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Main Title: Transparent conductive oxides for silicon heterojunction solar cells: interaction between materials and device
Translated Title: Transparente leitfähige Oxide für Silizium-Heterokontakt-Solarzellen: Wechselwirkung zwischen Materialien und Zelle
Author(s): Cruz Bournazou, Alexandros
Advisor(s): Szyszka, Bernd
Stannowski, Bernd
Referee(s): Szyszka, Bernd
Stannowski, Bernd
Isabella, Olindo
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Crystalline-silicon (c-Si) based solar cells are the dominating technology supplying the market of photovoltaic modules presently and a sustainable method of electricity generation. One promising solar cell concept that can boost the efficiency of this technology and is gaining on industrial relevance is the silicon heterojunction (SHJ) solar cell. In this work, the behavior of three industrial relevant transparent conductive oxides (TCO), namely indium tin oxide (ITO), aluminum-doped zinc oxide (AZO) and hydrogenated indium oxide (IOH) when implemented as front electrodes in high power conversion efficiency (PCE) (>23%) silicon heterojunction (SHJ) solar cells, is studied. The implementation approach is oriented to maximize optoelectrical performance of these materials on the solar cells. For this purpose, a simulation model to describe series resistance behavior of solar cell devices in dependence of TCO sheet resistance is developed. A key aspect of the model is to consider the lateral and transversal transport in the silicon absorber in interaction with the TCO conductivity. The solar cell design (front-junction or rear-junction) as well as the wafer conductivity under operating conditions, strongly influence the device's series resistance. From the simulations, it is concluded that a rear-junction device is advantageous over the front-junction design in terms of series resistance when a critical TCO sheet resistance value is surpassed. Furthermore, it is found that the increased lateral transport wafer support in the rear-junction design allows the implementation of a lower conductive TCO in the example of AZO reaching a solar cell conversion efficiency above 23%. To complete the analysis, optical simulations are carried out. Optimal thinner layers for the respective TCO in combination with an amorphous silicon oxide (a-SiO2) second anti-reflective coating (ARC) in terms of maximum short circuit current density, are defined. The combined electrical and optical simulations outcome, proposes that devices with thinner TCOs maintain or outperform the PCE of solar cells with standard TCO layer thickness (~75 nm) when implemented in rear-junction devices. The results of experimental solar cells with both standard and thinner TCO layers confirm this expectation. Through the developed simulation models, a TCO benchmarking method, is proposed.
Solarzellen auf der Basis von kristallinem Silizium (c-Si) sind die vorherrschende Technologie, die derzeit den Markt für Photovoltaikmodule beliefert und eine nachhaltige Methode zur Stromerzeugung. Ein vielversprechendes Solarzellenkonzept, das die Effizienz dieser Technologie steigern kann und an industrieller Relevanz gewinnt, ist die Silizium- Heteroübergangssolarzelle (SHJ). In dieser Arbeit wird das Verhalten von drei industrierelevanten, transparenten, leitfähigen Oxiden (TCO), nämlich Indiumzinnoxid (ITO), aluminiumdotiertes Zinkoxid (AZO) und wasserstoffdotiertes Indiumoxid (IOH), als Frontelektroden in hohem Wirkungsgrad (> 23 %) Silizium-Heteroübergangssolarzellen untersucht. Der Implementierungsansatz zielt darauf ab, die optoelektrische Leistung dieser Materialien auf Silizium-Heteroübergangssolarzellen zu maximieren. Zu diesem Zweck wird ein Simulationsmodell zur Beschreibung des Serienwiderstandsverhaltens der Solarzellen in Abhängigkeit vom TCO- Schichtwiderstand entwickelt. Ein zentraler Aspekt des Modells ist die Berücksichtigung des lateralen und transversalen Transports im Siliziumabsorber in Wechselwirkung mit der TCO-Leitfähigkeit. Das Solarzellendesign (Front-p-n-Übergang oder Rück-p-n-Übergang) sowie die Leitfähigkeit des Wafers unter Betriebsbedingungen haben einen starken Einfluss auf den Serienwiderstand der Solarzelle. Aus den Simulationen wird geschlossen, dass eine Rück-p-n-Übergang-Solarzelle vorteilhaft gegenüber einer Front-p-n-Übergang-Solarzelle ist, wenn ein kritischer TCO - Schichtwiderstand überschritten wird. Weiterhin zeigt sich, dass die erhöhte Unterstützung im lateralen Transport in Rück-p-n-Übergang-Solarzellen die Implementierung eines TCOs mit geringerer Leitfähigkeit im Beispiel von AZO ermöglicht. Zum Abschluss der Analyse werden optische Simulationen durchgeführt. Dabei werden optimale, dünnere TCO-Schichtdicken für den jeweiligen TCO in Kombination mit einer zweiten Antireflexionsbeschichtung aus amorphem Siliziumoxid hinsichtlich maximaler Kurzstromdichte festgelegt. Das Ergebnis der kombinierten elektrischen und optischen Simulationen legt nahe, dass Solarzellen mit dünneren TCOs die Effizienz von Solarzellen mit einer Standard-TCO-Schichtdicke (~ 75 nm) beibehalten oder übertreffen, wenn sie in Solarzellen mit Rück-p-n-Übergang implementiert werden. Die Ergebnisse experimenteller Solarzellen mit Standard- und dünneren TCO-Schichten bestätigen diese Erwartung. Anhand der entwickelten Simulationsmodelle wird eine TCO-Benchmarking-Methode vorgeschlagen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/12697
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-11497
Exam Date: 24-Apr-2020
Issue Date: 2021
Date Available: 19-Apr-2021
DDC Class: 621 Angewandte Physik
Subject(s): transparent conductive oxide
solar cells
photovoltaics
silicon heterojunction
series resistance
transparent leitfähige Oxide
Solarzellen
Photovoltaik
Silizium-Heterokontakt
Serienwiderstand
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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