Nanokristalline Silizium- und Siliziumoxid-basierte Kontaktschichten für Silizium-Heterokontakt Solarzellen

Abstract

Crystalline-silicon solar cells are presently the main technology to supply the rapidly growing market for competitive photovoltaic electricity. To drive conversion efficiency of such cells further up, silicon heterojunction (SHJ) solar cells are promising. This thesis addresses strategies to improve the efficiency of such cells by the integration of nanocrystalline silicon (nc-Si:H) and nanocrystalline silicon oxide (nc-SiOx:H) contact layers grown by plasma enhanced chemical vapor deposition, replacing the commonly used amorphous silicon (a-Si:H) contact layers. The aim is to take advantage of both the improved charge carrier transport and contact resistance and a reduced parasitic absorption. The key challenge is to develop very thin, highly crystalline layers that require fast nucleation. As prerequisite, we first had to establish a reference process with p-doped a-Si:H with a high degree of reproducibility. With this we reached a conversion efficiency of 21.3%. We investigated the relation between deposition gas composition, optoelectronic material properties and structural features of (p)nc-Si:H films on cell stacks. The a-Si:H passivation layer growth regime (slight epitaxial or fully amorphous) is relevant for the nanocrystalline evolution and critically influences the fill factor (FF) and open circuit voltage of completed solar cells. Furthermore, nc-Si:H layers exhibited the ability to enhance surface passivation similarly to what was found with post-deposition hydrogen plasma treatment. A CO2 plasma treatment of the (i)a-Si:H surface prior to the emitter deposition was optimized as method to fast nucleate the thin nc-Si:H films without deteriorating the underlying passivation. The combination of optimized deposition parameters, plasma treatments and film thickness resulted in solar cells exhibiting an open circuit voltage of 727 mV, a short circuit current density of 38.9 mA/cm2, a FF of 74.6% and a conversion efficiency of 21.1%. The optical interaction between the incoming light and the multilayer stack placed on the illuminated side of the c-Si absorber was simulated varying the doped contact material (a-Si:H, nc-Si:H, nc-SiOx:H and doping type) in stack with (i)a-Si:H passivation and In2O3:Sn layers. We identified the optimal film thickness and refractive index as function of the substrate texture to maximize the generated current. The use of a tailored nc-SiOx:H layers allowed for the creation of a stack with refractive indexes that consecutively decreases from silicon to the ambient air resulting in a high short circuit current density of 40.4 mA/cm2 with a gain of 2 mA/cm2 as compared to using the (p)a-Si:H reference, but with limited FF of 72.9%. The causes of the FF limitations experimented were ascribed to both the poor contact to the front transparent conductive oxide and the initial stage of growth of the thin nc-Si:H emitter. Finally, an alternative procedure showed the potential to overcome both problems by passivating the silicon wafer surfaces with an ultra-thin amorphous silicon oxide film growth by PECVD. An exceptionally high crystalline volume fraction of 72% was measured in a thin layer on a cell stack. Preliminary cells exhibited a high FF and reduced current loss but a low open circuit voltage due to insufficient passivation. However, the approach opens up perspectives to further exploit the full potential of nc-Si:H contact layers.Kristalline Silizium-Solarzellen sind derzeit die wichtigste Technologie, um den schnell wachsenden Markt für wettbewerbsfähigen Photovoltaik-Strom zu