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Interdigitated back contact silicon heterojunction solar cells
from the laboratory to industrial processes
Stang, Johann-Christoph
This work follows two routes: the first one explores the efficiency potential of IBC SHJ solar cells built with a rather complex process, the second one shows ways to make this efficiency potential actually industrially accessible by developing an appropriate, simplified manufacturing process.
In chapter 4, both manufacturing processes are discussed. In the first part, the established photolithography process is extensively described, emphasising its complexity, and subtle but crucial optimisations to the process are introduced: improved photoresist adhesion, evaporation-based metallisation increasing the reliability of the ITO etch process and, most importantly, the non-destructive protective layer etching.
The second part of chapter 4 describes the development of an industrially viable manufacturing process based on structured silicon wafers serving as shadow masks to pattern a-Si:H and nc-Si:H in-situ during the PECVD deposition process. Challenges arising from the laser-ablation based mask manufacturing, the accuracy and fidelity of the patterned layers, and the alignment system are analysed and discussed: tapering effects caused by the surface diffusion of SiH3 radicals under the masks were found to limit the fidelity of the patterned layers, making adjustments to the cell design with respect to the contact finger widths and metallisation gaps necessary. Furthermore, an alignment system based on laser-drilling holes, matching with the metal pins on a custom-made aluminium carrier, into the respective wafers was developed.
The results of the various IBC-SHJ solar cells built during this work are presented and analysed in chapter 5. Photolithography-based cells with a direct, annealed aluminium metallisation achieve considerably better results than equivalent cells with an ITO/Ag metallisation (efficiency of 20.7 vs. 19.2 %). With an improved front side passivation the aluminium-based cells reach efficiencies up 22 %. The properties of the Al/a-Si:H contact system strongly depend on the annealing time and temperature. Moderate annealing likely leads to the formation of an intermediate aluminium silicide and initialises the crystallisation of the doped a-Si:H layers, which results in the reduction of the contact resistivity and thus in an increase of the FF. Extended annealing leads to strong interdiffusion between the aluminium and amorphous silicon layers eventually resulting in the disintegration of the latter and thus the deterioration of the passivation quality. In these cases, the consequential VOC losses cannot be compensated by the increase of the FF.
The second part of chapter 5 focuses on the development of photolithography-based solar cells with TCO contacts. Owing to a different front-side layer stack, prioritising passivating over optical properties, as well as optimised a-Si:H deposition processes and film thicknesses, the efficiency of ITO-based IBC SHJ solar cells was increased by 4 %abs, from 19.2 to 23.2 %. Calculations of the implied FF and Suns-VOC measurements indicate that the solar cells are mainly limited by high series resistances leading to FF values well below 80 %. Based on TLM measurements, the contact resistivities, in particular the one of the p-contact stack, were identified to be the main series resistance contributor. Thinning the intrinsic a-Si:H passivation layers and switching to a textured rear side led to substantial improvements of both the contact resistivities and the FF. Additionally, AZO was investigated as an alternative TCO material replacing ITO. The latter was found to form a better contact to the p-type a-Si:H layers, likely related to its higher work function, while the former yielded a better optical response resulting in a higher jSC. Moreover, initial results of IBC SHJ solar cells with a WOX interlayer between the p-type a-Si:H emitter and the TCO (ITO in this case) show slightly lowered p-contact resistivities, indicating the potential of high work function metal oxides as emitter contact materials.
In the last part of the chapter the very first results of IBC SHJ solar cells manufactured with the shadow mask process are presented. Cells with a screen-printed metallisation on an AZO layer reach decent VOC and jSC values (41mA/cm2, 700mV). However, the efficiency does not exceed 10 %, as the corresponding jV curves are strongly Sshaped and the jV-derived FF is limited to values around 30 %. The latter is most likely related to a malfunctioning emitter/TCO contact or a too thick intrinsic a-Si:H passivation layer. A second batch of solar cells built with a further developed shadow mask process – optimised alignment system, a-Si:H processes identical to the ones used for the best photolithography-based solar cells and a more accurately patterned ITO/Ag metallisation – yielded solar cells with efficiencies up to 17, and FF values up to 66 %. VOC values are particularly low (616mV), as the emitter passivation degrades during the metallisation.
