Nitride semiconductors as carrier-selective contacts for silicon heterojunction solar cells

This work initially reports the electrical characterization of ZnSnxGe1-xN2 (ZTGN) layers (10% < < 90%) deposited on glass by combinatorial sputtering and further assesses the performance of silicon heterojunction (SHJ) solar cells featuring them as electron-selective contacts. Bandgap, dark conductivity, and the activation energy of the latter were found to significantly change between Sn and Ge-rich samples. When applying ZTGN layers as electron-selective contacts for SHJ solar cells, poor solar-cell performance was observed, with surprisingly similar results despite changes in material properties. From analysis and modelling of the current-voltage characteristics of several device structures, through a self-adaptive Differential Evolution algorithm, we show that the work function of the electron-selective contact lies around 4.35 eV for all investigated Sn and Ge contents, which is too high to form an excellent electron-selective contact. By comparing differ ent solar-cell architectures, we could further identify that the Ge-rich layer imposes an additional barrier to electron extraction, independently of its poor selectivity, due to its low conductivity. After having identified these loss mechanisms, MgSnN2 (MTN) was envisioned as a good candidate, due to its high electron concentration and bandgap at 50% Mg/(Mg+Sn) (at.%). Thus, we fabricated MTN layers also through a combinatorial sputtering approach, with no substrate heating and at 200 °C, resulting in MgxSn1-xN2 (43% < < 55%) samples, with bandgap around 2 eV, showing dark conductivity and activation energy that decreased towards Mg-rich samples. When applied to SHJ solar cells, JV characteristics similar to that when ZTGN was studied were obtained, and per formance was slightly better. The limiting properties were also of the same kind, with an estimated work function around 4.16 eV, shifting to 4.3 eV for samples grown at 200 °C, and Sn-rich samples showing a too high electron affinity. Mg-rich samples, as Ge-rich ones, resulted in strong s-shapes due to poor doping. Thus, doping these compounds with extrinsic elements appears as the most relevant approach to build efficient devices with a ZTGN or MTN contact layer.Este trabalho apresenta a caracterização elétrica de camadas de ZnSnxGe1-xN2 (ZTGN) (10% < x < 90%) depositadas em substrato de vidro por sputtering combinatório e avalia o desempenho de células solares de heterojunção de silício (SHJ) que apresentam essas camadas como contatos elétron-seletivos. Bandgap, condutividade e energia de ati vação variaram significantemente entre amostras ricas em Sn e Ge. Quando tais camadas foram aplicadas como contatos elétron-seletivos em células solares, os dispositivos apre sentaram baixo desempenho, com resultados surpreendentemente semelhantes apesar de mudanças nas propriedades do material. A partir de análises e modelagem das caracterís ticas corrente-tensão de várias estruturas de células solares, com auxílio de um algoritmo de Evolução Diferencial auto adaptativo, mostramos que a função trabalho do contato elétron-seletivo está em torno de 4.35 eV para todas as composições investigadas de Sn e Ge, o que é muito alto para formar um excelente contato. Através da comparação de diferentes arquiteturas de células solares, identificamos ainda que camadas ricas em Ge impõem uma barreira adicional à extração de elétrons, independentemente de sua baixa seletividade, devido a baixos valores de condutividade. Após a identificação desses mecan ismos de perdas, MgSnN2 (MTN) foi considerado como um bom candidato, já que apre senta bandgap adequado e alta concentração de elétrons para uma composição de 50% Mg/(Mg+Sn) (at.%). Desse modo, fabricamos camadas de MTN através de sputtering combinatório, sem aquecimento do substrato e à 200 °C, obtendo amostras de MgxSn1-xN2 (43% < x < 55%), com bandgap em torno de 2 eV, exibindo condutividade e energia de ativação que decrescem em amostras ricas em Mg. Características JV similares àque las observadas para ZTGN foram obtidas quando MTN foi empregado como camada elétron-seletiva, mas com desempenho ligeiramente superior. As propriedades limitantes foram as mesmas, com função trabalho estimada em 4.16 eV, aumentando para 4.3 eV para amostras fabricadas à 200 °C. Amostras ricas em Sn exibiram ainda alta afinidade eletrônica e aquelas ricas em Mg resultaram em curvas com severo perfil em “s” devido à baixa dopagem, como foi o caso de amostras de ZTGN ricas em Ge. Portanto, a dopagem desses materiais com elementos extrínsecos aparenta ser a abordagem mais relevante para a construção de dispositivos eficientes com contatos formados com camadas de ZTGN ou MTN

