Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5396
Main Title: Interfaces in amorphous/crystalline silicon heterojunction solar cells
Translated Title: Grenzflächen in amorph/kristallinen Siliziumheterosolarzellen
Author(s): Mews, Mathias
Referee(s): Rech, Bernd
Roca i Cabarrocas, Pere
Szyszka, Bernd
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The passivation of the amorphous/crystalline silicon heterojunction (SHJ) and the hole transport across the same are the dominating topics in this thesis. The different chapters focus on: The influence of hydrogen on SHJ passivation and an alternative passivation process for surfaces with higher surface free energy, the application of anti-reflection nanostructures and the current generation in these structures, the application of a novel liquid precursor for SHJ passivation, the investigation of its conversion process and the differences between the resulting layer and PECV deposited a-Si:H layers, the transport across the SHJ and its dependence on the valence band offset and the future research topics for silicon heterojunction solar cells. Chapter 4 comprised an investigation of a two step process for the fabrication of (i)a-Si:H passivation layers on non-ideal c-Si surfaces. The more common approach of directly depositing the best possible passivation layer in a single step is sensitive to surface properties, such as the higher surface free energy of the (100) surface, and results in higher defect densities at Si-(100), or crystallographically undefined surfaces, than on Si-(111). Using a two-step approach allows to deposit structurally worse a-Si:H layers first. These layers are less likely to form epitaxial regions on surfaces with higher free surface energies. In a second step the layer is then exposed to a hydrogen plasma treatment, which allows to introduce additional hydrogen into the layer and reduce the structural disorder. The two step approach allows to form an epitaxy free and hydrogen rich interface at the SHJ. Chapter 5 describes the application of the aforementioned method to passivate nanotextured silicon surfaces with (i)a-Si:H. The technological question in this project was to enable epitaxy free (i)a-Si:H growth on the crystallographically undefined nanotexture and then apply a hydrogen plasma, which improves the structural quality of the layer, but does not induce crystallization. Additionally the nanotextured solar cells featured a low quantum efficiency at the shorter wavelengths of the visible spectrum. It was deduced from simulations that this low quantum efficiency is based on parasitic absorption in crystalline silicon and a follow-up experiment with nanotextures of varied height enabled to show that this parasitic absorption happens inside the nanotexture. The work on liquid silicon precursors for SHJ passivation is another application for the hydrogen plasma developed in chapter 4. In contrast to the previous application, the structural quality of the as-deposited a-Si:H layers was acceptable, as shown by photo electron spectroscopy measurements of the valence band. Amorphous silicon layers prepared from liquid precursors feature low hydrogen densities. Also, these layers tend to be macroscopically porous. Both issues can be solved by a HPT. In addition to achieving a well passivated SHJ with a liquid silicon precursor, the conversion of the liquid silicon precursor was investigated and the differences of these layers to PECV deposited material were discussed. Using minority carrier lifetime spectroscopy and XPS the conversion from polysilane to a-Si:H was found to happen at about 350°C. Chapter 7 focuses on the charge transfer across the SHJ. A parameter set for a-SiOx:H layers with stoichiometry from a-Si:H to a-SiO2 was developed. These layers feature higher band gaps and therefore higher valence band offsets to the crystalline silicon. Hence they were incorporated as passivation layers at the p/n-junction of SHJ solar cells to investigate the relation between Δ Ev at and the hole transport across the SHJ. The combination of experimental results and device simulation allows to deduce a significant influence of tunnel hopping in the hole transport across the SHJ, especially in the passivation layer. Finally, chapter 8 discusses future topics for research on the silicon heterojunction solar cells, connects them with results from this thesis and discusses results on tungsten oxide hole conduction layers and tandem cells consisting of perovskite top cells and silicon heterojunction bottom cells.