Chapter 6 discusses the prospects of IBC SHJ solar cells with respect to industrial fabrication and marketability. With respect to high-efficiency concepts aiming for cell efficiencies above 25 %, top- and rear-contacted SHJ solar cells are identified to likely be the main competitor for IBC SHJ solar cells. The latter can only succeed if simple manufacturing processes are employed. Based on the state of IBC SHJ research, shadowmask based processes show the most potential, as the complexity of the manufacturing process does not substantially differ from standard SHJ processes and cell efficiencies close to 24% have been demonstrated. The implications of a shadow mask process on the contact geometry of IBC SHJ solar cells (larger contact finger widths and metallisation gaps) are also analysed with a simulation study. The results indicate only minor efficiency losses due to process related contact geometry adjustments.
Einseitig kontaktierte Silizium-Heterostruktursolarzellen (IBC-SHJ) haben das Potential höchste Wirkungsgrade zu erreichen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Herstellungsprozessen sowie der Optimierung des Kontaktdesigns derartiger Solarzellen. Der Fokus lag hierbei einerseits auf der Weiterentwicklung und Verbesserung des etablierten Photolithographieprozesses sowie andererseits auf der Entwicklung eines alternativen, industriekompatiblen Herstellungsverfahrens, basierend auf der Strukturierung amorpher und nanokristalliner Siliziumschichten in situ mittels geeigneter Schattenmasken während der jeweiligen PECVD-Prozesse (Schattenmaskenprozess).
Die im vierten Kapitel beschriebenen Verbesserungen des Photolithographieprozesses umfassen die Lackhaftung, die Reproduzierbarkeit des ITO-Ätzschrittes und das Vermeiden der Degradation der frontseitigen Antireflexschicht während des Ätzens der darauf befindlichen a-Si-Schutzschicht. Der zweite Teil des vierten Kapitels befasst sich mit der Entwicklung des Schattenmaskenprozesses. Durch Laserstrukturierung wurden hierfür geeignete Masken aus Siliziumwafern hergestellt sowie zwei Alignierverfahren entworfen und hinsichtlich ihrer Genaugikeit und Praktikabilität analysiert. Die Strukturtreue der durch die Masken abgeschiedenen a-Si-Schichten wurde mittels Raman-Profilmessungen analysiert. PECVD-Prozesse, in denen die Schichtdeposition durch die Diffusion der SiH3-Radikale hin zur Oberfläche limitiert ist, zeigten diesbezüglich bessere Ergebnisse als Prozesse, in denen SiH3-Radikale vermehrt auf der Oberfläche unter die Maske diffundieren können.
Die Eigenschaften der für diese Arbeit hergestellten IBC-SHJ Solarzellen werden im fünften Kapitel vorgestellt. Dabei lag der Fokus im Speziellen auf der Optimierung der Rückkontaktstrukturen der mit dem Photolithographieprozess hergestellten Solarzellen. Solarzellen mit direkten, getemperten Al/a-Si:H-Kontakten erreichten höhere Wirkungsgerade als entsprechende Referenzzellen mit konventionellen ITO/Ag-Kontakten (19,2 zu 20,7 %). Durch eine verbesserte Frontseitenpassivierung konnte die Effizienz der aluminiumbasierten Solarzellen auf bis zu 22% erhöht werden. Die Eigenschaften des Al/a-Si:H-Kontaktes hängen maßgeblich von der Temperatur und Zeitdauer des Temperschrittes ab. Moderates Tempern (T = 150 bis 160 °C, 20 bis 30 Minuten) führt zur Bildung eines Aluminiumsilizides sowie einer partiellen Kristallisation des amorphen Ausgangsmaterials. Beide Effekte verringern den Kontaktwiderstand zwischen der Aluminiummetallisierung und den dotierten a-Si:H-Schichten, wodurch der Füllfaktor steigt. Wird die Temperatur des Temperschrittes weiter erhöht, kommt es verstärkt zu Diffusionsprozessen zwischen den Aluminium- sowie den amorphem Siliziumschichten und in der Folge zu einer teilweisen Auflösung letzterer. Der daraus resultierende Verlust der Oberflächenpassivierung und die folgliche Reduktion der Leerlaufspannung können in der Regel nicht durch einen weiteren Anstieg des Füllfaktors ausgeglichen werden, sodass die Effizienz der Solarzelle wieder sinkt.
