Design, fabrication and characterisation of interdigitated back-contacted c-Si solar cells based on transition metal oxides

The photovoltaic industry is mainly dominated by crystalline silicon (c-Si) solar cells, in which contact selectivity is usually achieved by doping the wafer surfaces with phosphorous (n+) and boron (p+) by means of high temperature oven-based diffusions, called pn-Junction (pnJ). This requires complex and energy consuming processes and lengthy cleaning protocols to avoid possible degradation of bulk lifetime, increasing the number of steps involved in the manufacturing and consequently the production cost. In order to replace those high temperature diffusions, several approaches have been studied. The well-known silicon heterojunction (SHJ) structure using doped and intrinsic hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) films is probably the best known. Nevertheless, this option uses toxic and flammable gases as dopant precursors, which is not desirable from the point of view of process simplicity. In parallel, several contact structures have been developed from the past to now. Among them, two cell architectures have pushed forward the efficiency of c-Si solar cells. On the one hand, the passivated emitter and rear locally-diffused (PERL) cell structure, which was designed by the group leader by Prof. Martin A. Green at the University of New South Wales, Sydney, achieving power conversion efficiencies of up to 25%. On the other hand, the interdigitated back-contacted (IBC) cell structure, which was firstly designed for photovoltaic concentration applications, but in recent years have been applied on non-concentration purposes. In fact, the world solar cell efficiency record on c-Si substrates (26.6%) is achieved with an IBC cell structure. This thesis deals with the research on c-Si solar cells using both an IBC structure and an alternative approach to the conventional pnJ and SHJ concepts by implementing novel selective contacts, which are those based on transition metal oxides (TMOs). The first part of the Thesis is focused on the use of vanadium oxide (V2Ox) as hole-selective contact. It is demonstrated that the V2Ox has better selectivity behaviour when a nickel metal, which has a high work-function, is used as a capping layer. Finally, the selective contact based on Ni-capped V2Ox film is applied to an IBC c-Si solar cell yielding an efficiency of 19.7%. In this device the electron-selective contact is performed with the laser-doped technique, where the n+ region is formed by the laser-processing of a dielectric film, consisting of a phosphorous-doped amorphous silicon carbide layer. The last part of the Thesis is related to the development of an electron-selective contact based on TMOs replacing the laser-doped contacts. In this way, a titanium oxide (TiOx) film is used in combination with a thin aluminium oxide (Al2Ox) passivating interlayer. Once again, the metal capping has an influence to the selectivity of the final contact, being the best option the use of a magnesium film, which has a low work-function. Finally, a novel IBC c-Si solar cell is developed, whcih combines the previously mentioned Ni-capped V2Ox as hole-selective contact and Mg-capped Al2Ox/TiOx as electron-selective contact, yielding a proof-of-concept device with a conversion efficiency of up to 19.1%. It is important to stress that both selective contacts are fabricated at temperatures lower than 100 ºC reducing the overall thermal budget of the fabrication process, as well as circumventing the use of toxic and flammable gasses as dopant precursors.La indústria fotovoltaica està dominada principalment per cèl·lules solars de silici cristal·lí (c-Si), en les quals s'aconsegueix la selectivitat del contacte dopant les superfícies de la oblea amb fòsfor (n +) i bor (p +) anomenades unions pn (pnJ), a través de processos a altes temperatures. Això requereix processos complexos, un gran consum d’energia i protocols de neteja llargs per evitar la possible degradació del temps de vida del substrat. Tot això fa que s’augmenti el nombre de passos de fabricació i, per tant, el cost de producció. Per substituir aquestes difusions d'alta temperatura, s'han estudiat diverses alternatives. L'anomenada estructura heterojunció del silici (SHJ) amb capes de silici amorf hidrogenat (a-Si: H) dopat i intrínsec, és probablement, la més coneguda. Tanmateix, aquesta opció utilitza gasos tòxics i inflamables com a precursors de dopant, cosa que no és desitjable des del punt de vista de la senzillesa del procés. Al mateix temps, s'han desenvolupat diverses estructures de contacte. Entre aquests, dues arquitectures han aportat notables resultats en l’eficiència de les cèl·lules solars de c-Si. D'una banda, l'estructura “passivated emitter and rear locally-diffused” (PERL), dissenyada pel grup liderat pel Prof. Martin A. Green de la Universitat de Nova Gal·les del Sud, Sydney, aconseguint una eficiència de conversió de fins el 25%. D'altra banda, l'estructura “interdigitated back-contacted” (IBC), dissenyada inicialment per a aplicacions de concentració fotovoltaica, però que s'ha utilitzat, també, amb sistemes no concentrats en els darrers anys. De fet, el rècord global per a l'eficiència de les cèl·lules solars en substrats de c-Si (26,6%) s’ha aconseguit amb una estructura IBC. Aquesta tesi tracta de la investigació sobre cèl·lules solars de c-Si utilitzant tant una estructura IBC com un enfocament alternatiu als conceptes convencionals de pnJ i SHJ a través de la implementació de ¿nous¿ contactes selectius basats en òxids metàl·lics de transició (TMO). La primera part de la tesi es centra en l’ús de l’òxid de vanadi (V2Ox) com a contacte selectiu per als forats. Es demostra que el V2Ox té un millor comportament de selecció quan és contactat amb níquel, amb una funció de treball alta. Finalment, el contacte selectiu basat en una capa de V2Ox contactat amb Ni s'utilitza amb una cèl·lula solar IBC de c-Si amb una eficiència del 19,7%. En aquest dispositiu, el contacte selectiu d'electrons es realitza mitjançant la tècnica de dopat làser, on la regió n+ està formada pel processament làser d'una capa dielèctrica, aquesta consisteix en una capa amorfa de carbur de silici dopada amb fòsfor. La darrera part de la tesi està relacionada amb el desenvolupament d'un contacte selectiu per a electrons basats en TMOs, per substituir els contactes dopats amb làsers. D'aquesta manera, s'utilitza una capa d'òxid de titani (TiOx) en combinació amb una capa intermèdia de passivació, òxid de alumini (Al2Ox). Una vegada més, el contacte metàl·lic influeix en la selectivitat del contacte final, sent la millor opció l'ús d'una capa de magnesi, la qual té una funció de treball baixa. Finalment, es desenvolupa una cèl·lula solar IBC de c-Si, que combina el V2Ox cobert amb Ni, prèviament esmentat, com a contacte selectiu per a forats i la bicapa de Al2Ox/TiOx contactada amb Mg com a contacte selectiu d’electrons. El dispositiu final dona una eficiència de conversió de fins al 19,1%. És important assenyalar que els dos contactes selectius es fabriquen a temperatures inferiors a 100 °C, reduint el pressupost tèrmic global del procés de fabricació i evitant l'ús de gasos tòxics i inflamables com a precursors de dopant

