Amorphous silicon based solar cells

Abstract

This thesis focuses on the deposition of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) films bymeans of plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD). This technique allows the growth of device quality a-Si:H at relatively low deposition temperatures, below 140 °C and, therefore, enables the use of low-cost substrates, e.g. plastic foils. The maximum efficiencies of a-Si:H solar cells in this work are η= 6.8 % at a deposition temperature Tdep = 180 °C and η = 4.9 % at a deposition temperature Tdep = 135 °C. Decreasing the deposition temperature deteriorates the structural and electronic quality of a-Si:H films. Therefore, the deposition conditions are carefully optimized at low temperatures. The mismatch in the mechanical properties of the plastic foils and the inorganic semiconductor layers have less effect on the a-Si:H films at low deposition temperatures. As a result, the deposition temperatures should be decreased to minimize mechanical deterioration of the films but without losing too much of the electronic properties of the films. A novel analytical description of the current density/voltage (J/V) characteristics of p-i-n solar cells well represents experimental J/V curves of a-Si:H solar cells. The extended model solves the continuity and transport equations for electrons and holes, and fully accounts for the contributions of the drift and the diffusion currents. Many analytical models neglect the contribution of the diffusion current in describing the a-Si:H solar cells. Other existing models assume the diffusion lengths of electrons and holes to be equal, resulting in a symmetric distribution of carrier concentrations around the center of the intrinsic layer of the p-i-n solar cells. Both restrictions strongly limit the ability of these analytical models to accurately reproduce the J/V-characteristics of real solar cells. In contrast to existing analytical models, the new analytical description solves the continuity and transport equations of carriers at each location within the i-layer for the whole range of applied voltages. The peculiar extension of this model over previous ones enables a more realistic description of solar cells. My novel analytical model implements i) different values of the diffusion lengths, or mobility-lifetime products, of electrons and holes, and ii) realistic wavelength and depth dependencies of the photogeneration rate of charge carriers. The results of the model demonstrate that the location of the main recombination path of the photogenerated carriers inside the i-layer is voltage dependent, rather than being fixed at the middle of the i-layer as existing models assume. For a realistic description of the solar cell optics in calculating the J/V-characteristics, I fully account for the reflection of photons at the back contact. The model proves that the performance of a-Si:H solar cells which are illuminated through the p-layer is better than the one of cells illuminated through the n-layer. Testing corresponding J/V-characteristics from this model against experimental data of bifacial a-Si:H solar cells with transparent front and backside contacts, reveals that this extended analytical model well describes the output characteristics of real a-Si:H p-i-n solar cells. The model proves that the current collection of bifacial p-i-n solar cells is larger if the light enters through the p-layer because the mobility μn of electrons is larger than the mobility μp of holes. This thesis also investigates the dependence of the electrical and optical properties of a-Si:H films on the deposition conditions, and how those properties are enhanced by optimizing the deposition conditions. I apply the optimized layers to solar cells deposited on glass and on polyethylene terephtalate (PET) substrates. The incorporation of a buffer layer or a microcrystalline layer enhances the performance of the cells.