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Laser processes for silicon solar cells
as investigated on polycrystalline silicon on glass
Garud, Siddhartha
Solar cells made from thin layers of polycrystalline silicon (14−15 μm) are the core technology for the work in this thesis. They are made by the deposition of amorphous/nanocrystalline silicon on glass up to a desired thickness (5−40 μm), and crystallization with a line-shaped laser source (referred to as Liquid-phase-crystallized silicon or LPC-Si). Such a bottom-up approach does not incur the same losses as the current, industrial top-down approaches of slicing high quality silicon into thin wafers from ingots at a material loss of approximately 40%. This thesis aims to address the following three research questions regarding the power conversion efficiency of such devices:
1. Can charge collection be improved under the electron contact region while simultaneously achieving a low resistance contact?
2. Can the voltage output of such a solar cell be further improved by better passivation of the contacting side?
3. Can such a solar cell be monolithically integrated with a higher bandgap top cell for a higher over-all power conversion efficiency?
Lasers as highly focused sources of energy were found to be key tools to address these research questions. The solar cell architecture used consists of heterojunction interfaces based on amorphous silicon and interdigitated contacts of both polarities on a single side (HJ-IBC).
Chapter 4 addresses the first research question with the implementation of a-Si:H(i) at the electron contact and a laser firing technique to lower contact resistance in localized spots while preserving a-Si:H(i) passivation in unfired regions. After the laser firing, open-circuit voltage (VOC) was retained, while up to 14% absolute increase in fill-factor (FF) was obtained with 0.2−0.9mA/cm2 loss in short-circuit current density (JSC). An approach was thus established for a controllable trade-off between JSC and FF.
Chapter 5 addresses the second research question by improving the heterojunction contact interfaces. Experimentation at the electron contact was enabled by the developments of chapter 4. JSC was observed to be up to 33.1mA/cm2, surpassing all previously reported values for this technology. VOC of up to 658mV also exceeded every previous value published at a low bulk doping concentration (1 × 1016/cm3). Laser firing developed in chapter 4 reduced JSC by 0.6mA/cm2 on average but improved FF by 22.5% absolute on average, without any significant effect on VOC. Collectively, these efforts helped achieve a new in-house record efficiency for LPC-Si of 15.1% and show potential to reach 16% efficiency in the near future with optimization of series resistance. Suns-VOC measurement of the best cell showed a ’pseudo-efficiency’ of 16.8%, i.e. efficiency if series resistance can be reduced to effectively zero.
In Chapter 6, high resolution, light beam induced current measurements (LBIC) were used to analyse the approaches developed in chapters 4 and 5. Charge collection was observed to have increased from 0.13mA/cm2 to 1.2mA/cm2 under the electron contact which is a ninefold increase. Using 520nm, 642nm, 932nm and 1067nm wavelengths of incident light, external quantum efficiency was mapped in defect regions and laser fired spots. Reduction of charge collection in the laser-fired spots was limited to diameters of 20−50 μm, depending on whether optical losses or electrical recombination dominated. Effective minority carrier diffusion length under the majority carrier contacts was obtained from LBIC measurements across contact fingers. It was observed to have improved from 20.5 μm without a-Si:H(i) to 30.5−44.4 μm in the cell with the highest JSC and up to 89.0 μm in the best case.
Chapter 7 details a novel technique developed in this thesis to spatially map the impact of the developments of chapters 4 and 5 with micrometer resolution using LBIC. The implemented circuit model is simple and can be adapted to other solar cell architectures and materials. Each pixel is treated as an independent one-diode model, surrounded by other one-diode models representing the remaining (dark) cell. With this circuit model, full cell maps of the following parameters were obtained: dark saturation current density, ideality factor, effective series resistance, shunt resistance, VOC, JSC, maximum power points and efficiency. Recombination losses due to grain boundaries, shunts and other defects were quantified. It was also concluded that the laser firing described in chapter 4 does not lower the over-all VOC of a cell because it is primarily limited by grain boundaries present in the cell.