Design, fabrication and characterisation of interdigitated back-contacted c-Si solar cells based on transition metal oxides

The photovoltaic industry is mainly dominated by crystalline silicon (c-Si) solar cells, in which contact selectivity is usually achieved by doping the wafer surfaces with phosphorous (n+) and boron (p+) by means of high temperature oven-based diffusions, called pn-Junction (pnJ). This requires complex and energy consuming processes and lengthy cleaning protocols to avoid possible degradation of bulk lifetime, increasing the number of steps involved in the manufacturing and consequently the production cost. In order to replace those high temperature diffusions, several approaches have been studied. The well-known silicon heterojunction (SHJ) structure using doped and intrinsic hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) films is probably the best known. Nevertheless, this option uses toxic and flammable gases as dopant precursors, which is not desirable from the point of view of process simplicity. In parallel, several contact structures have been developed from the past to now. Among them, two cell architectures have pushed forward the efficiency of c-Si solar cells. On the one hand, the passivated emitter and rear locally-diffused (PERL) cell structure, which was designed by the group leader by Prof. Martin A. Green at the University of New South Wales, Sydney, achieving power conversion efficiencies of up to 25%. On the other hand, the interdigitated back-contacted (IBC) cell structure, which was firstly designed for photovoltaic concentration applications, but in recent years have been applied on non-concentration purposes. In fact, the world solar cell efficiency record on c-Si substrates (26.6%) is achieved with an IBC cell structure. This thesis deals with the research on c-Si solar cells using both an IBC structure and an alternative approach to the conventional pnJ and SHJ concepts by implementing novel selective contacts, which are those based on transition metal oxides (TMOs). The first part of the Thesis is focused on the use of vanadium oxide (V2Ox) as hole-selective contact. It is demonstrated that the V2Ox has better selectivity behaviour when a nickel metal, which has a high work-function, is used as a capping layer. Finally, the selective contact based on Ni-capped V2Ox film is applied to an IBC c-Si solar cell yielding an efficiency of 19.7%. In this device the electron-selective contact is performed with the laser-doped technique, where the n+ region is formed by the laser-processing of a dielectric film, consisting of a phosphorous-doped amorphous silicon carbide layer. The last part of the Thesis is related to the development of an electron-selective contact based on TMOs replacing the laser-doped contacts. In this way, a titanium oxide (TiOx) film is used in combination with a thin aluminium oxide (Al2Ox) passivating interlayer. Once again, the metal capping has an influence to the selectivity of the final contact, being the best option the use of a magnesium film, which has a low work-function. Finally, a novel IBC c-Si solar cell is developed, whcih combines the previously mentioned Ni-capped V2Ox as hole-selective contact and Mg-capped Al2Ox/TiOx as electron-selective contact, yielding a proof-of-concept device with a conversion efficiency of up to 19.1%. It is important to stress that both selective contacts are fabricated at temperatures lower than 100 ºC reducing the overall thermal budget of the fabrication process, as well as circumventing the use of toxic and flammable gasses as dopant precursors.La indústria fotovoltaica està dominada