a-Si:H/c-Si heterojunction front- and back contacts for silicon solar cells with p-type base

Abstract

This thesis reports on low temperature amorphous silicon back and front contacts for high-efficiency crystalline silicon solar cells with a p-type base. The back contact uses a sequence of intrinsic amorphous (i-a-Si:H) and boron doped microcrystalline (p-μc-Si:H) silicon layers fabricated by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) and a magnetron sputtered ZnO:Al layer. The back contact is finished by evaporating Al onto the ZnO:Al and altogether prepared at a maximum temperature of 220 °C. Analysis of the electronic transport of mobile charge carriers at the back contact shows that the two high-efficiency requirements low back contact series resistance and high quality c-Si surface passivation are in strong contradiction to each other, thus difficult to achieve at the same time. The preparation of resistance- and effective lifetime samples allows one to investigate both requirements independently. Analysis of the majority charge carrier transport on complete Al/ZnO:Al/a-Si:H/c-Si back contact structures derives the resistive properties. Measurements of the effective minority carrier lifetime on a-Si:H coated wafers determines the back contact surface passivation quality. Both high-efficiency solar cell requirements together are analyzed in complete photovoltaic devices where the back contact series resistance mainly affects the fill factor and the back contact passivation quality mainly affects the open circuit voltage. The best cell equipped with a diffused emitter with random texture and a full-area a-Si:H/c-Si back contact has an independently confirmed efficiency η = 21.0 % with an open circuit voltage Voc = 681 mV and a fill factor FF = 78.7 % on an area of 1 cm². An alternative concept that uses a simplified a-Si:H layer sequence combined with Al-point contacts yields a confirmed efficiency η = 19.3 % with an open circuit voltage Voc = 655 mV and a fill factor FF = 79.5 % on an area of 2 cm². Analysis of the internal quantum efficiency shows that both types of back contacts lead to effective diffusion lengths in excess of 600 μm. An extended fill factor analysis shows that fill factor limitations for the full-area a-Si:H/c-Si contacts result from non-ideal diode behavior, ascribed to the injection dependence of the heterojunction interface recombination velocity. Analysis of the external quantum efficiency under back side illumination with different bias light intensities delivers the effective surface recombination Seff(Φ) in dependance of the illumination intensity Φ.

The front contact (emitter) uses a sequence of intrinsic and phosphorous doped amorphous silicon layers together with a ZnO:Al or a SnO2:In layer and an Al front contact grid. The emitter is prepared at a maximum temperature of 220 °C. Measurements of the minority carrier lifetime on symmetric i/n-a-Si:H coated wafers judge the emitter passivation quality. The best solar cells that use a thermal oxide back side passivation with Al-point contacts and flat a-Si:H emitters have open circuit voltages up to 683 mV and efficiencies up to 17.4 %. The efficiency of such devices is limited by a low short circuit current due to the flat front side. Using the same back contact structure with random pyramid textured wafer front sides and a-Si:H emitters yields open circuit voltages up to 660 mV and efficiencies up to 18.5 %, sofar limited by a relatively low fill factor FF ≤ 74.3 %. Analysis of the external quantum efficiency underlines the excellent surface passivation properties of the amorphous emitter.

Combining both, amorphous front- and back contacts yields p-type heterojunction solar cells completely fabricated at temperatures below 220 °C. The best devices reach an open circuit voltage Voc = 678 mV and an efficiency η = 18.1 % with random textured wafers, limited by low fill factors FF ∼ 75 %.

Besides the cell fabrication and characterization, this thesis reveals that the inherent a-Si:H/c-Si band offset distribution with a low conduction band offset and a large valence band offset is disadvantageous for p-c-Si heterojuntion solar cells if compared to their n-c-Si counterparts. A calculation of the saturation current densities of the cell's emitter, bulk and back contact demonstrates that the n-a-Si:H/p-c-Si emitter suffers from a low built-in potential. Modelling of the back contact based on the charge carrier transport equations shows that the insertion of an i-a-Si:H layer with a thickness d ≥ 3 nm (that is mandatory for a high surface passivation quality) leads to a series resistance that is critical for usage in a solar cell. The model mainly ascribes the high back contact resistance to the large valence band offset at the heterojunction.

