Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3160
Main Title: Effizienzlimitierende Rekombinationsprozesse in amorph/kristallinen und polykristallinen Siliziumsolarzellen
Translated Title: Efficiency-limiting recombination processes in amorphous-crystalline and polycrystalline silicon solar cells
Author(s): Leendertz, Caspar
Advisor(s): Rech, Bernd
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit werden zwei Solarzellentypen auf Siliziumbasis untersucht, die am Helmholtz Zentrum Berlin entwickelt werden. Dabei besteht das Ziel darin, ein genaueres Verständnis für die effizienz-limitierenden Prozesse zu gewinnen und mögliche Optimierungsstrategien zu finden. Im Zentrum dieser Arbeit steht die Untersuchung der Rekombinationsprozesse, die im Allgemeinen die Leerlaufspannung limitieren. Erstens wird eine Technologie untersucht, bei der als Absorber ein kristalliner Siliziumwafer eingesetzt wird und bei der der Emitter sowie die Rückseitenkontaktierung aus dünnen hydrogenisierten amorphen Siliziumschichten besteht (a-Si:H/c-Si Zelle). Dieses Zelldesign ermöglicht hohe Wirkungsgrade von 23% sowie Leerlaufspannungen von 730mV bei moderaten Kosten und ist somit bereits kommerziell erfolgreich. Zweitens wird eine Zelle vorgestellt, deren Absorber aus einer dünnen poly-kristallinen Siliziumschicht (poly-Si) besteht und dadurch das Potenzial besitzt, wesentlich günstiger produziert werden zu können. Für eine erfolgreiche Kommerzialisierung ist es allerdings notwendig, die Wirkungsgrade und Leerlaufspannungen dieser poly-Si Dünnschichtzelle, die bisher bei knapp 10% und 500mV liegen, deutlich zu erhöhen. Während die Herausforderung bei der Erhöhung der Leerlaufspannung der a-Si:H/c-Si Zelle insbesondere darin besteht, die Rekombination über Defekte an den a-Si:H/c-Si Grenzflächen zu Emitter und Rückseitenkontakt zu minimieren, können sich bei der poly-Si Zelle auch Defekte, wie z.B. Korngrenzen, in der Absorberschicht selber limitierend auswirken. Ein experimenteller Zugang zur Untersuchung der Rekombinationsprozesse besteht in der Messung der effektiven Ladungsträgerlebensdauer in Abhängigkeit der durch Beleuchtung generierten Überschussladungsträger. Zudem ermöglicht eine detaillierte Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien (Hell und Dunkel) Informationen zu den Rekombinationsprozessen zu gewinnen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Simulationsmodell für eine computergestützte Auswertung der injektionsabhängigen Ladungsträgerlebensdauer (CA-PCD-Methode) entwickelt. So war es möglich, den Einfluss von Defekt- und Feldeffektpassivierung auf die Grenzflächenrekombination in der a-Si:H/c-Si Solarzelle zu unterscheiden und festzustellen, unter welchen Bedingungen das Schichtsystem so weit optimiert ist, dass nur noch die Auger-Rekombination die implizite Leerlaufspannung limitiert. Die poly-Si Dünnschichtsolarzelle wurde untersucht, indem Strom-Spannungs-Kennlinien mit Hilfe von numerischen Simulationen untersucht wurden. So konnten elektronische Defekte im Volumen der poly-Si Absorberschicht als effizienzlimitierend identifiziert werden. Darüber hinaus wurde eine Sensitivitätsanalyse mit einem numerischen Simulator durchgeführt, um Optimierungsstrategien für dieses Zelldesign zu finden. So wurde insbesondere ein möglicher Einsatz von Heterostrukturen als Kontaktschichten untersucht.
In this thesis two types of silicon solar cells developed at the Helmholtz Center Berlin are compared, the main objective being to gain a fuller understanding of the efficiency-limiting processes in solar cells and to find strategies to optimize solar cells. The focus of this thesis is the investigation of the charge carrier recombination processes that generally limit the open circuit voltage of solar cells. First of all, a technology based on a crystalline silicon wafer as absorber and thin hydrogenated amorphous silicon as the emitter and back surface field contacts (a-Si:H/c-Si solar cell) is investigated. With this cell design high efficiencies of up to 23% and open circuit voltages of 730mV can be achieved at moderate production costs. Thus for this solar cell type production has already been successfully established. Secondly, a solar cell with a thin polycrystalline silicon (poly-Si) absorber layer, which has the potential to be produced far more cost effectively, is analyzed. To enable the profitable commercial production of this poly-Si thin-film solar cell, the efficiency and open circuit voltage, which up to now have reached 10% and 500mV, have to be further increased. The main challenge concerning the a-Si:H/c-Si cell lies in the reduction of the charge carrier recombination via electronic defects at the a-Si:H/c-Si interface between the crystalline absorber and the amorphous emitter and back surface field contact respectively. In the case of the poly-Si thin-film solar cell by contrast, the electronic defects inside the absorber layer itself, e.g. at grain boundaries, could limit the efficiency. To study such recombination processes experimentally, the effective charge carrier lifetime is measured as a function of the excess carrier density which is generated by illumination. Moreover, by analyzing in detail the current-voltage characteristics (dark/light) of the solar cells, information concerning the recombination processes can be gained. In this thesis a modeling tool has been developed and applied for computer-aided analysis of experimental injection-dependent charge carrier lifetime data (CA-PCD method). Thus, it was possible to discern the influence of field effect and defect passivation on the recombination at the a-Si:H/c-Si interface and to determine whether the layer stack is optimized to the extent that the open circuit voltage is only limited by Auger recombination. The poly-Si thin-film solar cells were investigated by analyzing current-voltage characteristics by means of numerical simulation. By this method electronic defects in the bulk of the poly-Si absorber layer could be identified as efficiency-limiting. Furthermore, numerical simulations were applied to find optimization strategies for poly-Si thin-film cells, particularly regarding the use of heterostructures as contact layers.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-34686
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3457
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3160
Exam Date: 21-Nov-2011
Issue Date: 23-Mar-2012
Date Available: 23-Mar-2012
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Amorphes Silizium
Ladungsträgerlebensdauern
Oberflächen-Passivierung
Silizium-Heterostrukturen
Solarzellen
Amorphous silicon
Charge carrier lifetime
Silicon heterojunctions
Solar cells
Surface passivation
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