principalment per cèl·lules solars de silici cristal·lí (c-Si), en les quals s'aconsegueix la selectivitat del contacte dopant les superfícies de la oblea amb fòsfor (n +) i bor (p +) anomenades unions pn (pnJ), a través de processos a altes temperatures. Això requereix processos complexos, un gran consum d’energia i protocols de neteja llargs per evitar la possible degradació del temps de vida del substrat. Tot això fa que s’augmenti el nombre de passos de fabricació i, per tant, el cost de producció. Per substituir aquestes difusions d'alta temperatura, s'han estudiat diverses alternatives. L'anomenada estructura heterojunció del silici (SHJ) amb capes de silici amorf hidrogenat (a-Si: H) dopat i intrínsec, és probablement, la més coneguda. Tanmateix, aquesta opció utilitza gasos tòxics i inflamables com a precursors de dopant, cosa que no és desitjable des del punt de vista de la senzillesa del procés. Al mateix temps, s'han desenvolupat diverses estructures de contacte. Entre aquests, dues arquitectures han aportat notables resultats en l’eficiència de les cèl·lules solars de c-Si. D'una banda, l'estructura “passivated emitter and rear locally-diffused” (PERL), dissenyada pel grup liderat pel Prof. Martin A. Green de la Universitat de Nova Gal·les del Sud, Sydney, aconseguint una eficiència de conversió de fins el 25%. D'altra banda, l'estructura “interdigitated back-contacted” (IBC), dissenyada inicialment per a aplicacions de concentració fotovoltaica, però que s'ha utilitzat, també, amb sistemes no concentrats en els darrers anys. De fet, el rècord global per a l'eficiència de les cèl·lules solars en substrats de c-Si (26,6%) s’ha aconseguit amb una estructura IBC. Aquesta tesi tracta de la investigació sobre cèl·lules solars de c-Si utilitzant tant una estructura IBC com un enfocament alternatiu als conceptes convencionals de pnJ i SHJ a través de la implementació de ¿nous¿ contactes selectius basats en òxids metàl·lics de transició (TMO). La primera part de la tesi es centra en l’ús de l’òxid de vanadi (V2Ox) com a contacte selectiu per als forats. Es demostra que el V2Ox té un millor comportament de selecció quan és contactat amb níquel, amb una funció de treball alta. Finalment, el contacte selectiu basat en una capa de V2Ox contactat amb Ni s'utilitza amb una cèl·lula solar IBC de c-Si amb una eficiència del 19,7%. En aquest dispositiu, el contacte selectiu d'electrons es realitza mitjançant la tècnica de dopat làser, on la regió n+ està formada pel processament làser d'una capa dielèctrica, aquesta consisteix en una capa amorfa de carbur de silici dopada amb fòsfor. La darrera part de la tesi està relacionada amb el desenvolupament d'un contacte selectiu per a electrons basats en TMOs, per substituir els contactes dopats amb làsers. D'aquesta manera, s'utilitza una capa d'òxid de titani (TiOx) en combinació amb una capa intermèdia de passivació, òxid de alumini (Al2Ox). Una vegada més, el contacte metàl·lic influeix en la selectivitat del contacte final, sent la millor opció l'ús d'una capa de magnesi, la qual té una funció de treball baixa. Finalment, es desenvolupa una cèl·lula solar IBC de c-Si, que combina el V2Ox cobert amb Ni, prèviament esmentat, com a contacte selectiu per a forats i la bicapa de Al2Ox/TiOx contactada amb Mg com a contacte selectiu d’electrons. El dispositiu final dona una eficiència de conversió de fins al 19,1%. És important assenyalar que els dos contactes selectius es fabriquen a temperatures inferiors a 100 °C, reduint el pressupost tèrmic global del procés de fabricació i evitant l'ús de gasos tòxics i inflamables com a precursors de dopant.Postprint (published version