Impactos da temperatura e irradiância em células solares de silício policristalino

The accurate knowledge of the solar cells parameters dependence on irradiance and temperature is of vital importance for the performance assessment of photovoltaic modules and development of new devices. Many works have been published so far to understand the aforementioned dependence, but significant discrepancies have been found. Therefore, in order to clarify these discrepancies, the temperature and irradiance impacts on seven polycrystalline silicon solar cells were studied through a minutious experimental characterization in the range 600-1000 /2 and 25-55oC, using a solar cell characterization platform equipped with vacuum chunk and temperature control, developed during this work, and posterior computational extraction of the single diode parameters using the Differential Evolution optimization technique, resulting in a very low fitting error between experimental and simulated I-V curves. The results indicated that the temperature effects are stronger for all the single diode parameters except for the photocurrent. Series resistance was found to be better described by an exponential decrease with increasing temperature, remaining almost constant as irradiance changed. Shunt resistance showed a linear decrease for increasing temperature, and remained almost constant for different irradiances. The diode saturation current exhibited an exponential increase for higher temperature values and remained almost unchanged for increasing irradiance. The diode ideality factor remained almost unchanged for both temperature and irradiance changes. The photocurrent showed a linear increase for both temperature and irradiance increase, but it was much more accentuated for the latter. Also, it was observed that the errors and uncertainties associated with the characterization procedure and parameter extraction were small, so that the employed methodology produced results that can be regarded as reliable representatives of the real behavior of polycrystalline silicon solar cells under the temperature and irradiance range studied.Agência 1O conhecimento de como os parâmetros elétricos de células solares são afetados pela temperatura e irradiância é de fundamental importância tanto para a avaliação de desempenho de plantas fotovoltaicas quanto para o desenvolvimento de novos dispositivos. Embora muitos trabalhos tenham sido publicados na literatura sobre esse assunto, discrepâncias significativas podem ser encontradas entre eles. Assim, com o objetivo de esclarecê-las, os impactos da temperatura e irradiância em sete células solares de silício policristalino foram estudados através de um minucioso estudo experimental no intervalo 600 − 1000 /2 e 25 − 55oC, com a utilização de uma plataforma de caracterização de células solares equipada com controle de temperatura e mesa de vácuo, desenvolvida durante este trabalho, e posterior extração dos parâmetros do modelo de diodo único modificado através do emprego de um processo de otimização global por meio do algoritmo de Evolução Diferencial, resultando em baixos erros entre as curvas I-V experimentais e simuladas. Os resultados indicaram que os efeitos de temperatura são muito mais intensos para todos os parâmetros do modelo de diodo simples modificado, exceto para a fotocorrente. A resistência em série exibiu um decaimento exponencial conforme a temperatura aumentou, permanecendo praticamente constante para diferentes valores de irradiância. A resistência shunt mostrou um decaimento linear com o aumento da temperatura, e permaneceu praticamente constante conforme a irradiância aumento. Já a corrente de saturação reversa do diodo exibiu um crescimento exponencial com o aumento de temperatura, não exibindo alterações significativas para diferentes irradiâncias. O fator de idealidade do diodo permaneceu praticamente constante tanto para variações de temperatura quanto irradiância. A fotocorrente exibiu um crescimento linear conforme a temperatura e irradi- ância aumentaram, sendo muito mais intenso nesse último caso. Foi observado ainda que as incertezas e os erros associados a esse procedimento de caracterização e extração de parâmetros foram pequenas, de modo que essa metodologia produziu resultados que podem ser considerados representantes confiáveis do real comportamento de células solares de silício policristalino sob as condições de temperatura e irradiância estudada