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Nanocrystalline silicon oxide in silicon heterojunction solar cells = Nanokristallines Siliziumoxid in Siliziumheterostruktursolarzellen



VerantwortlichkeitsangabeAlexei Richter

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag 2018

Umfang1 Online-Ressource (166 Seiten) : Illustrationen

ISBN978-3-95806-310-5

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich: Reihe Energie & Umwelt / Energy & Environment ; 416


Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Onlineausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-02-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223448
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/722212/files/722212.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)
  2. Lehrstuhl für Halbleitertechnik und Institut für Halbleitertechnik (616210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
nanocrystalline silicon oxide (frei) ; silicon heterojunction solar cells (frei) ; light management (frei) ; parasitic absorption (frei) ; PECVD (frei) ; window layer (frei) ; front surface field (frei) ; rear emitter solar cells (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Im letzten Jahrzehnt konnten neue Rekordwerte für die Solarenergiewandlungseffizienz durch Siliziumheterostruktur(SHJ)-Solarzellen erreicht werden. Dennoch führt die parasitäre Absorption in den dotierten amorphen Siliziumschichten (a-Si:H) zu erheblichen Verlusten in der Kurzschlussstromdichte der SHJ Solarzellen. Im Gegensatz zu den a-Si:H Schichten sind Dünnschichten aus nanokristallinem Siliziumoxid (nc-SiOx:H) deutlich transparenter. Dementsprechend war es das Ziel dieser Arbeit, dotierte nc-SiOx:H Schichten bei einer erhöhten Depositionsfrequenz zu entwickeln, um ihre optoelektronischen Eigenschaften zu verbessern, und sie in SHJ Solarzellen anzuwenden, um eine geringere parasitäre Absorption zu erreichen und dadurch die Kurzschlussstromdichte zu erhöhen. Innerhalb dieser Arbeit wurden nc-SiOx:H Schichten mit Hilfe der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei 81,4 MHz entwickelt. Durch die Nutzung einer erhöhten Dichte an atomarem H bei 81,4 MHz wurde im Vergleich zu Schichten, die bei 13,56 MHz in der gleichen Depositionsanlage hergestellt wurden, eine verbesserte Phasentrennung erreicht. Bei dieser Entwicklung konnten vier unterschiedliche Bereiche der nc-SiOx:H Deposition im Bezug auf ihr Gefüge und ihre Eigenschaften identifiziert werden. Im Detail sind dies: ein Gebiet des amorphen Wachstums (“fully amorphous region”), ein Bereich mit geringen Gehalten der nc-Si und der a-SiOx:H Phase (“O and nc-Si enrichment”), ein Gebiet mit hohen Gehalten an nc-Si und a-SiOx:H (“O and nc-Si enrichment”) und schließlich ein Bereich des bevorzugten Einbaus von a-SiOx:H anstelle von nc-Si (“nc-Si deterioration”). Vor allem Schichten, die im Übergang zwischen den Bereichen “O and nc-Si enrichment” und “nc-Si deterioration” hergestellt wurden, zeigten exzellente optoelektronische Eigenschaften.Eine detaillierte Untersuchung des Gefüges mit Hilfe der Atomsondentomographie zeigte ein filigranes dreidimensionales Netzwerk aus nc-Si auf und deutete auf eine nahezu homogene Verteilung der Dotieratome über alle Phasen hinweg, im Gegensatz zu thermisch erzeugtem nc-Si in SiO2.Im Anschluss an die Materialentwicklung wurden die nc-SiOx:H Schichten in SHJ Solarzellen eingesetzt. Ausgehend von planaren Substraten, die mit intrinsischen a-SiOx:H Schichten passiviert wurden, führten n-typ nc-SiOx:H Frontemitter Schichten zu einer Erhöhung der Kurzschlussstromdichte der Solarzelle mit steigendem Gehalt an a-SiOx:H in den nc-SiOx:H Schichten. Gleichzeitig limitierten hochtransparente Schichten aus nc-SiOx:H den Füllfaktor der Solarzellen erheblich. Diese Untersuchungen wurden von optischen Simulationen mittels OPAL 2 begleitet. Weiterhin wurde eine erhebliche Steigerung der offenen Klemmspannung erreicht, indem die intrinsischen a-SiOx:H Schichten durch intrinsisches a-Si:H ersetzt wurden, bedingt durch die überlegene Oberflächenpassivierung durch die wärmebehandelten a-Si:H Schichten auf c-Si. Des Weiteren wurde die Nanoimprintlithographie genutzt, um SiO2-ähnliche Antireflexionsschichten auf planaren Solarzellen herzustellen, die die zufällige Si-Pyramidentextur nachbildeten. Dadurch konnte die Lichteinkopplung und damit auch die Kurzschlussstromdichte der Solarzellen erhöht werden. Eine Kombination aus verbesserter Lichteinkopplung und verbessertem Lichteinfang konnte mit Hilfe texturierter Si Substrate erreicht werden. Hier konnte gezeigt werden, dass die Qualität der Oberflächenpassivierung durch intrinsisches a-Si:H vergleichbar zu den planaren Absorbern ist, sofern man den Einfluss der Oberflächenvergrößerung und verringerten Absorberdicke berücksichtigt. Insgesamt konnte eine graduelle Erhöhung der Effizienz der Solarenergiewandlung von 19 auf 21,4 % für die Siliziumheterostruktursolarzellen im Zuge dieser Arbeit erreicht werden.