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Herstellung von Solarzellen aus wasserstoffhaltigem amorphen Silizium (a-Si:H) durch Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) bei Temperaturen unter 140 °C. Eine niedrige Herstellungstemperatur ermöglicht die Verwendung flexibler Kunststofffolien als Substrat, verschlechtert aber die elektronischen Eigenschaften der a-Si:H Schichten und Solarzellen. Daher müssen die Abscheideparameter bei niedrigen Temperaturen besonders sorgfältig optimiert werden. Bei niedrigen Herstellungstemperaturen wirken sich die Unterschiede zwischen den mechanischen Eigenschaften der Kunststoffsubstrate und denjenigen der anorganischen Halbleiterschichten weniger stark aus als bei hohen Substrattemperaturen. Insgesamt sucht die vorliegende Arbeit, einen Kompromiss zwischen der Absenkung der Abscheidetemperatur und der elektronischen Qualität der Schichten und Solarzellen zu erreichen. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit stellt in Kapitel 3.1 eine neue analytische Beschreibung der Strom/Spannungs-Kennlinie von a-Si:H p-i-n Solarzellen vor. Dieses erstmals veröffentlichte Modell löst die Kontinuitäts- und Transportgleichungen für Elektronen und Löcher und berücksichtigt Feld- und Diffusionströme. Bisher bekannte analytische Modelle für p-i-n Solarzellen vernachlässigen den Beitrag der Diffusionströme, oder sie gehen von der Annahme aus, dass die Diffusionslängen von Elektronen und Löchern gleich sind, was zu einer symmetrischen Verteilung der Ladungsträgerkonzentrationen um die geometrische Mitte der intrinsischen Absorberschicht der p-i-n Dioden führt. Beide Einschränkungen beschreiben die Situation in p-i-nStrukturen, beispielsweise aus a-Si:H, nur unzureichend und grenzen daher die Fähigkeit der vorhandenen analytischen Modelle stark ein, J/V Kennlinien realer Solarzellen genau zu reproduzieren oder vorher zu sagen. Die wesentliche Erweiterung gegenüber den existierenden analytischen Modellen besteht darin, die Kontinuitäts- und Transportgleichungen der Träger für jeden Ort innerhalb der i- Schicht über den gesamten Bereich der angelegten Spannungen zu lösen. Diese Erweiterung ermöglicht eine realistische Beschreibung tatsächlicher Solarzellen, wie die Vergleiche mit experimentellen Daten in den Kapite-ln 3.1.3 belegen. Realistische Annahmen zur Anwendung der analytischen Modellierung berücksichtigen zum einen unterschiedliche Werte der Diffusionslängen von Elektronen und Löchern, und zum anderen die Energie- und Ortsabhängigkeit der Photogenerationsrate innerhalb der i- Schicht entlang der Einstrahlungsrichtung des einfallenden Lichtes. Die Ergebnisse der erweiterten analytischen Beschreibung demonstrieren, dass der Ort maximaler Ladungsträgerrekombination innerhalb der i- Schicht spannungsabhängig ist, anstatt einer Fixierung in der Mitte der i- Schicht wie in bisherigen Modellen. Um die optischen Eigenschaften der p-i-n Solarzellen aus a-Si:H realistisch zu beschreiben, berücksichtigt das neue Modell auch den Beitrag der Reflexion niederenergetischer Photonen am rückseitigen Kontakt. Die Modellierung bestätigt, dass die Leistung von amorphen Solarzellen, die durch die p-Schicht beleuchtet werden, besser ist als diejenige von Zellen, die durch die n-Schicht beleuchtet werden. Entsprechend modellierte J/V Kennlinien stimmen gut mit experimentellen Daten von a-Si:H Solarzellen mit durchsichtigem Front- und Rückkontakt überein. Der experimentelle Teil der Arbeit untersucht die Abhängigkeit der elektronischen und optischen Eigenschften von a-Si:H Filmen von den Abscheidebedingungen, und optimiert die Eigenschaften durch die Variation der Abscheideparameter. Die optimierten Schichten kommen in Solarzellen auf Glas sowie auf Polymerfolien aus Polyethylenterephtalat (PET) und Polyethylennaphtalene (PEN) zum Einsatz. Die Leistung der a-Si:H Solarzellen verbessert sich durch Einfügen einer Pufferschicht oder einer mikrokristallinen Dotierschicht und erreicht einen maximalen Wirkungsgrad η = 6.8 % bei einer Abscheidetemperatur Tdep = 180 °C und η = 5.9 % bei einer Abscheidetemperatur Tdep = 135 °C. Bei der übertragung von Abscheideparametern, die bei niedriger Temperatur auf starren Glassubstraten optimiert wurden, auf flexible Foliensubstrate müssen die Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften der anorganischen Halbleiterfilme und der Polymerfolien berücksichtigt und untersucht werden. Die Wechselwirkung zwischen den amorphen Filmen und den flexiblen Folien erzeugt mechanische Spannungen und ein Aufrollen der Substraten. Je höher die Fehlanpassung zwischen den abgeschiedenen Filmen und dem Substrat ist, desto stärker rollt sich die flexible Solarzelle ein. Um dieses Aufrollen zu quantifizieren und zu reduzieren, variiert die Arbeit das Verhältnis der Dicken der abgeschiedenen a-Si:H Filme und der Substratfolien.