The Influence of ITO Dopant Density on J-V Characteristics of Silicon Heterojunction Solar Cells: Experiments and Simulations

The TCO/a-Si:H(p) contact is a critical part of the silicon heterojunction solar cell. At this point, holes from the emitter have to recombine loss free with electrons from the TCO. Since tunneling is believed to be the dominant transport mechanism, a high dopant density in both adjacent layers is critical. In contrast to this, it has been reported that high TCO dopant density can reduce field effect passivation induced by the a-Si:H(p) layer. Thus, in this publication, we systematically investigate the influence of a thin (∼10 nm) ITO contact layer with dopant densities ranging from Nd = 1019 - 1021 cm-3 placed between an ITO bulk layer of 70 nm with Nd= 2·1020 cm-3 and the a-Si:H(p) emitter on the J-V characteristics, with the aim to find an optimum Nd. We accompanied our experiments by AFORS-HET simulations, considering trap-assisted tunneling and field dependent mobilities in the a-Si:H(p) layer. As expected, two regimes are visible: For low Nd the devices are limited by inefficient tunneling, resulting in S-shaped J-V characteristics. For high Nd a reduction of the field effect passivation becomes visible in the low injection range. We can qualitatively reproduce these findings using device simulations

Deposition of high mobility transparent conductive oxides and their integration into solar cells : numerical simulation of the chemical and physical phenomena during the deposition process