Der zweite Teil des fünften Kapitels beschreibt den Optimierungsprozess von IBC-SHJSolarzellen mit TCO-basierten Kontakten. Durch das Einfügen einer amorphen Siliziumschicht wurden die Passivierungseigenschaften des frontseitigen Schichtstapels substantiell verbessert. Des Weiteren wurden die PECVD-Prozesse und die Schichtdicken der rückseitigen a-Si:H-Schichten optimiert. Folglich konnte die Effizienz von Solarzellen mit ITO/Ag-Kontakten um 4 %abs, von 19,2 auf 23,2% erhöht werden. Mittels einer Füllfaktoranalyse – Vergleich von implizitem und Pseudo-Füllfaktor – wurde der Serienwiderstand als dominanter Verlustmechanismus identifiziert. TLM-Messungen zeigen, dass hohe Serienwiderstände zu einem großen Teil auf einen entsprechend hohen Kontaktwiderstand des p-Kontaktes zurückzuführen sind. Ein Reduktion des letzteren konnte durch eine Verringerung der Schichtdicke der intrinsischen a-Si:H-Passivierschicht erreicht werden, eine Reduktion des gesamten Serienwiderstandes durch den Einsatz einer texturierten anstelle einer planaren Rückseitenoberfläche. Zudem wurde aluminiumdotiertes Zinkoxid (AZO) als alternatives TCO-Material untersucht. Im Vergleich zu ITO weist AZO eine höhere Transparenz im nahen Infrarotbereich auf, wodurch die parasitäre Absorption an der Zellrückseite vermindert wird. Dieser Vorteil wird jedoch durch einen hohen Kontaktwiderstand zum p-dotierten a-Si:H-Emitter kontrastiert. Letzteres führt zu einer Reduktion des Füllfaktors. Des Weiteren wurde Wolframoxid als Emitter-exklusives Kontaktmaterial untersucht. Erste Solarzellen mit einer dünnen Wolframoxidschicht zwischen dem p-dotiertem a-Si:H-Emitter und der TCO-Schicht (ITO) erreichten Effizienzen auf dem Niveau der entsprechenden Referenzzellen (Standardkontakt ITO/Ag), und wiesen darüber hinaus tendenziell niedrigere p-Kontaktwiderstände auf.
Im letzten Teil des fünften Kapitels werden die initialen Ergebnisse von mittels Schattenmaskenprozess hergestellten IBC-SHJ-Solarzellen diskutiert. Zellen mit einer Siebdruckmetallisierung und einem AZO-Schicht als TCO erreichen Leerlaufspannungen von 700mV und Kurzschlusstromdichten von über 40mA/cm2. Die Effzienz ist mit 10% jedoch sehr niedrig, da der Füllfaktor lediglich Werte von etwa 30% erreicht – als Folge von stark S-förmigen UI-Kennlinien, potentiell verursacht durch einen unzureichenden Emitter/TCO-Tunnelkontakt oder eine zu dicke intrinsische a-Si:H-Passivierschicht. Mit einem verbesserten Aligniersystem sowie den für die photolithographiebasierten Solarzellen optimierten PECVD-Prozessen konnte die Effizienz auf 17% erhöht werden, die Füllfaktorenwerte gar verdoppelt (66 %). Die Effizienz dieser Zellen ist maßgeblich durch die niedrige Leerlaufspannung (616mV) limitiert, als Folge der Degradation der Emitter-Passivierung während des Metallisierungsprozesses.
Im sechsten Kapitel werden Methoden der industriellen Fertigung von IBC-SHJSolarzellen sowie ihre daraus potentiell resultierende Marktfähigkeit diskutiert. Um in der Klasse der Solarzellentechnologien mit einem Effizienzpotential größer als 25% vor allem gegen beidseitig kontaktierte SHJ-Solarzellen bestehen zu können, müssen drastisch vereinfachte Herstellungsverfahren für IBC-SHJ-Solarzellen entwickeln werden. Diesbezüglich zeigen Verfahren basierend auf Schattenmasken, den aktuellen Forschungsstand betrachtend, das größte Potential, sowohl was die Prozesskomplexität als auch bereits erreichte Effizienzen (bis zu 24 %) betrifft. Mittels einer Simulationsstudie wird des Weiteren gezeigt, dass die für die Applikation eines Schattenmaskenprozesses notwendigen Anpassungen der Kontaktgeometrie (insbesondere breitere Kontaktfinger und Metallisierungsabstände) zu lediglich marginalen Effizienzverlusten führen.