Considerations on the electronic control system for autonomous underwater vehicle

Peer Reviewe

Power system of the Guanay II AUV

Guanay II is an autonomous underwater vehicle (AUV) designed to perform measurements in a water column. In this paper the aspects of the vehicle’s power system are presented with particular focus on the power elements and the state of charge of the batteries. The system performs both measurement and monitoring tasks and also controls the state of charge (SoC) of the batteries. It allows simultaneous charging of all batteries from outside the vehicle and has a wireless connection/disconnection mode. Guanay II uses a NiCd battery and for this reason the current integration as a SoC methodology has been selected. Moreover, it has been validated that it is possible to obtain instant consumption from the SoC circuit. Finally, laboratory and vehicle navigation tests have been performed to validate the correct operation of the systems and the reliability of the measured dataPostprint (published version

Development of a control system for an autonomous underwater vehicle

This work proposes the development of a control system for an autonomous underwater vehicle dedicated to the observation of the oceans. The vehicle, a hybrid between Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) and Autonomous Surface Vehicles (ASV), moves on the surface of the sea and makes vertical immersions to obtain profiles of a water column, according to a pre-established plan. The displacement of the vehicle on the surface allows the navigation through GPS and telemetry communication by radio-modem. The vehicle is 2300mm long by 320mm wide. It weighs 85kg and reaches a maximum depth of 30m. A control system based on an embedded computer is designed and developed for this vehicle that allows a vehicle's autonomous navigation. This control system has been divided into navigation, propulsion, safety and data acquisition subsystems.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Desarrollo de un vehículo de observación oceanográfica autónomo

