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Main Title: Interdigitated back-contacts for poly-crystalline thin-film silicon solar cells on glass
Translated Title: Interdigitierende Rückkontakt Solarzellen auf Glas auf poly-kristallinem Dünnschicht-Silizium
Author(s): Sonntag, Paul
Advisor(s): Rech, Bernd
Referee(s): Rech, Bernd
Rau, Uwe
Topiĉ, Marko
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: This thesis is about the liquid phase crystallization (LPC) technology to produce solar cell absorbers of 10 − 40 µm thickness directly on glass, the development of interdigitated back-contact (IBC)-silicon hetero-junction (SHJ) solar cells thereon and the evaluation of material parameters and future prospects of the LPC technology. The latter is a new hybrid technology between wafers and classical bottom-up thin-film technologies. Among them are absorbers based on amorphous hydrogenated silicon (a-Si:H), micro-crystalline hydrogenated silicon (µc-Si:H), and tandem combinations as well as technologies that aimed to improve crystal quality (solid phase crystallization (SPC)) or reduce process temperatures (Aluminium induced layer transfer (ALILE)). All of them are either limited in performance by grain sizes in the few µm range or a maximum absorber thickness of few µm. Si wafers on the other hand show excellent performance but are limited to thicknesses over 120 µm and additional kerf-losses limit the potential for saving materials costs. The LPC approach circumvents this problem and represents a promising technology due to electronic absorber material quality and grain sizes being comparable to multi-crystalline (mc)-wafers. A steep learning curve at HZB and UNSW is a proof a steadily improving material quality. Within 5 years the efficiency has jumped from below 5 % to above 13 % that have been achieved in this work. The last leap of efficiencies before this thesis was made possible especially by technological improvements in the intermediate layer (IL) stack that made illumination from the glass side (superstrate) possible and the change from p- to n-type absorbers. The need arose for a contact system especially designed for n-type absorbers and for glass-side illumination to enhance light trapping which was not optimal with the FrontERA contact system used before the start of this thesis. At the same time, the contact systems should serve as a sound basis to investigate material quality. Due to the fact that most standard wafer characterization tools do not work on LPC-Si, most of the analysis is done via the finished device parameters. Hence, during this thesis, a process to fabricate an IBC-SHJ system was developed for n-type absorbers in superstrate operation, featuring fully passivated contacts. Furthermore, it was shown that these passivated contacts improve the local current collection. A functional IBC-SHJ cell is presented in the thesis along with a short-circuit current density (J SC ) of more than 30 mA/cm 2 that was achieved for the first time on an absorber of only ≈ 9 µm thickness. It is proven that the IBC-SHJ process leads to working solar cells independent of the glass substrate used, the crystallization type (laser or electron beam) or circumstances (vacuum or ambient) and irregardless of IL deposition methods (CVD or plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD)). An open-circuit voltage (VOC ) of 655 mV and a current of over 23.5 mA/cm 2 are demonstrated on a merely 2.5 µm thick absorber. A method to extract effective minority charge carrier diffusion length (Ldiff ) from light-beam induced current (LBIC) line-scans over the absorber contact fingers on a finished IBC-SHJ device is presented. This method is verified by simulations and is in general applicable to IBC systems regardless of the contact and absorber type, only depending on IBC geometries and material quality. It is proven that the Ldiff inside grains on LPC-Si absorbers are sufficient for an IBC system. The demonstrated possible versatility of deposition methods, tools and crystallization sources to achieve working IBC cells on LPC-Si sparked a development of high quality homogeneous IL stacks by an integrated (without vacuum break) PECVD process. Crystallization was optimized using a laser source in vacuum (instead of laser in ambient or electron-beam in vacuum). The total optimized absorber fabrication process was combined with an optimized contact system fabrication process and adapted IBC geometries. Among the changes are an increase of the pitch by a factor of two and a reduction in cell size by 40 % to make the process more robust and fit more cells on a substrate to enhance statistics. Concomitantly, a new test structure concept named full-emitter cell (FEC) was developed. It is shown that the results of these accumulated changes led to the current record efficiencies on LPC-Si of 13.2 % for two distinctly different absorber doping concentrations of 2 · 10 16 /cm 3 and 1 · 10 17 /cm 3 especially due to a tremendous increase in fill factor (FF). Both FF (74.7 %) and J SC (31.3 mA/cm 2 ) presented in this thesis are the highest up date shown on LPC material. The best FEC structure yields an active area efficiency of 15.9 % and demonstrates the potential of LPC-Si experimentally. The results of a doping density series are used to observe and partly quantify the change in absorber quality depending on P concentration. LBIC measurements show that a drop in current with rising doping density is attributed to a decrease in Ldiff that over-compensates a rise in VOC and FF. Consequently, a doping density of 2 · 10 16 /cm 3 yields the highest efficiencies on average in this experiment. Furthermore, LBIC investigations reveal that the passivation quality of the grain boundary (GB) is reduced for higher doping. It is considered that P segregation may be responsible for this and concluded that gettering or other post-annealing techniques should be applied to improve absorber quality. A study of bifacial quasi-cell test structures with different absorber thicknesses is performed. Measured J − V parameters are compared to simulations for both sub- and superstrate configurations. A detailed analysis leads to the conclusion that the interface between glass and LPC-Si is of a high quality and that at this point the bulk is more limiting for the performance. A final holistic evaluation of the LPC-Si material and the contact system developed during this thesis identifies limits and possible levers for further improvement. For the material, an improvement of the bulk Shockley-Read-Hall (SRH) lifetime seems vital, whereas the contact system still suffers from high series resistance and the light management has potential for improvement. Efficiencies of 16 % seem feasible in the near future, whereas efficiencies approaching 20 % require substantial breakthroughs in improvement of the material quality, contact resistance and optics.
