Microcrystalline Silicon Carbide for Silicon Heterojunction Solar Cells

Pomaska, Manuel Bernhard; Rau, Uwe; Matsumura, Hideki

doi:36697

Microcrystalline Silicon Carbide for Silicon Heterojunction Solar Cells = Mikrokristalines Siliziumkarbid für Silizium-Heterostruktur-Solarzellen

Pomaska, Manuel Bernhard^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Manuel Bernhard Pomaska

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich 2017

Umfang1 Online-Ressource (150 Seiten) : Illustrationen

ISBN978-3-95806-267-2

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/Energy & Environment ; 392

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Druckausgabe: 2017. - Onlineausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor) ; Matsumura, Hideki (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-09-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-09857
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/709312/files/709312.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
catalytic chemical vapor deposition (frei) ; contamination (frei) ; doping (frei) ; hot wire chemical varpor deposition (frei) ; hwcvd, cat-cvd (frei) ; impurity (frei) ; interdigitated backside contacted (frei) ; microstructure (frei) ; nitrogen (frei) ; oxygen (frei) ; passivated contact (frei) ; pecvd (frei) ; selective contact (frei) ; thermopower (frei) ; topcon (frei) ; transparent (frei) ; tunnel oxide (frei) ; two side contacted (frei) ; wet-chemical (frei) ; window layer (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
N-Typ mikrokristallines Siliziumkarbid (µc-SiC:H(n)) ist ein vielversprechendes Material um es als dotierte Schicht auf der beleuchteten Seite von Solarzellen mit Silizium-Heteroübergang (SHJ) zu verwenden. Es bietet eine Kombination aus breiter Bandlücke für eine hohe optische Transparenz und passendem Brechungsindexfür eine geringe Reflektion. Darüber hinaus können beide optischen Eigenschaften bei einer ausreichend hohen elektrischen Leitfähigkeit verwendet werden, so dass Verluste durch elektrische Widerstände vermieden werden. Jedoch müssen zwei Herausforderungen überwunden werden, damit µc-SiC:H(n) erfolgreich in SHJ-Solarzelleneingesetzt werden kann. Einerseits litten die optoelektrischen Eigenschaften der Siliziumkarbidschichten in der Vergangenheit unter Reproduzierbarkeitsschwierigkeiten. Deshalb war es nötig das Wissen um die Zusammenhänge zwischen Mikrostruktur, elektrischen Leitfähigkeit und optischer Transparenz zu vertiefen. Andererseitswar unklar, ob die notwendigen Abscheidebedingungen für das hoch qualitative µc-SiC:H(n) kompatibel mit dem Erhalt einer hohen Passivierqualität der Siliziumwaferoberflächen sind. Eine hohe Wasserstoffverdünnung während des Schichtwachstums ist nötig um die vielversprechenden optoelektrischen Eigenschaften anbietenzu können, aber zugleich erleiden konventionelle Passivierschichten aus intrinsischem amorphen Silizium starke Beschädigungen durch Wasserstoffätzungen. Eine systematische Anpassung der Wachstumsbedingungen von µc-SiC:H(n) und die Entwicklung einer geeigneten Passivierschicht fehlten bislang.Die Materialeigenschaften und Prozessparameter der µc-SiC:H(n)-Schichten wurden detailliert in dieser Doktorarbeit erforscht. Die µc-SiC:H(n)-Schichten wurden mittels hot wire chemical vapor deposition (HWCVD) und auch mittels plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) gewachsen. Die Zusammenhänge zwischen kristalliner Korngröße im µc-SiC:H(n) und der Depositionsrate, der elektrischen Leitfähigkeit, dem Wasserstoffgehalt, dem Kohlenstoffanteil sowie dem optischen Absorptionskoefizienten wurden untersucht. Der Einfluss von Sauerstoff-und Stickstoffdotierung auf die optischen und elektrischen Eigenschaften wurden getrennt untersucht. Insbesondere deren Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit, die Ladungsträgerdichte, die Ladungsträgermobilität, Wasserstoffgehalt und optischer Absorptionskoefizient wurden tiefer studiert. Die neuen Erkenntnisse über den Effektder Korngröße, Sauerstoff- und Stickstoffdotierung wurden verwendet um ein Model über den elektrischen Transport in µc-SiC:H(n) aufzustellen. Basierend auf dem tieferen Verständnis der Materialeigenschaften des HWCVD und PECVD gewachsenen µc-SiC:H(n) konnte die elektrische Leitfähigkeit auf 10 S/cm verbessertwerden. Dies ist der höchste Leitfähigkeitswert, der je für dieses Material veröffentlicht wurde. Des Weiteren wurde die optische Transparenz des µc-SiC:H(n) erhöht, während eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit beibehalten werden konnte. Wenn also µc-SiC:H(n) als dotierte Schicht auf der beleuchteten Seite von SHJSolarzellen verwendet wird, kann die Generierungsrate der Photo-Ladungsträger gesteigertwerden.Der Schwerpunkt in dieser Doktorarbeit lag auf dem Einsatz eines hochtransparenten µc-SiC:H(n), ohne die Passivierschicht in der SHJ-Solarzelle zu beschädigen. In einem ersten Konzept wurden die Siliziumwaferoberflächen von einem mittels PECVD gewachsenen intrinsischen amorphen Siliziumoxid (a-SiOx:H(i)) passiviert, welches durch ein n-dotiertes mikrokristallines Siliziumoxid (µc-SiOx:H(n)) gegen Wasserstoffätzen während des HWCVD-Wachstums des µc-SiC:H(n) geschützt wird. Jedoch haben die HWCVD-Wachstumsbedingungen für das µc-SiC:H(n) trotzdem einen groÿen Eifluss auf die finale Passivierqualität der Waferoberfläche, da diese durch Eindiffusion von Wasserstoffatomen aus der Gasphase beschädigt werden kann. Zudem müssen der kristalline Volumenanteil sowie der Sauerstoffanteil in der µc-SiOx:H(n) Schutzschicht an die HWCVD-Wachstumsbedingungen für das µc-SiC:H(n) angepasst werden. Ein maximaler Wirkungsgrad des aktiven Bereichs von 18.9 % wurde erreicht, wobei die offene Klemmspannung (Voc) 677 mV, die Kurzschlussstromdichte (Jsc) 37.6 mA/cm2 und der Füllfaktor (FF) 74.2 % betrugen. In einem zweiten Konzept wurden die Siliziumwaferoberflächen von einem ultra-dünnen Siliziumdioxid (SiO2) passiviert, welches nass-chemisch gewachsen wurde. Eine zusätzliche Schutzschicht war nicht nötig, aber auch in diesem Fall hängt die Passivierqualität stark von den HWCVD-Bedingungen für das µc-SiC:H(n)-Wachstum ab. Doppelseitig-kontaktierte SHJ-Solarzellen mit µc-SiC:H(n)/SiO2-Schichtstapel auf der beleuchteten Seite erzielten im aktiven Bereich einen maximalen Wirkungsgrad von 17.6 %, wobei die Voc 665 mV, die Jsc 40.3 mA/cm2 und der FF 65.8 % betrugen. Für vollständig rückseitig-kontaktierte SHJ-Solarzellen konnten die optischen Verluste auf der beleuchteten Seite durch den Einsatz von µc-SiC:H(n) auf lediglich 0.5 mA/cm2 reduziert werden. Dies stellt ein exzellentes Ergebnis dar, welches mit den momentan besten SHJ-Solarzellen konkurrieren kann.