bedienen. Um den Wirkungsgrad dieser Solarzellen weiter zu steigern, sind Solarzellen basierend auf einem Silizium Hetereoübergang (SHJ) vielversprechend. Diese Doktorarbeit befasst sich mit Strategien zur Effizienzsteigerung dieses Zelltyps. Dafür werden nanokristalline Silizium- (nc-Si:H) und nanokristalline Siliziumoxid- (nc-SiOx:H) Kontaktschichten, welche mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) abgeschieden werden, verwendet. Diese Schichten ersetzen die für gewöhnlich verwendeten Kontaktschichten aus amorphem Silizium (a-Si:H). Das Ziel ist, von dem verbesserten Ladungsträgertransport und Kontaktwiderstand als auch der reduzierten parasitären Absorption zu profitieren. Die Hauptherausforderung ist die Entwicklung sehr dünner, hoch kristalliner Schichten, welche eine schnelle Nukleation aufweisen. Zunächst war es notwendig einen Referenzprozess für SHJ Solarzellen mit p-dotierten a-Si:H Emittern mit einem hohen Grad an Reproduzierbarkeit zu etablieren. Damit erzielten wir einen Wirkungsgrad von 21,3%. Wir untersuchten daraufhin den Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung des Depositionsgases, den optoelektronischen Materialeigenschaften und strukturellen Eigenschaften von (p)nc-Si:H Schichten auf Zellstapeln. Das Wachstumsverhalten der a-Si:H Passivierungsschicht (entweder epitaktisch oder vollständig amorph) ist ausschlaggebend für die nanokristalline Entwicklung und beeinflusst wesentlich den Füllfaktor und die Leerlaufspannung der Solarzelle. Ähnlich der Nachbehandlung mit einem Wasserstoffplasma führt die Abscheidung nanokristalliner Schichten zu einer verbesserten Oberflächenpassivierung. Eine CO2 Plasmabehandlung der (i)a-Si:H Oberfläche wurde vor der Emitter-Abscheidung durchgeführt. Diese Behandlung wurde im Hinblick auf die Emitter Nukleation optimiert, wobei die Qualität der Passivierung der darunterliegenden Schicht unverändert bleiben sollte. Die Kombination aus optimierten Depositionsparametern, Plasmabehandlungen und Filmdicken resultierte in Solarzellen, welche eine Leerlaufspannung von 727 mV, eine Kurzschlussstromdichte von 38,9 mA/ cm2, einen Füllfaktor von 74,6% und einen Wirkungsgrad von 21,1% aufwiesen. Der Schichtstapel auf der beleuchteten Seite des c-Si Absorbers wurde optisch simuliert. Dabei wurde das dotierte Kontaktmaterial (a-Si:H, nc-Si:H, nc-SiOx:H und Dotiertyp) im Stapel mit (i)a-Si:H Passivierung und der ITO Schichten variiert. Wir ermittelten die optimale Filmdicke und den optimalen Brechungsindex als Funktion der Substrattextur in Hinblick auf eine maximale Stromstärke. Die Verwendung geeigneter nc-SiOx:H Schichten erlaubte die gezielte Reduktion des Brechungsindex-Übergangs vom Silizium zur Luft. Damit konnte eine im Vergleich zur (p)a-Si:H Referenz um 2 mA/cm2 höhere Kurzschlussstromdichte von 40,4 mA/cm2 erreicht werden, wobei der Füllfaktor auf 72,9% begrenzt war. Diese Füllfaktorbegrenzung wurde einer schlechten Kontaktierung des Vorderseiten-TCOs und dem unzureichenden initialen Wachtumsverhaltens (Nukleation) des dünnen Emitters zugeschrieben. Die Passivierung der Silizium-Waferoberfläche mit einer ultradünnen, amorphen PECVD Siliziumoxid-schicht bietet potentiell die Möglichkeit beide o.g. Probleme zu umgehen. Ein sehr hoher kristalliner Volumenanteil von 72% konnte in dünnen Schichten auf Zellstapeln gemessen werden. Erste Solarzellen weisen einen hohen Füllfaktor und einen verringerten Stromverlust auf. Allerdings ist die Leerlaufspannung aufgrund einer geringen Passivierungsqualität niedrig. Dennoch eröffnet dieser Ansatz neue Perspektiven, um das Potential von nc-Si:H basierten Kontaktschichten vollständig auszuschöpfen.EC/FP7/ENERGY/OptiSolar Projec