Diese Doktorarbeit behandelt die Flüssigphasenkristallisationstechnologie (LPC Technologie) zur Herstellung von Solarzellenabsorbern einer Dicke von 10 − 40 µm direkt auf Glass und die Entwicklung von Solarzellen mit interdigitierenden Rückkontakten mit Silizium Heteroübergängen (IBC-SHJ) auf diesen Absorbern, sowie die Abschätzung von Materialparametern und Zukunftsaussichten der LPC Technologie. Die letztere ist eine neue Hybrid-Technologie zwischen Wafern und klassischen “bottom-up” Dünnschichttechnologien. Beispiele für diese sind a-Si:H, µc-Si:H und Tandemkombinationen derselben, sowie Technologien, die darauf abzielen die Kristallqualität zu verbessern (Festphasenkristallisation SPC) oder die Prozesstemperaturen zu reduzieren (Aluminium-induzierter Schichtaustausch ALILE). Alle genannten klassischen Dünnschichttechnologien sind in ihrem Wirkungsgradpotenzial entweder durch ihre Korngrößen von nur einigen µm oder durch eine maximale Absorberdicke von einigen µm begrenzt. Si Wafer auf der anderen Seite verzeichnen exzellente Wirkungsgrade, sind jedoch begrenzt auf Absorberdicken über 120 µm. Zusätzliche Sägeverluste sorgen dafür, dass das Materialeinsparpotenzial vergleichsweise gering ist. Der LPC Ansatz umgeht dieses Problem und stellt allgemein eine vielversprechende Technologie aufgrund einer mit mc-Wafern vergleichbaren Materialqualität und Korngröße, dar. Eine steile Lernkurve an den Instituten des HZB und der UNSW ist ein klarer Indikator einer stetig gestiegenen Materialqualität. Innerhalb von 5 Jahren hat sich die maximale Effizienz von unter 5 % auf über 13 % (in dieser Doktorarbeit) verbessert. Der letzte Sprung der Konvertierungseffizienzen wurde dank technologischer Verbesserungen des Zwischenschichtstapels(IL) möglich. Dieser ermöglichte eine Solarzellenoperation durch glasseitige (superstrat) Beleuchtung. Außerdem gab der Wechsel von p- zu n-Typ dotierten Absorbern einen Vorteil für die Effizienz. Schließlich wurde es notwendig ein Kontaktsystem zu entwerfen, das speziell für n-Typ Absorber ausgelegt ist und verbesserten Lichteinfang ermöglicht, der bei dem Vorgängermodell FrontERA noch nicht ausgereift war. Gleichzeitig sollte es dieses Kontaktsystem auch ermöglichen die Materialqualität genauer zu untersuchen, denn aufgrund der Tatsache, dass die meisten Standard-Wafercharakterisierungstechniken auf LPC-Si nicht anwendbar sind, müssen die meisten Analysen zur Materialqualität an einer fertigen Solarzelleneinheit vorgenommen werden. Daher wurde während dieser Doktorarbeit ein Prozess entwickelt um ein IBC-SHJ-System für n-Typ Absorber in Superstratkonfigurationsbetrieb zu fabrizieren, das vollständig passivierte Kontakte besitzt, um die lokale Stromsammlung zu verbessern. Die erste funktionierende IBC-SHJ Zelle, die in dieser Doktorarbeit präsentiert wird, besitzt eine Sättigungsstromdichte (J SC ) von mehr als 30 mA/cm 2 bei einer Absorberdicke um ≈ 9 µm. Es wird außerdem bewiesen, dass der IBC-SHJ-Prozess unabhängig von verwendetem Glassubstrat, Kristallisationstyp (Laser oder Elektronenstrahl), sowie unabhängig von den Kristallisationsumständen (Vakuum oder unter Atmosphäre) und den Beschichtungsmethoden des IL (CVD oder PECVD) zu funktionierenden Solarzellen führt. Auf einem lediglich 2.5 µm dünnen Absorber werden eine offene Klemmspannung (VOC ) von 655 mV und ein J SC von 23.5 mA/cm 2 gezeigt. Eine Methode um die effektive Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge aus LBIC Linien-Scans über die Absorberkontaktfinger eines fertigen IBC-SHJ Bauteils zu ermitteln wird präsentiert. Diese Methode wird durch Simulationen verifiziert und ist allgemein auf IBC Systeme anwendbar, unabhängig von der Art der Kontakte oder des Absorbers; sie hängt nur von den IBC-Abmaßen und der Materialqualität ab. Es wird bewiesen, dass Ldiff innerhalb der Körner auf LPC-Si Absorbern ausreichend für ein IBC System ist. Die demonstrierte mögliche Vielseitigkeit von Depositionsmethoden, -anlagen und Kristallisationsquellen um funktionierende IBC