Interface and Topography Optimization for Thin-Film Silicon Solar Cells with Doped Microcrystalline Silicon Oxide Layers

Zhang, Chao; Rau, Uwe; Zeman, Miroslav

doi:HT019376470

Interface and Topography Optimization for Thin-Film Silicon Solar Cells with Doped Microcrystalline Silicon Oxide Layers = Interface und Topografie Optimierung für Dünnschicht Silizium-Solarzellen mit Dotiertem mikrokristallinem Siliziumoxid Schichten

Zhang, Chao

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Chao Zhang

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2017

Umfang1 Online-Ressource (VII, 156 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-209-2

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/ Energy & environment ; 360

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

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

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Zeman, Miroslav (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-11-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-06361
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/692043/files/692043.pdf
URL: https://juser.fz-juelich.de/record/830262/files/Energie_Umwelt_360.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
AFM (frei) ; PECVD (frei) ; TCO (frei) ; a-Si:H (frei) ; front texture (frei) ; n-tpye µc-SiOx:H (frei) ; open-circuit voltage (frei) ; p-tpye µc-SiOx:H (frei) ; tandem solar cells (frei) ; thin-film silicon (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Geringe Kosten und niedriger Materialverbrauch sind die herausragenden Vorzüge von Dünnschicht Silizium Solarzellen. Die zusätzliche Möglichkeit in großem Maßstab zu produzieren, macht diese Technologie zu einer Alternative gegenüber multi- oder monokristallinen Silizium-Solarzellen. Verglichen mit anderen Dünnschichtsolarzellen basierend auf CdTe oder CIGS gibt es wiederum eine weit größere Verfügbarkeit in Bezug auf verwendete Rohstoffe. Darüber hinaus werden bei Dünnschichtsilizium-Solarzellen keine toxischen Elemente eingesetzt. Nichtsdestotrotz befindet sich die Effizienz auf einem niedrigen Niveau. Die Verbesserung der Solarzelleffizienz durch die Verwendung von optisch verbesserten Materialien wie hydrierten mikrokristallinen Siliziumoxiden und eine effiziente Nutzung der Solarzell-Topographie sind Themen der vorliegenden Arbeit. Darüber hinaus werden optische und elektrische Verlustmechanismen in Dünnschichtsilizium-Solarzellen untersucht und diskutiert. Die Verwendung von verbesserten Materialien sowie der Einsatz optimierter Topographien stellen den Schlüssel für die Entwicklung effizienterer und ökonomischerer Solarzellen dar. In der vorliegenden Arbeit wurden n- und p-Typ des hydrierten mikrokristallinen Siliziumoxids (µc-SiOx:H) entwickelt und an unterschiedlichen Positionen innerhalb einer Solarzelle eingebaut. Diese Schichten wurden beispielsweise als transparente Fensterschicht, als Zwischenreflektor in Tandem-Solarzellen oder als Teil eines verbesserten Rückseitenreflektors implementiert. Herausragende optische Eigenschaften in Kombination mit gleichbleibend guten elektrischen Eigenschaften machen n- und p-Typ µc-SiOx:H zu vielfältig anwendbaren Dotierschichten. Im Rahmen dieser Arbeit wurden dotierte µc-SiOx:H Filme mit einer Leitfähigkeit von bis zu 10-2 S/cm und einer Raman-Kristallinität von ~60% hergestellt. Zusätzlich konnte eine breite Spanne in Bezug auf die optischen Eigenschaften realisiert werden. So konnte die optische Bandlücke E04 von 2.0 bis 2.7 eV und der Brechungsindex n von 1.8 bis 3.2 für den n-Typ und ein E04 von 2.1 bis 2.8 eV und der Brechungsindex n von 1.6 bis 2.6 für den p-Typ variiert werden. Die Schichteigenschaften lassen sich durch Anpassung der Depositionsparameter wie z.B. dem Verhältnis des CO2/SiH4 Anteils verändern. Eine detaillierte Untersuchung des Einflusses der Dotiergaskonzentration von Monophosphan und Trimethylboran wurde ebenfalls durchgeführt. Schließlich wurden Parameterstudien bezüglich der Leistungsdichte, Druck und Temperatur durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Effizienzsteigerung von a-Si:H Solarzellen von 9.4% auf 10.3% und die Effizienz von µc-Si:H Solarzellen von 8.4% auf 10.4% durch den Einsatz von p-Typ µc SiOx:H als Fensterschicht erzielt. Die Gründe für eine Effizienzerhöhung liegen einerseits in einer deutlich verbesserten Quanteneffizienz und andererseits in der Verbesserung von Spannung und Füllfaktor. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem optoelektronischen Zusammenspiel zwischen einem rauen Frontkontakt und der Solarzellleistung. Die Topographie bestimmt die Lichtstreuung und somit wird auch das Lichtmanagement der Solarzelle im Wesentlichen durch die Struktur des Frontkontaktes festgelegt. Ein breites Spektrum von verschiedenen Topographien wurde hier untersucht. Die durch die Rasterkraftmikroskopie gewonnenen Topographiedaten fungierten als Grundlage für dreidimensionale optische Simulationen. Diese Simulationen machen es möglich, ein tieferes Verständnis zwischen der Textur und dem Lichtmanagement zu entwickeln. Außerdem lassen sich so experimentelle Grenzen überwinden. Aus den Versuchen und Simulationen wurde schließlich klar ersichtlich, dass sowohl Strukturtyp als auch Strukturgröße den Stromdichtegewinn der Top-Solarzelle sowie den Stromdichteverlust der Bottom-Solarzelle bestimmen, wenn ein Zwischenreflektor eingebaut wurde. Die Effektivität des Zwischenreflektors ist außerdem stark abhängig von Reflexionsverlusten, die wiederum mit der Textur zusammenhängen. Insbesondere die Steilheit der Strukturen zeigt einen starken Einfluss. Sehr raue Texturen können die elektrischen Eigenschaften von Solarzellen beeinträchtigen. Ein Aspekt der vorliegenden Arbeit gilt der Untersuchung dieses Einflusses und der Ausbildung rissreicher Regionen sowie den daraus resultierenden Verlusten. Es wurde herausgefunden, dass die Reduzierung der offenen Klemmspannung bei a-Si:H Solarzellen, welche auf sehr rauen Oberflächen abgeschieden wurden, der Ausbildung einer defektreichen Region in den ersten 100 - 200 nm der Absorberschicht resultiert. Die Vorliegende Arbeit befasst sich mit Dünnschichtsilizium-Solarzellen mit dotiertem hydriertem mikrokristallinem Siliziumoxid sowie dem Einfluss der Frontkontakttopographie auf optische sowie elektrische Eigenschaften.