Die vorliegende Arbeit untersucht Niedertemperatur Front- und Rückkontakte aus amorphem Silizium für Hocheffizienzsolarzellen auf p-Typ kristallinem Silizium Basismaterial. Als Rückkontakt findet eine Sequenz aus intrinsischen und Bor dotierten amorphen und mikrokristallinen Siliziumschichten hergestellt mittels Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) Anwendung. Die Fertigstellung des Kontakts erfolgt über die Kathodenzerstäubung einer hoch leitfähigen ZnO:Al Schicht und Aufdampfen von Aluminium. Der Kontakt ist insgesamt bei Temperaturen unter 220 °C hergestellt. Eine Analyse des elektrischen Transports freier Ladungsträger am Rückkontakt offenbart, dass die zwei Anforderungen für hohe Solarzelleneffizienz geringer Serienwiderstand und gute Oberflächenpassivierung in starkem Widerspruch zueinander stehen und daher nur schwierig gleichzeitig zu erreichen sind. Die Präparation von Widerstands- und Lebensdauerproben ermöglicht es, beide Anforderungen getrennt zu untersuchen. Der elektrischen Widerstand wird an kompletten Al/ZnO:Al/a-Si:H/c-Si Rückkontaktstrukturen untersucht. Die Passivierqualität des Rückkontakts wird bestimmt durch die Rekombination von Minoritätsladungsträgern an der a-Si:H/c-Si Grenzfläche und untersucht an Hand von Messungen der effektiven Lebensdauer an a-Si:H beschichteten Wafern. Beide Hocheffizienz-Anforderungen gemeinsam werden an kompletten Solarzellen analysiert, wobei der elektrische Widerstand des Rückkontakts vor allen Dingen den Füllfaktor bestimmt, während die Qualität der c-Si Oberfläche vor allem die Leerlaufspannung beeinflusst. Die beste Zelle ausgestattet mit einem diffundierten Hocheffizienzemitter, einer Pyramidentextur und einem ganzflächigen a-Si:H/c-Si Rückkontakt erreicht einen bestätigten Wirkungsgrad η = 21 % mit einer offenen Klemmspannung Voc = 681 mV und einem Füllfaktor FF = 78,7 % auf einer Fläche von 1 cm². Ein alternatives Rückkontaktkonzept mit einer vereinfachten a-Si:H Schichtsequenz in Kombination mit Aluminium Punktkontakten erreicht einen bestätigten Wirkungsgrad η = 19,3 % mit einer offenen Klemmspannung Voc = 655 mV und einem Füllfaktor FF = 79,5 % auf einer Fläche von 2 cm². Die Analyse der internen Quanteneffizienz zeigt, dass beide Rückkontaktstrukturen zu einer effektiven Diffusionslänge von mehr als 600 μm führen. Eine tiefgreifende Untersuchung der Solarzellenkennlinie deckt auf, dass die Limitierung des Füllfaktors bei ganzflächigen a-Si:H/c-Si Rückkontakten durch eine Nichtidealität der Diode, verursacht durch die Injektionsabhängigkeit der Grenzflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit, entsteht. Messungen der externen Quantenausbeute unter rückseitiger Beleuchtung mit variierenden Beleuchtungsstärken bestätigen diese Injektionsabhängigkeit.

Die Frontseite (Emitter) verwendet eine Sequenz von intrinsischem und Phosphor dotiertem amorphen Silizium zusammen mit einer ZnO:Al oder einer SnO2:In Schicht und einem Aluminium Kontaktgitter, ebenfalls komplett bei Temperaturen unter 220 °C hergestellt. Die Oberflächen-Passivierqualität des Emitters wird an Hand von symmetrischen i/n-a-Si:H beschichteten Wafern untersucht. Die besten Solarzellen, ausgerüstet mit einer thermischen Oxidpassivierung und Al Punktkontakten auf der Rückseite sowie untexturierten a-Si:H Emittern, erreichen eine Leerlaufspannung Voc = 683 mV und einen Wirkungsgrad FF = 17,4 %. Der Wirkungsgrad dieser Zellen ist begrenzt durch eine geringe Stromdichte bedingt durch die flache Frontseite. Derselbe Rückkontakt und ein a-Si:H Emitter mit Pyramidentextur erreicht eine offene Klemmspannung Voc = 660 mV und einen Wirkungsgrad η = 18,5 %, begrenzt durch einen niedrigen Füllfaktor FF = 75 %. Die Analyse der externen Quanteneffizienz (EQE) bestätigt die exzellente Oberflächenpassivierung des a-Si:H Emitters.

Die Kombination der a-Si:H Front- und Rückkontakte ermöglicht die Herstellung kompletter Heterostruktur-Niedertemperatursolarzellen auf p-Typ c-Si Basismaterial. Die besten Bauelemente erreichen eine offene Klemmspannung von Voc = 678 mV und einen Wirkungsgrad η = 18,1 % auf Wafern mit Pyramidentextur, begrenzt durch einen niedrigen Füllfaktor von FF ∼ 75 %.

Neben der Zellpräparation zeigt diese Dissertation inhärente Nachteile von Heterostruktur-Solarzellen auf kristallinem p-Typ- im Vergleich zu n-Typ Basismaterial auf. Die Berechnung der Sättigungsströme die in Emitter, Basis und Rückkontakt auftreten verdeutlicht, dass a-Si:H Emitter auf p-Typ c-Si unter einer geringeren eingebauten Spannung als ihre n-Typ c-Si Pendants leiden. Die Modellierung des Rückkontakts, basierend auf den Gleichungen des Ladungsträgertransportes, verdeutlicht, dass die für eine sehr gute Rückseitenpassivierung zwingend erforderliche i-a-Si:H Schicht mit einer Dicke von mehr als 3 nm zu einem Serienwiderstand führt, der bereits kritisch ist. Der Serienwiderstand ist dabei vor allem auf die Banddiskontinuität im Valenzband an der a-Si:H/p-c-Si Grenzfläche zurückzuführen.