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Interdigitated back-contact silicon heterojunction solar cells: development of patterning techniques and applications in tandem devices

Wagner, Philipp

In this thesis, interdigitated back-contacted silicon heterojunction (IBC SHJ) solar cells have been investigated. This technology enables record power conversion efficiencies (PCEs) of 26.7%, but suffers from increased fabrication complexity as photolithography is not feasible in the cost-driven photovoltaics (PV) industry. Two patterning techniques for fabricating IBC SHJ solar cells have been presented: a photolithography reference process, and a leaner shadow-mask process relying on in-situ patterning of doped a-Si:H layers during PECVD. The fill factor (FF) of IBC devices is partly limited due restricting the contact area to the rear side. Surface texturing enables an FF increase of 2–3%abs. However, during wet-chemical patterning of the p-contact, pyramidal facets and valleys can become potential centres for epitaxial growth. This is not an issue in the shadow-mask process where surface texturing has led to a maximum PCE of 20.5%, leaving a low open-circuit voltage (Voc, max. 672 mV) the remaining limitation. These recombination losses have been remedied by introducing a multilayer passivation with gradually increasing hydrogen content throughout the stack. Applying this multilayer passivation to the photolithography process has enhanced Vocs and FFs to up to 723 mV and 76.0% respectively. Best results, are obtained by optimising the thickness of a single a-Si:H(i) passivation layer, yielding a PCE of 22.9%, a Voc of 710 mV, an FF of 78.2%, and a series resistance (Rs) of 0.6 Ωcm² with the p-contact’s specific contact resistivity (ρc) accounting for 0.4 Ωcm². To tackle this issue, a diffused aluminium (Al) p-contact is investigated, which enables an at least halved ρc as compared to the standard ITO/Ag contact. The best device yields a PCE of 22.3% and a FF of 77.5% (Rs of 0.9 Ωcm²). No short-circuit current density (jsc) loss occurred. Equivalent electrical circuit simulations have been used to sufficiently describe the devices’ electrical behaviour upon contact formation. Furthermore, the first experimental realisation of a three-terminal perovskite/IBC SHJ tandem solar cell with an interdigitated back-contact (3T IBC) is presented. In the 3T concept both subcells feature a separate contact for one charge carrier species (e.g. holes) while the contact for the other species (e.g. electrons) is shared, thereby combining the advantages of the 2T and 4T tandem approaches (i.e. having a monolithic device and not requiring current matching). A combined PCE of 17.1% with both subcells operating at their respective MPP has been achieved in these proof-of-concept devices. The performance is as of yet mainly limited by a lack of decent light in-coupling, parasitic absorption, and a subcell size mismatch, which leads to partially shading of the bottom cell’s p-contact and thereby to additional recombination and FF losses. Using equivalent electrical circuit simulations, the resistivity of the shared electron contact (Rs,shared) has been found to cause a slight mutual dependence of both subcells that affects mainly one subcell’s Voc with respect to the other cell’s operating point. Both subcells become independent of each other if Rs,shared is set to zero. Combining equivalent electrical circuit simulations with a semi-empirical model, a practical efficiency limit under varying spectral illumination conditions of 30.4% under AM1.5g standard spectrum has been estimated for optimised 3T IBC tandem solar cells.
In dieser Thesis wurden Silizium-Heteroekontaktsolarzellen mit interdigierenden Kontakten (IBC-SHJ) untersucht. Diese Technologie ermöglicht Spitzenwirkungsgrade (PCE) von 26,7 %, allerdings ist die Verwendung von Photolithographie nicht kompatibel mit der stark kostengetriebenen Photovoltaikindustrie. Zwei Strukturierungsverfahren werden innerhalb dieser Arbeit untersucht: Ein Photolithographie-Referenzprozess und ein Schattenmasken-prozess, der auf in-situ-Strukturierung der dotierten a-Si-Schichten beruht. Der Füllfaktor (FF) von IBC-SHJ-Solarzellen ist teilweise durch die Beschränkung der Kontaktfläche auf die Waferrückseite limitiert. Durch Verwendung von texturierten Oberflächen konnte der FF um 2–3 %abs gesteigert werden. Allerdings führte die nass-chemische Strukturierung des p-Kontakts zur Veränderung der Pyramidenstrukturen, was zu epitaktischen Wachstums führen kann. Dies ist allerdings kein Problem im Schattenmasken-prozess, wo rückseitige Texturierterung zu einem PCE von 20,5 % führte, hauptsächlich limitiert durch eine geringe Leerlaufspannung (Voc max. 672 mV). Diese Rekombinations-verluste konnten durch die Einführung einer Multilayerpassivierung mit schrittweise ansteigendem Wasserstoffgehalt behoben werden. Im Photolithographieprozess führte die Verwendung des Multilayeransatzes zu einer Voc von 723 mV und eines FF von 76.0 %. Beste Ergebnisse wurden durch die Optimierung der Passivierungsschicht (im Singlelayeransatz) erreicht: ein PCE von 22,9%, eine Voc von 710 mV, ein FF von 78,2% und ein Serien-widerstand von 0.6 Ωcm², wozu der spezifische Kontaktwiderstand (ρc) des p-Kontakts mit 0,4 Ωcm² beiträgt. Um diesem Problem zu begegnen, wurde ein diffundierter Aluminium-basierter (Al) p-Kontakt entwickelt, welcher einen (im Vergleich zum Standard-ITO/Ag-Kontakt) halbierten ρc ermöglicht. Die besten Zellen weisen einen PCE von 22,3 % und einen FF von 77,5 % (Rs von 0,9 Ωcm²) auf. Die Kurzschlussstromdichte (jsc) verringerte sich nicht durch die Verwendung von Al. Mittels Ersatzschaltbildsimulationen konnte das elektrische Verhalten der Al-Solarzellen während Kontaktbildung qualitativ gut beschrieben werden. Des Weiteren wurde die erste experimentelle Realisation von Drei-Terminal-Tandem-solarzellen mit Perowskit- und IBC-SHJ-Subzellen (3T-IBC) präsentiert. Im 3T-Konzepts besitzen beide Subzellen einen eigenen Lochkontakt und teilen einen gemeinsamen Elektronenkontakt (oder umgekehrt), wodurch die Vorteile der 2T- und 4T-Tandem-verschaltung (eine monolithische Bauweise mit elektrisch entkoppelten Subzellen) kombiniert werden. Ein PCE von 17,1 % wurde erreicht, wenn beide Subzellen an ihrem jeweiligen MPP arbeiten. Die Leistungsfähigkeit dieser Proof-of-Concept-Solarzellen ist noch durch nicht optimale Lichteinkopplung, parasitäre Absorption und durch ungleiche Subzellflächen limitiert, was zu einer teilweisen Verschattung des p-Kontakts der Bottomzelle und damit zu zusätzlichen Rekombinations- und FF-Verlusten führt. Mittels Ersatzschaltbildsimulationen wurde festgestellt, dass der Widerstand des geteilten Elektronenkontakts (Rs,shared) die Ursache für eine leichte gegenseitige Beeinflussung der Subzellen ist, wobei vor allem die Voc einer Subzelle in Abhängigkeit des Arbeitspunkts der anderen Zelle betroffen ist. Beide Subzellen werden elektrisch unabhängig voneinander, wenn Rs,shared Null wird. Durch Kombination von Ersatzschaltbildsimulationen und eines semi-empirischen Modells konnte ein praktisches PCE-Limit von 30.4 % für optimierte 3T-IBC-Tandemsolarzellen unter dem AM1.5g-Standardspektrum gefunden werden.