Transparent conductive oxides (TCOs) are employed as contact layers thin film solar cells. They transmit incoming light to the absorber and conduct the generated charge carriers laterally to the metal contacts. Thus, the TCO should have a high optical transparency as well as a high electrical conductivity to ensure good solar cell performance. The free charge carriers, which are necessary for the electrical conductivity, also cause free carrier absorption in the near infrared (NIR) spectrum. In order to fulfill the two conflicting requirements mentioned above, it is necessary to reduce the free carrier density and increase the carrier mobility in the TCO at the same time. By accomplishing this, high optical transparency can be achieved while still maintaining a good electrical conductivity. Increasing the transparency of the TCO increases the short-circuit current density (Jsc) in solar cells. [1] On a-Si:H/µc-Si:H thin film solar cells the back-contact and reflector typically consist of a thin ZnO:Al (AZO) buffer layer and a silver layer. The high cost of silver as well as plasmonic absorption make it desirable to use a silver-free backside reflector. We report that a backside contact composed of an AZO transparent conducting oxide (TCO) layer deposited by DC-magnetron-sputtering at 180 °C combined with a white paint backside reflector can achieve almost the same solar cell performance as a TCO/silver back contact. [2] Hydrogen doped indium oxide In2O3:H (IOH) has been widely discussed as a suitable contact layer for thin film solar cells , because of its mobility higher than 100 cm2 / Vs [3]. Very low optical absorption can be achieved with this material at resistivities around 350 µΩcm. In this work, a deposition and annealing process for IOH has been developed and optimized. It could be demonstrated that the short circuit current density of a-Si:H/c-Si heterojunction cells as well as CIGS-cells with IOH front contacts could be improved compared to cells with standard ITO- and AZO front contacts. [4] In IOH films deposited statically by rf magnetron sputtering, a small area directly opposing the target center with a higher resistivity and lower crystallinity than the rest of the film has been found via hall- and XRD-measurements, which we attribute to plasma damage. In order to investigate the distribution of particle energies during the sputtering process we have simulated the RF-sputtering deposition process of IOH by Particle-In-Cell Monte-Carlo simulation. At the surface of ceramic sputtering targets, negatively charged oxygen ions are created. These ions are accelerated towards the substrate in the plasma sheath with energies up to 150 eV. Particle energies in this order of magnitude damage the growing film, reduce crystallinity and should be avoided in order to achieve good material properties. The influence of a negatively biased mesh inside the sputtering chamber on particle energies and distributions has been simulated and investigated. We found that the mesh decreased the high energetic oxygen ion density at the substrate, thus enabling a more homogeneous IOH film growth. The theoretical results have been verified by XRD, 4-point-probe and hall measurements of statically deposited IOH films on glass. [5] [1] H. Scherg-Kurmes, S. Seeger, S. Körner, R. Schlatmann, B. Rech, und B. Szyszka, „Optimization of the post-deposition annealing process of high mobility In2O3:H for photovoltaic applications“, Thin Solid Films, Bd. 599, S. 78–83, 2016. [2] H. Scherg-Kurmes u. a., „Comparative study of backside reflectors on a-Si:H/µc-Si:H thin film solar cells“, Phys. Status Solidi A, Bd. 211, S. 2078–81, 2014. [3] T. Koida, H. Fujiwara, und M. Kondo, „Hydrogen-doped In2O3 as High-mobility Transparent Conductive Oxide“, Jpn. J. Appl. Phys., Bd. 46, Nr. 28, S. L685–L687, 2007. [4] H. Scherg-Kurmes u. a., „High mobility In2O3:H as contact layer for a-Si:H/c-Si heterojunction and mc-Si:H thin film solar cells“, Thin Solid Films, Nr. 0, S. , 2015. [5] H. Scherg-Kurmes u. a., „Improvement of the homogeneity of high mobility In2O3:H films by sputtering through a mesh electrode studied by Monte Carlo simulation and thin film analysis“, Phys. Status Solidi A, Bd. 213, Nr. 9, S. 2310–2316, 2016.Die Aufgabe der TCO-Schicht in Dünnschichtsolarzellen ist sowohl der laterale Stromtransport zu den Metallkontakten als auch die Transmission elektromagnetischer Strahlung zum Solarzellenabsorber. Daher muss die TCO-Schicht nicht nur eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, sondern auch eine hohe optische Transparenz. Die elektrische Leitfähigkeit in einem TCO lässt sich nach dem Drude Modell mit folgender Formel berechnen [1]: σ=n_e eμ wobei ne die freie Ladungsträgerdichte symbolisiert, e die Elektronenladung und µ die Mobilität der Ladungsträger. Aus der Formel wird ersichtlich, dass eine hohe elektrische Leitfähigkeit entweder durch eine hohe Ladungsträgerdichte oder durch eine hohe Mobilität erreicht werden kann. Da die Absorption eines Materials im nahen Infrarotspektrum (NIR) proportional zur freien Ladungsträgerdichte ist, muss die Mobilität des Materials so hoch wie möglich sein, um eine gute elektrische Leitfähigkeit und eine geringe Absorption zu erreichen [2]. Daher ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung von hochbeweglichen (engl. high mobility) TCOs und deren Integration in Dünnschichtsolarzellen. Für a-Si:H/µc-Si:H-Tandemzellen wird als Standardrückkontakt und Rückreflektor Silber benutzt. In der Literatur wurde gezeigt, dass dieser kostenintensive Silberrückkontakt durch einen Rückkontakt aus einer TCO-Schicht und kommerziell erhältlicher weißer Farbe ersetzt werden kann [3]. Ziel dabei ist es die Kosten zu reduzieren und potentiell plasmonische Absorption am Silber zu verhindern. In dieser Arbeit wurde ein experimenteller Rückkontakt aus 600 nm bei 180 °C deponiertem AZO und kommerziell erhältlicher weißer Farbe entwickelt und mit dem Standardrückkontakt verglichen. In der Literatur wurden für IOH Mobilitäten von 130 cm2/Vs, Ladungsträgerdichten von 1,8x1020 cm-3 und eine Resistivität von 270 µΩcm bei einer Prozesstemperatur < 200 °C gezeigt [4]. Damit stellt IOH ein nahezu ideales TCO für die Verwendung als Kontaktschicht in Dünnschichtsolarzellen dar, da es niedrige optische Absorption und gleichzeitig hohe elektrische Leitfähigkeit bei Substrattemperaturen < 200 °C bietet. Daher wurde in dieser Arbeit ein Depositions- und Temperprozess für IOH entwickelt und optimiert. Durch Integration von IOH als Kontaktschicht in Dünnschichtsolarzellen lässt sich die Effizienz der Zellen steigern, wodurch die Herstellungskosten pro Watt peak (Wp) sinken [5]. Daher wird in dieser Arbeit die Integration von IOH sowohl als Frontkontakt in a-Si:H/c-Si Heterostrukturzellen und in CuInGa(Se)2-Zellen als auch als Rückkontakt für µc-Si:H-Zellen untersucht. Für CIGS- sowie für Heterostrukturzellen konnte durch Verwendung von IOH eine Erhöhung der Kurzschlussstromdichte erreicht werden, die bei Heterostrukturzellen auch zu einer Effizienzerhöhung führte. Als Abscheidetechnik wurde in dieser Arbeit die Kathodenzerstäubung (engl. sputtering) verwendet. Um diese Depositionsmethode besser zu verstehen und sie zu optimieren, wurden am TFD-Cluster der TU Berlin Particle-in-Cell Monte-Carlo-Simulationen des Plasmaprozesses durchgeführt. Dadurch konnten wichtige Prozessparameter wie die Elektronendichte und die Ionenenergien im Plasma eingehend untersucht werden. Aus diesen Simulationen können Erkenntnisse gewonnen werden, an welcher Stelle durch gezielte Anpassung dieser Größen im Plasmaprozess die Qualität der abgeschiedenen Schicht verbessert werden kann. So konnte durch Integration eines negativ vorgespannten Gitters in die Sputterkammer ein sanfter Depositionsprozess entwickelt werden, in dem durch hochenergetische Partikel verursachtes Plasmadamage am Substrat reduziert werden konnte. Referenzen: [1] P. Drude, „Zur Elektronentheorie der Metalle“, Ann. Phys., Bd. 306, Nr. 3, S. 566–613, 1900. [2] D. G. Thomas, „Infrared absorption in zinc oxide crystals“, J. Phys. Chem. Solids, Bd. 10, Nr. 1, S. 47 – 51, 1959. [3] B. Lipovsek, J. Krc, O. Isabella, M. Zeman, und M. Topic, „Analysis of thin-film silicon solar cells with white paint back reflectors“, Phys. Status Solidi C, Bd. 7, Nr. 3–4, S. 1041–1044, 2010. [4] T. Koida, H. Fujiwara, und M. Kondo, „Hydrogen-doped In2O3 as High-mobility Transparent Conductive Oxide“, Jpn. J. Appl. Phys., Bd. 46, Nr. 28, S. L685–L687, 2007. [5] R. Noufi, CIGS PV Technology: Challenges, Opportunities, and Potential. 2012