Zellen auf LPC-Si herzustellen, wurde genutzt um hoch-qualitative IL Schichtstapel mit einem integrierten (ohne Vakuumbruch) PECVD Prozess zu entwickeln. Die Kristallisation wurde mittels einer Laserquelle in Vakuum optimisiert (anstatt mittels eines Lasers unter Atmosphäre oder einem Elektronenstrahl im Vakuum). Dieser gesamte optimisierte Absorberfabrikationsprozess wurde mit einem ebenso optimierten Kontaktsystemherstellungsprozess und angepassten Geometrien kombiniert. Unter den Änderungen sind unter anderem eine Verdoppelung des “pitch” und eine Reduzierung der Zellfläche um 40 % um den Prozess weniger fehleranfällig zu machen und durch die dadurch resultierende Erhöhung der Anzahl an Zellen pro Substrat mehr Statistik zu haben. Gleichzeitig wurde ein neues Teststrukturenkonzept namens full-emitter cell (FEC) (Voll-Emitter-Zelle) entwickelt. Es wird gezeigt, dass genau diese kumulierten Änderungen zu den Rekordumwandlungseffizienzen auf LPC-Si von 13,2 % für zwei deutlich verschiedene Absorberdotierungskonzentrationen von 2 · 10 16 /cm 3 und 1 · 10 17 /cm 3 geführt haben. Besonders herauszuheben ist eine enorme Steigerung des Füllfaktors (FF). Sowohl der FF (74,7 %), als auch der J SC (31, 3 mA/cm 2 ), die in dieser Arbeit präsentiert werden, stellen die bis jetzt höchsten auf LPC Material erreichten Werte dar. Die beste FEC Struktur ergab eine Umwandlungseffizienz von 15,9 % (bezogen auf die aktive Fläche) und ist eine deutliche experimentelle Bestätigung des Potenzials von LPC-Si. Die Ergebnisse einer Dotierserie werden genutzt um die Änderung der Materialqualität in Abhängigkeit der P Konzentration festzustellen und teilweise zu quantifizieren. LBIC Messungen zeigen, dass eine Abnahme des Strom mit höherer Dotierstoffkonzentration auf eine Abnahme von Ldiff zurückzuführen ist. Eine Zunahme von VOC und FF kann diesen Rückgang im Strom in Bezug auf die Gesamteffizienz nicht ausgleichen. Folglich erbringt eine Dotierung von 2 · 10 16 /cm 3 im Mittel die höchsten Effizienzen in diesem Experiment. Desweiteren wird beschrieben, wie LBIC Untersuchungen aufdecken, dass die Passivierungsqualität der Korngrenzen (GB) für höhere Dotierungen niedriger ist. Es wird in Betracht gezogen, dass P Segregation dafür verantwortlich ist und daraus geschlussfolgert, dass “Gettern” oder andere nachträgliche Ausheiltechniken angewenden werden sollten um die Absorberqualität zu erhöhen. Eine Studie bifazialer Quasizellteststrukturen unterschiedlicher Absorberdicke wird beschrieben. In Sub- und Superstratkonfiguration gemessene Strom-Spannungs-Kennlinien(J − V )-Parameter werden mit simulierten verglichen. Eine detaillierte Analyse führt zu dem Schluss, dass die Grenzfläche zwischen Glass und LPC-Si eine gute Qualität besitzt und dass zu diesem Zeitpunkt das innere Absorbervolumen (bulk) für die Leistung limitierender ist. In einer abschließenden holistischen Evaluation des LPC-Si Materials und des in dieser Doktorarbeit entwickelten Kontaktsystems werden Grenzen und mögliche Ansatzpunkte für zukünftige Verbesserungen identifiziert. Eine Erhöhung der Shockley-Read-Hall (SRH) Rekombinationshalbwertszeit der Minoritätsladungsträger im LPC-Si Volumen scheint entscheidend um die Zelle zu verbessern, wohingegen die Zelle von Seiten des Kontaktsystems am meisten von einer Verringerung des Serienwiderstands profitieren würde. Zusätzlich gibt es ein Potential die Sättigungsstromdichte durch verbesserte Lichteinfangstrukturen zu erhöhen. Effizienzen um 16 % wären bereits in naher Zukunft machbar, wohingegen Effizienzen, die sich 20 % annähern, substanzielle Durchbrüche in Materialqualität, Kontaktwiderstand und Optik erfordern.
Exam Date: 3-Jun-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 18-Sep-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::537 Elektrizität, Elektronik
Subject(s): silicon solar cell
interdigitated back-contacts
liquid phase crystallization
light beam induced current
interdigitierende Rückkontakte
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