En este trabajo se presenta el diseño y construcción del vehículo Guanay II. Es un vehículo autónomo submarino que navega sobre la superficie marina y en determinados puntos preestablecidos realiza inmersiones en vertical para obtener perfiles de la columna de agua. El vehículo diseñado tiene una estructura de doble casco. La estructura exterior, realizada en fibra de vidrio y no estanca,ha sido diseñada acorde con los perfiles de Myring para proporcionar al vehículo un buen comportamiento hidrodinámico. En el interior de esta estructura se acopla un módulo cilíndrico estanco de aluminio que contiene el actuador de inmersión, las baterías de alimentación y el sistema electrónico para el control de operaciones del vehículo. El sistema de control se encuentra dividido en los sistemas de: navegación, propulsión e inmersión, seguridad, comunicación y adquisición de datos. El vehículo mide 2.300mm de largo por 320mm de ancho y tiene un peso de 90kg.Postprint (published version

Modular acoustic platform to develop underwater bidirectional tags

Miniaturised acoustic tags are key to conducting spatial behaviour studies on marine organisms (e.g., Norwegian Lobster). Nonetheless, the current technology has its limitations, specifically in acquiring high-resolution 3D movements. Engineering and developing new bidirectional acoustic tags will help improve the tracking and monitoring capabilities of the tagged species. To accomplish this milestone, a testbed needs to be established to validate and iterate over every tag’s system. In this paper, the construction and capabilities of the first testbed’s keystone tool are presented, and results from laboratory and field tests are discussed.Peer Reviewe

Back junction n-type silicon heterojunction solar cells with V2O5 hole-selective contact

Postprint (published version

V2Ox-based hole-selective contacts for c-Si interdigitated back-contacted solar cells

Over the last few years, transition metal oxide layers have been proposed as selective contacts both for electrons and holes and successfully applied to silicon solar cells. However, better published results need the use of both a thin and high quality intrinsic amorphous Si layer and TCO (Transparent Conductive Oxide) films. In this work, we explore the use of vanadium suboxide (V2Ox) capped with a thin Ni layer as a hole transport layer trying to avoid both the intrinsic amorphous silicon layer and the TCO contact layer. Obtained figures of merit for Ni/V2Ox/c-Si(n) test samples are saturation current densities of 175 fA cm-2 and specific contact resistance below 115 mO cm2 on 40 nm thick V2Ox layers. Finally, the Ni/V2Ox stack is used with an interdigitated back-contacted c-Si(n) solar cell architecture fully fabricated at low temperatures. An open circuit voltage, a short circuit current and a fill factor of 656 mV, 40.7 mA cm-2 and 74.0% are achieved, respectively, leading to a power conversion efficiency of 19.7%. These results confirm the high potential of Ni/V2Ox stacks as hole-selective contacts on crystalline silicon photovoltaics.Peer ReviewedPostprint (published version

Silicon solar cells with heterojunction emitters and laser processed base contacts

In this work, we report on a novel structure of Interdigitated Back-Contacted (IBC) solar cells on c-Si p-type substrates that combines laser processed homojunction base contacts and silicon heterojunction (SHJ) emitters. These hybrid devices which can lead to potential benefits in device processing and/or conversion efficiency. In the proposed fabrication process special attention has been paid to the compatibility of both involved technologies: silicon heterojunction and laser doping from dielectric films. In particular, we focus on the surface passivation obtained by the heterojunction emitter after removing the aluminum oxide/silicon carbide (Al2O3/SiCx) layer stack needed for the laser doping process and previously deposited on the c-Si surface. A severe passivation degradation after plasma et ching process to remove the top SiCx film is observed, despite leaving the Al2O3 film on the c-Si surface. Based on high-frequency capacitance-voltage characterization, an increase in the interface state density and a strong impact on the fixed charge density is deduced. Next, in order to choose an optimized metallization technology that could simultaneously contact both the ITO film and the p+ laser processed regions, we evaluate the contact quality of Titanium and Aluminum on ITO. Results show that Titanium is a better option with a specific contact resistance of 1.1 mohm cm2. Finally, finished hybrid IBC solar cells with conversion efficiencies in the 18-19% range are reported.Peer ReviewedPostprint (published version