Diese Arbeit behandelt die Passivierung der amorph/kritallinen Siliziumheterosolarzelle (SHJ) und den Löchertransport über diese Grenzfläche. Die einzelnen Kapitel behandeln: Den Einfluss von Wasserstoff auf die Passiveriung der SHJ und einen alternativen Prozess zur Passivierung von Siliziumoberflächen mit hoher freier Energie der Oberfläche, die Implementierung von anti-reflex Nanostrukturen in Siliziumheterosolarzellen und die Generation freier Elektronen-Loch-Paare in diesen Strukturen, Passiverschichten basierend auf flüssigen Siliziumprekursoren und einen Vergleich dieser mit mittels PECVD hergestellten Schichten, den Löchertransport über die SHJ-Grenzfläche und dessen Zusammenhang mit dem Valenzbandoffset an der Grenzfläche, sowie die zukünftigen Forschungsfelder im Bereich der amorph/kristallinen Siliziumheterosolarzelle. Kapitel 4 behandelt einen zweistufigen Prozess zur Herstellung von (i)a-Si:H Passivierschichten. Entgegen dem üblichen Ansatz direkt eine möglichst gute Passivierschicht zu wachsen, wird erst eine strukturell schlechtere Schicht gewachsen, welche anschließend durch ein Wasserstoffplasma nachbehandelt wird. Dieser zweite Schritt reduziert die strukturelle Unordnung der Schicht und erhöht die Wasserstoffkonzentration in dieser. Der zweistufige Prozess ist robuster auf Oberflächen mit hoher freier Energie und ermöglicht bessere Passivierung von (100)-Siliziumoberflächen und kristallographisch undefinierten Oberflächen. Kapitel 5 beschreibt die Anwendung der vorher beschriebenen Methode zur Passivierung von nanotexturierten Siliziumoberflächen mit (i)a-Si:H. Diese nanotexturierten Solarzellen zeigen eine niedrige Quanteneffizienz im kurzwelligen Bereich des Sonnenspektrums, welche mittels numerischer Simulation auf parasitäre Absorption in der Nanostruktur zurückgeführt wurde. Dieses Simulationsergebnis wurde mittels einer Variation der Höhe der Nanostruktur bestätigt. Kapitel 6 beschreibt Arbeiten zu amorphen Siliziumpassivierschichten, basierend auf flüssigen Ausgangsstoffen. Die resultierenden Schichten zeigen gute strukturelle Qualität. Jedoch sind die Schichten arm an Wasserstoff und porös. Daher wurde das in Kapitel 4 entwickelte Wasserstoffplasma auch auf diese Schichten angewendet. Weiterhin wurden die Schichten mit mittels PECVD hergestellten Schichten verglichen und der Übergang vom flüssigen Polysilan zu amorphem Silizium untersucht. Die Ümwandlungstemperatur beträgt etwa 350°C. Kapitel 7 behandelt den Ladungstransport über die Siliziumheterogrenzfläche. Ein Satz Proben mit a-SiOx:H Passivierschichten und variierter Stöchiometrie wurde genutzt um den Valenzbandoffset an dieser Grenzfläche zu modulieren. Dies erlaubte den Einfluss des Valenzbandoffsets an der Siliziumheterogrenzfläche auf den Löchertransport an dieser Grenzfläche zu untersuchen. Messungen an diesen Proben und numerische Simulationen erlauben einen signifikanten Einfluss von Störstellenleitung festzustellen. Kapitel 8 diskutiert zukünftige Forschungsgegenstände im Umfeld der Siliziumheterosolarzelle und stellt eine Verbindung zwischen den Ergebnissen dieser Arbeit und den perspektivischen Themen her. Weiterhin werden in diesem Kapitel Ergebnisse zu Wolframoxid Löcherkontakten und Tandem Solarzellen mit Perovskite Topzellen diskutiert.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5788
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5396
Exam Date: 30-May-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 19-Jul-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::621 Angewandte Physik
Subject(s): silicon heterojunction
solar cell
silicon
surface passivation
black silicon
neopentasilane
Siliziumheterogrenzfläche
Solarzelle
Oberflächenpassivierung
Neopentasilan
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 4 Elektrotechnik und Informatik » Institut für Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
mews_mathias.pdf3,31 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.