In the recent decade world record solar energy conversion efficiencies have been achieved by the silicon heterojunction (SHJ) solar cell technology. However, the parasitic absorption within the doped amorphous silicon (a-Si:H) layers still causes a significant reduction in the short circuit current density of a SHJ solar cell. In contrast, thin films of nanocrystalline silicon oxide (nc-SiOx:H) are significantly more transparent. Therefore, the aim of this thesis was to develop doped nc-SiOx:H films at an increased deposition frequency to improve the optoelectronic trade-off of the films and apply these layers in SHJ solar cells to achieve a low parasitic absorption and, thereby, an enhanced short circuit current density. In this work films of nc-SiOx:H were developed at 81.4 MHz using plasma enhanced chemical vapor deposition. By exploiting the increased atomic H density at 81.4 MHz, an improved phase separation was achieved in comparison to films deposited at 13.56 MHz within the same deposition system. Within these variations four distinct regions of nc-SiOx:H deposition were identified according to their microstructure and their properties. In particular these are: a region of amorphous growth (“fully amorphous region”), a region with low amounts of the nc-Si phase and the a-SiOx:H phase (“onset of nc-Si formation”), nc-SiOx:H films of high nc-Si and a-SiOx:H phase contents (“O and nc-Si enrichment”), and a region with a preferential incorporation of a-SiOx:H against nc-Si (“nc-Si deterioration”). Particularly, films deposited at the transition between the “O and nc-Si enrichment” and the “nc-Si deterioration” region exhibited a high optoelectronic performance. A detailed investigation of the microstructure via atom probe tomography revealed the intricate three-dimensional structure of the nc-Si network and indicated a nearly homogeneous distribution of the dopant atoms across all phases in contrast to thermally produced nc-Si in SiO2.After the material development, the nc-SiOx:H layers were applied in SHJ solar cells. Starting with planar substrates passivated by intrinsic a-SiOx:H layers, n-type nc-SiOx:H front-emitter layers led to an increase in the short circuit current density of the solar cells with an increasing a-SiOx:H content in the nc-SiOx:H layers. At the same time, highly transparent nc-SiOx:H layers severely limited the fill factor of the solar cells. These investigations were accompanied by optical simulations using OPAL 2. Additionally, a significant enhancement of the open circuit voltage was achieved by substituting the intrinsic a-SiOx:H by intrinsic a-Si:H due to the superior surface passivation of c-Si by the annealed a-Si:H layers. Furthermore, nano-imprint lithography was employed to produce Si random pyramid textured SiO2-like anti-reflection coatings on planar SHJ solar cells, which enhanced the light incoupling and resulted in an increase of the short circuit current density. The combination of an increased light incoupling and increased light trapping was achieved by Si random pyramid textured Si substrates. Here, the surface passivation of the absorber by intrinsic a-Si:H was confirmed to be comparable to the planar absorbers by considering the effect of the increased surface area and the absorber thickness. In total, a gradual enhancement of the solar energy conversion efficiency from 19 to 21.4% was accomplished in the course of this work for the SHJ solar cells.

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Dokumenttyp
Book/Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT019710649

Interne Identnummern
RWTH-2018-223448
Datensatz-ID: 722212

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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Faculty of Electrical Engineering and Information Technology (Fac.6)
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615610
616210

 Record created 2018-04-06, last modified 2023-04-08


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