N-type microcrystalline silicon carbide (µc-SiC:H(n)) is a promising material for the doped layer on the illuminated side of silicon heterojunction (SHJ) solar cells, because it offers a combination of large bandgap for high optical transparency and suitable refractive index for low reflection. Moreover, both optical properties can be provided at sufficiently high electrical conductivity in order to minimize electrical resistance losses. However, two issues needed to be overcome for a successful implementation of µc-SiC:H(n) in SHJ solar cells. First, the opto-electrical properties of the µc-SiC:H(n) films were suffering from reproducibility problems in the past. A deeper understanding of the relation between microstructure, electrical conductivity and optical transparency was necessary. Second, it was still unclear, if the required growth conditions for the high quality µc-SiC:H(n) are compatible with maintaining high passivation quality of the silicon wafer surfaces. A high hydrogen dilution duringthe film growth is necessary to provide the promising opto-electrical properties, but the common passivation layers of intrinsic amorphous silicon suffer from severe deterioration due to hydrogen etching. A systematic adaptation of the µc-SiC:H(n) growth conditions and the development of a suitable passivation layer were missing so far.The material properties and process parameters of µc-SiC:H(n) films were studied in detail in this thesis. The µc-SiC:H(n) films were grown by hot wire chemical vapor deposition (HWCVD) as well as by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The relations of crystalline grain size in µc-SiC:H(n) with deposition rate,electrical conductivity, hydrogen content, carbon fraction, and optical absorption coefficient were investigated. The impact of oxygen and nitrogen doping on optical and electrical properties were investigated separately. In particular, their influence on electrical conductivity, charge carrier density and mobility, as well as on grain size,hydrogen content, and optical absorption coefficient were studied in detail. The new insights into the effects of grain size, oxygen and nitrogen doping were used to propose a model for the electrical transport mechanisms in µc-SiC:H(n). Based on the deeper understanding of the material properties of HWCVD and PECVD grown µc-SiC:H(n), the electrical conductivity was improved to 10 S/cm which is the highest value reported so far for this type of material. In addition, the optical transparency of µc-SiC:H(n) was increased while maintaining a sufficiently high electrical conductivity. Thus, when µc-SiC:H(n) is used as doped layer on the illuminated side of SHJ solar cells, the photo-carrier generation rate can be increased. The main focus in this thesis was on the implementation of highly transparent µc-SiC:H(n) without deteriorating the passivation layer of the SHJ solar cell. A first concept consisted of a PECVD grown intrinsic amorphous silicon oxide (a-SiOx:H(i)) layer to passivate the silicon wafer surfaces where the a-SiOx:H(i) layer was protected by an n-doped microcrystalline silicon oxide (µc-SiOx:H(n)) layer against the hydrogen etching during the HWCVD growth of µc-SiC:H(n). However, the HWCVD growth conditions of µc-SiC:H(n) have a strong influence on the final passivation quality where the in-diffusion of hydrogen atoms from the gas phase can deteriorate the wafer surface passivation severely. Moreover, the crystalline volume fraction and the oxygen content of the µc-SiOx:H(n) protection layer need to be adapted with respect to the HWCVD growth condition for the µc-SiC:H(n) layer. A maximum active area efficiency of 18.9 % was achieved with an open circuit voltage (Voc) of 677 mV, a short circuit current density (Jsc) of 37.6 mA/cm2, and a fillfactor (FF) of 74.2 %. A second concept consisted of an ultra-thin silicon dioxide (SiO2) that passivated the wafer surfaces and which was grown wet-chemically. No additional protection layer was required, but also in this case the passivation quality strongly depends on the HWCVD conditions of the µc-SiC:H(n) growth. With µc-SiC:H(n) as window layer in two-side contacted SHJ solar cells a maximum active area efficiency of 17.6 % was achieved with Voc of 665 mV, Jsc of 40.3 mA/cm2, and FF of 65.8 %. For interdigitated back contact solar cell design the optical losses on the illuminated side were reduced to only 0.5 mA/cm2 with the help of µc-SiC:H(n), which is an excellent result that can compete with the currently best single-junction, non-concentrator SHJ solar cells.

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