Low cost and low material consumption are the most import advantages of thin-film silicon solar cells. The possibility to manufacture in large scale makes this technology an alternative photovoltaic technology that is suitable for mass production comparable to multi- and monocrystalline silicon solar cells. Also, compared to other thin-film solar cells that are based on CdTe or CIGS there is neither a limitation in supply of rare elements like tellurium and indium, nor toxic cadmium is used. However, conversion efficiency remains in a rather low level. The improvement of conversion efficiency due to application of optically advanced materials as hydrogenated microcrystalline silicon oxide and the efficient usage of solar cell textures are topics of this work. Moreover, optical and electrical loss mechanisms in thin-film silicon solar cells are discussed. The application of superior materials combined with optimized front textures can contribute to the development of more efficient and economically competitive future thin-film silicon solar cells. In this work n- and p-type hydrogenated microcrystalline silicon oxide (µc SiOx:H) films were developed and implemented at different positions within a solar cell. This can be as a transparent contact or window layer in hydrogenated amorphous (a Si:H) or microcrystalline silicon (µc-Si:H) single junction solar cells; as intermediate reflector layer in a Si:H/µc-Si:H tandem solar cells or as part of a more effective back reflector in single and tandem solar cells. Higher transparency, solar grade electrical conductivity, low-ohmic contact to sputtered ZnO:Al and tunable refractive index make n- and p-type µc SiOx:H a versatile and advanced material compared to commonly used doped layers. In this work n- and p-type µc SiOx:H layers were fabricated with a conductivity of up to 10-2 S/cm and a Raman crystallinity of ~60%. Furthermore, a broad range of optical properties (band gap E04 from 2.0 eV to 2.7 eV and refractive index n from 1.8 to 3.2) for n type µc SiOx:H (E04 from 2.1 eV to 2.8 eV and n 1.6 to 2.6) for p type µc SiOx:H films are presented. These properties can be tuned by adapting deposition parameters e.g. the CO2/SiH4 deposition gas ratio. Detailed work on the influence of the phosphine and trimethylborane concentration is also carried out. Finally, parameter studies regarding the power density, pressure and temperature are investigated for p type µc SiOx:H films. In the scope of this thesis the conversion efficiency of a Si:H solar cells was improved by applying a p type µc SiOx:H contact layer. Compared to the standard p type µc Si:H contact layer the conversion efficiency was increased from 9.4% to 10.3%. Absorption loss in the p-type layer was reduced, while the electrical contact was improved which resulted in a higher fill factor. Also, a conversion efficiency improvement of µc Si:H solar cells was achieved by applying a p type µc SiOx:H layer from 8.4% to 10.4%. Here, the external quantum efficiency was strongly improved. Also, a clear enhancement of the open circuit voltage was seen which is attributed to a reduced crystalline growth on top of the p type µc SiOx:H layer. In a second part of this work, thin-film silicon solar cells were deposited on differently textured transparent conductive oxide coated glass substrates. The focus here is on various aspects of light-management, as the light scattering is strongly influenced by the substrate textures. A broad range of surface topographies based on various state-of-the-art front side contacts were investigated. Additionally, using topography data obtained by AFM 3D rigorous optical simulations were conducted. Those simulations contribute to a deeper understanding of light scattering within tandem solar cells deposited on rough surfaces. From experiments and simulations it was found that there is a large impact of structure type and feature size on the enhancement of the top cell current density and of the current density loss in the bottom solar cell with an additional intermediate reflector layer. It is seen that the effectiveness of the intermediate reflector layer is highly linked to the solar cell reflectance. Especially the steepness of the texture shows large effects on the utilization of incident light. Very rough morphologies can influence the electrical properties of a solar cell. One aspect of this work was to investigate the formation of defective-regions, growth behavior and recombination that are associated with the topography and material. From the electrical point of view it was seen that it is possible to obtain high quality contact layers between the TCO and p-type layer while improving the transparency. Furthermore, it was found that reduction of the open circuit voltages in a-Si:H thin film solar cells deposited on very rough front textures are mainly due to defective regions in the first 100 - 200 nm of the bulk material.The present work deals with thin-film silicon solar cells containing doped hydrogenated microcrystalline silicon oxide with various functions and discusses the impact of the front side topography on optical and electrical properties.

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