Chapter 8 addresses the third and final research question using high bandgap (>1.6 eV) perovskite top cells. A potential efficiency of 24% was estimated for a 4-terminal configuration with a suitable optical filter and the state-of-the-art cells of chapter 5. A 2-terminal configuration was created by successfully inserting a refractory metal (molybdenum) between glass and the SiOx/SiNx/SiOxNy passivation layers before laser-crystallization of silicon. A Mo-Si back contact was created by laser firing the metal through the transparent glass in localized spots while preserving surface passivation in other areas. A 2-terminal tandem solar cell was demonstrated with a VOC of 1.6V and FF of 80% but an efficiency of 8.4% due to limited reflection from molybdenum.
Chapter 9 summarizes all identified limitations of the presented solar cell architectures and future steps to resolve them.
Solarzellen aus dünnen Schichten polykristallinen Siliziums (14−15 μm) bilden die zentrale Technologie dieser Doktorarbeit. Hergestellt werden sie durch die Abscheidung von amorphen oder nanokristallinen Siliziumschichten auf Glassubstraten bis zur gewünschten Dicke (5−40 μm) und der darauf folgenden Kristallisation mittels einer linienförmigen Laserquelle. Da hierbei die Siliziumschicht geschmolzen wird, nennt man diese Technologie flüssigphasenkristallisiertes Silizium oder LPC-Silizium. Ein solcher Bottom-Up-Ansatz verursacht nicht die gleichen Verluste wie die derzeit verwendeten industriellen Top-Down-Ansätze, bei denen mit einem Materialverlust von ungefähr 40% hochwertiges Silizium aus Blöcken in dünneWafer geschnitten wird. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, die folgenden drei Forschungsfragen bezüglich der Effizienz solcher Solarzellen bei der Energieumwandlung zu beantworten:
1. Kann die Sammlung der Ladungsträger im Elektronenkontaktbereich verbessert werden, während gleichzeitig ein geringer Kontaktwiderstand erreicht wird?
2. Kann die Ausgangsspannung einer solchen Solarzelle durch eine bessere Passivierung der Kontaktseite weiter optimiert werden?
3. Kann eine solche Solarzelle zusammen mit einer oberen Zelle mit größerer Bandlücke monolithisch in eine Tandemsolarzelle integriert werden, um einen höheren Gesamtwirkungsgrad zu erzielen?
Als zentrale Instrumente zur Beantwortung dieser Forschungsfragen erwiesen sich Laser, also stark gebündelte Energiequellen. Die verwendete Solarzellenarchitektur besteht aus Heteroübergängen auf der Basis von amorphem Silizium und interdigitierten Kontakten beider Polaritäten auf einer Seite (HJ-IBC).
Kapitel 4 befasst sich mit der ersten Forschungsfrage, und zwar durch die Implementierung von a-Si:H(i) am Elektronenkontakt und durch eine Laserfeuerungstechnik zur Verringerung des Kontaktwiderstands an lokal begrenzten Stellen unter Beibehaltung der Passivierung von a-Si:H(i) in nicht befeuerten Regionen. Nach der Laserfeuerung wurde die Leerlaufspannung (VOC) erhalten, während ein absoluter Anstieg des Füllfaktors (FF) um bis zu 14% erzielt wurde. Dabei betrug der Verlust der Kurzschlussstromdichte (JSC) zwischen 0,2mA/cm2 und 0,9mA/cm2. Somit wurde eine Herangehensweise mit einem Kompromiss zwischen JSC und FF festgelegt.
Kapitel 5 adressiert die zweite Forschungsfrage durch eine Verbesserung der Heterokontakte. Das Experimentieren am Elektronenkontakt wurde durch die Entwicklungen in Kapitel 4 ermöglicht. Der JSC betrug bis zu 33,1mA/cm2 und übertraf damit alle zuvor für diese Technologie angegebenen Werte. Die VOC von bis zu 658mV übertraf ebenfalls jeden vorher publizierten Wert mit einer niedrigen Dotierungskonzentration (1 × 1016/cm3). Die in Kapitel 4 entwickelte Laserfeuerungstechnik reduzierte den JSC um durchschnittlich 0,6mA/cm2, verbesserte den FF aber um durchschnittlich 22,5% absolut, ohne signifikante Auswirkungen auf die VOC zu haben. Durch diese verschiedenen Aktionen gelang es, eine neue interne Rekordeffizienz für LPC-Si in Höhe von 15,1% zu erreichen. Eine Effizienz von 16% in naher Zukunft scheint möglich, wenn die Serienwiderstandsverluste minimiert werden. Eine Suns-VOCMessung der besten Zelle zeigte eine “Pseudoeffizienz” von 16,8%; das entspricht der Effizienz, wenn der Serienwiderstand quasi auf Null reduziert werden kann.
