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Optical modeling of thin film silicon solar cells with random and periodic light management textures
Lockau, Daniel
Die Entwicklung effizienter Licht-Management-Konzepte ist eine Voraussetzung für den weiteren Erfolg der Dünnschicht-Silizium-Photovoltaik. Diese Dissertation präsentiert optische Simulationen von Dünnschicht Silizium-Solarzellen mit statistischen und periodischen absorptionsverstärkenden Texturen. Für die Simulation von statistisch texturierten Solarzellen wird zunächst eine Synthetisierungsmethode für raue Oberflächen charakterisiert und als zur Generierung der Morphologie von kommerziell erhältlichen Fluor-dotierten Zinn-Oxid Oberflächen geeignet befunden. Die ausgedehnten rauen Grenzflächen in den Bauelementen werden durch Monte Carlo Sampling kleiner Rechengebiete simuliert. Modellfehler verbleiben durch die kleine Gebietsgröße und die Wahl der Randbedingungen an den seitlichen Oberflächen. Eine Analyse dieser Fehler ergibt, dass relativ kleine Rechengebiete zur Modellierung von ausgedehnten rauen Grenzflächen in Dünnschicht Silizium-Solarzellen ausreichend sind. Die simulierte Quanteneffizienz von Zellen mit 2D rauen Grenzflächen und 1D Schnitten von rauen Grenzflächen werden verglichen. Abschließend wird ein oft eingesetzter halb-empirischer statistischer ray tracing Algorithmus für ein Test-Schichtsystem mit der rigorosen Simulation verglichen. Für das Design von absorptionsverstärkenden Texturen für polykristalline Silizium-Zellen müssen die Wachstumseigenschaften der Kristalle stark berücksichtigt werden. Es werden Simulationen einer periodischen absorptionsverstärkenden Textur präsentiert, die in starker Verbindung mit der experimentellen Entwicklung durchgeführt wurden. Ein präzises geometrisches Modell wird auf der Basis von Querschnittsbildern einer experimentellen 3D-Struktur erstellt. Ein Vergleich von Absorptanz-Messungen mit der simulierten Absorptanz des Modells ergibt eine sehr gute quantitative Übereinstimmung. Das erstellte Modell wird in eine vollständige Solarzellstruktur eingebaut und durch Skalierung sowie Variation des Rückreflektors weiter untersucht. Erhöhte Absorptionsverstärkungsfaktoren, die allerdings wegen parasitärer Absorption in dem untersuchten realistischen System unterhalb des statistischen Grenzwerts der geometrischen Optik für uniforme Schichten liegen, treten bei bestimmten Texturperioden auf. Die Resultate der Skalierungsreihe unterstreichen die Bedeutung einer Silizium-Schichtdicke von zumindest mehreren Mikrometern zum Erreichen einer hohen Quanteneffizienz nahe der Bandkante. Eine deutliche Verbesserung der Quanteneffizienz wird für die untersuchte Struktur durch den Einsatz eines abgetrennten, flachen Rückreflektors erreicht. Die resultierenden simulierten Zellen besitzen in diesem Fall eine mit einem Einfachdurchgang durch mehr als 37 µm Silizium vergleichbare Absorptanz. Ein weiteres Anwendungsfeld der für Solarzellen entwickelten Herstellungsmethode für periodische Texturen sind planare photonische Kristalle. In einem ersten Test werden spekulare Reflektivitätsmessungen an den texturierten und mit Silizium beschichteten Substraten mit simulierten Bandstrukturen verglichen.
Better light trapping concepts are a prerequisite for the success of silicon thin film photovoltaics. This thesis presents optical simulations of silicon thin film solar cells with statistical and periodic absorption enhancing textures. For simulation of statistically textured solar cells a rough surface synthesization method is characterized and found applicable for generation of the morphology of commercial fluorine doped tin oxide surfaces. The extended rough interface scatterer is modeled by a Monte Carlo sampling of small interface representations. Model errors are induced by the small lateral computational domain extent and the choice of lateral boundary conditions. A quantification of these errors yields that a sampling of relatively small domain widths is sufficient for modeling extended rough surfaces in silicon thin film devices. Cell efficiencies resulting from the simulation of 2D rough surfaces and 1D surface cuts are compared. Finally, a commonly employed statistical ray tracing algorithm is evaluated against rigorous simulation for a test case. For light trapping texture design of polycrystalline thin film devices, the crystal growth characteristics need to be strongly considered. Simulations of a periodic light trapping texture are done in close connection to experimental development. A precise geometrical model is first reconstructed from cross–sectional images of the experimental structure. A comparison of optical absorptance measurements with the simulated absorptance of the model yields a very good quantitative agreement. The obtained model is completed to a full solar cell and further analyzed by scaling and by back reflector variation. Elevated light path improvement factors, however still below the statistical limit due to the parasitic absorption included in the simulated model, are found for specific texture periods. The results from the scaling analysis highlight the importance of achieving a few micrometers layer thickness of the deposited silicon to be able to attain high quantum efficiencies in solar cells. A considerable enhancement is reached by employing a detached flat back reflector with the studied silicon structures. The resulting simulated cells have a single–pass comparable absorptance of more than 37 µm of silicon. A different field of research, for which the periodic patterning and polycrystalline silicon growth methods - developed for microstructuring solar cell absorbers - might be applicable, is planar photonic crystal structures. In a first test, the general quality of a patterned and silicon coated substrate is assessed by a comparison of specular reflectivity measurements to simulated band structures. Good agreement is found between experiment and simulation.
