Kurzschlüsse und Totraumverluste wird ausgewertet und Laser-Scribes vor LPC ("Rissfänger") werden implementiert um diese Risse zu verhindern. Diese Rissfängergraben sind erfolgreich in punktkontaktierte Mini-Module implementiert. Ein Modulwirkungsgrad von 9.2 % wird erreicht, trotz vieler lokaler Kurzschlüsse was der Kurzschlussunempfindlichkeit des Punktkontaktmoduls zeigt.
Lichtstrahlinduzierte Strommessungen (LBIC) werden genützt zur Bestimmung des fDA für n-Typ (fDA ≈ 11%) und p-Typ (fDA ≈ 7%) FrontERA-Zellen und für n-Typ (fDA ≈ 3% ) und p-Typ (fDA ≈ 2%) Punktkontaktzellen. Die niedrigere fDA für p-Typ Zellen kann durch die Leitung von Minoritätsladungen durch eine Frontseiten Ladungsinversionsschicht erklärt werden, die in dem c-Si(p) durch positive feste Ladungen in dem SiOxNy basierten Zwischenschichtstapel induziert wird. Detaillierte JSC Analysen zeigen, dass die niedrigere fDA für die Punktkontaktzellen als für die FrontERA Zellen durch höhere parasitäre Absorptions- und Lichtfangverluste entgegengewirkt wird. Es wird argumentiert, dass dies durch den angefügten weißen Farbe/Ag Reflektor der Punktkontaktzellen im Vergleich zum freistehenden weißen Papier Reflektor für die FrontERA Zellen erklärt werden kann. Es werden mehrere Methoden vorgeschlagen, um diese Verluste zu reduzieren. Mit Hilfe eines neu entwickelten JSC-Modells wird argumentiert, dass die optimale Absorberdicke für texturierte LPC-Si-Zellen ~6 μm beträgt für die in dieser Arbeit ermittelte typische Materialqualität (Effektiver Diffusionslänge Leff = 12-20 μm).