Für Kapitel 6 wurden hochauflösende, lichtstrahlinduzierte Strommessungen (LBIC) verwendet, um die in Kapitel4 und 5 entwickelten Ansätze zu analysieren. Es wurde beobachtet, dass die Sammlung der Ladung unter dem Elektronenkontakt von 0,13mA/cm2 auf 1,2mA/cm2 anstieg, was einer neunfachen Zunahme entspricht. Unter Verwendung der Wellenlängen 520nm, 642nm, 932nm und 1067nm wurde die externe Quanteneffizienz in Defektbereichen und lasergefeuerten Punkten abgebildet. Die Reduzierung der Ladungssammlung in den laserbefeuerten Punkten war auf Durchmesser von 20−50 μm begrenzt – je nachdem, ob optische Verluste oder elektrische Rekombination dominierten. Eine effektive Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger unter den Kontakten der Majoritätsladungsträger wurde aus LBIC-Messungen über alle Kontakte hinweg erhalten. Sie hatte sich von 20,5 μm ohne a-Si:H(i) auf 30,5−44,4 μm in der Zelle mit dem höchsten JSC und im besten Fall sogar auf 89,0 μm verbessert.
Kapitel 7 beschreibt eine neuartige Technik, die für diese Doktorarbeit erarbeitet wurde, um die Entwicklungen von Kapitel 4 und 5 mit Hilfe von LBIC im Mikrometerbereich räumlich aufgelöst abzubilden. Das verwendete Schaltkreismodell ist simpel und kann an andere Solarzellenarchitekturen und -materialien angepasst werden. Jedes Pixel wird als unabhängiges Ein-Dioden-Modell behandelt, das von anderen Ein-Dioden-Modellen umgeben ist, die die restliche (dunkle) Zelle darstellen. Mit diesem Schaltkreismodell wurde die gesamte Zellfläche gescannt und folgende Parameter extrahiert: Sperrsättigungsstromdichte (J0), Idealitätsfaktor, effektiver Serienwiderstand, Parallelwiderstand, VOC, JSC, Punkte maximaler Leistung und Effizienz. Rekombinationsverluste aufgrund von Korngrenzen, geringem Parallelwiderstand und anderen Defekten wurden quantifiziert. Auch enthält das Kapitel die Schlussfolgerung, dass die Laserfeuerung aus Kapitel 4 die Gesamt-VOC einer Zelle nicht senkt, da diese hauptsächlich durch die in der Zelle vorhandenen Korngrenzen limitiert ist.
Kapitel 8 befasst sich mit der dritten und letzten Forschungsfrage, wobei Perowskit- Topzellen mit hoher Bandlücke (>1,6 eV) verwendet werden. Der Wirkungsgrad könnte bei einer Konfiguration mit vier Anschlüssen mit einem geeigneten optischen Filter und den hochmodernen Zellen aus Kapitel 5 schätzungsweise 24% betragen. Eine Konfiguration mit zwei Anschlüssen wurde erzeugt, und zwar durch das erfolgreiche Einfügen eines Refraktärmetalls (Molybdän) zwischen Glassubstrat und den SiOx/SiNx/SiOxNy-Passivierungsschichten, ehe es zur Kristallisierung von Silizium per Laser kam. Das Metall wurde durch das transparente Glassubstrat an lokal begrenzten Stellen per Laser befeuert, wodurch – unter Beibehaltung der Oberflächenpassivierung in den anderen Bereichen – ein Mo-Si-Rückkontakt hergestellt wurde. Eine Tandem-Solarzelle mit zwei Anschlüssen erreichte eine VOC von 1,6V und einen FF von 80%, aber nur einen Wirkungsgrad von 8,4% aufgrund begrenzter Reflexion von Molybdän.
Kapitel 9 fasst alle identifizierten Einschränkungen der vorgestellten Solarzellenarchitekturen und zukünftige Schritte zu ihrer Behebung zusammen.
