Nanocrystalline silicon carbide in transparent passivating contact solar cells

Eberst, Alexander; Rau, Uwe; Weeber, Arthur

doi:HT031420254

Nanocrystalline silicon carbide in transparent passivating contact solar cells = Nanokristallines Siliziumkarbid in transparenten passivierenden Kontakt-Solarzellen

Eberst, Alexander^RWTH*

2026

VerantwortlichkeitsangabeAlexander Eberst

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-95806-891-9

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/energy & environment ; 696

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Druckausgabe: 2026. - Onlineausgabe: 2026. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Weeber, Arthur (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01935
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1028877/files/1028877.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gradientenschicht (frei) ; Heißdraht-Chemische Gasphasenabscheidung (frei) ; Silizium-Solarzelle (frei) ; Siliziumkarbid (frei) ; Sputter-Schäden (frei) ; gradient layer (frei) ; hot wire chemical vapor deposition (frei) ; silicon carbide (frei) ; silicon solar cell (frei) ; sputter damage (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Als Material für den Frontkontakt von Silizium-Heterostruktur-Solarzellen (engl. silicon heterojunction, SHJ) hat sich Stickstoff-dotiertes hydriertes nanokristallines Siliziumkarbid (nc-SiC:H(n)) als überlegene Alternative zu hydriertem amorphem Silizium (a-Si:H) erwiesen. Seine gesteigerte optische Transparenz minimiert die parasitäre Lichtabsorption in den Frontkontaktschichten signifikant und führt so zu einer gesteigerten Stromerzeugung in der Solarzelle. Zudem weist nc-SiC:H(n) exzellente elektrische Eigenschaften und herausragende Passivierungsfähigkeiten auf, insbesondere in Kombination mit nasschemisch erzeugtem Siliziumoxid (SiOX). Der Einsatz dieses Doppelschicht-Ansatzes, bekannt als transparenter leitfähiger Kontakt (engl. transparent passivating contact, TPC), ermöglicht Umwandlungseffizienzen von bis zu 23.99% bei hohen Stromdichten von 40.9 mA/cm² .Trotz der vorteilhaften Materialeigenschaften von nc-SiC:H(n) zeigt der TPC-Ansatz im Vergleich zur herkömmlichen SHJ-Solarzelle eine Verringerung des Füllfaktors (FF) und der Leerlaufspannung (VOC), obwohl die implizite Leerlaufspannung (iVOC) auf vergleichbarem Niveau liegt. Vorläufige Analysen deuten darauf hin, dass der reduzierte FF durch die passivierende nc-SiC:H(n)-Schicht verursacht wird, was detailliertere Untersuchungen erfordert. Der Unterschied zwischen VOC und iVOC ist auf die Schädigung der Passivierungwährend der Abscheidung des transparenten leitfähigen Oxids (engl. transparent conducting oxide, TCO) mittels Kathodenzerstäubung zurückzuführen. Dieser Prozess ist noch unzureichend erforscht und bedarf einer umfassenden Analyse. In dieser Arbeit werden die opto-elektrischen Eigenschaften von hochqualitativem nc-SiC:H(n), deponiert mittels Heißdraht-Gasphasenabscheidung (engl. hot wire chemical vapor deposition, HWCVD), untersucht. Es zeigt sich, dass Abscheidebedingungen, die zu niedrigen Depositionsraten führen, sowohl die elektrische Leitfähigkeit als auch die optische Bandlücke verbessern, was auf größere Kristallite in den Schichten zurückzuführen ist. Hierbei ist das Ätzen durch Wasserstoffradikale der primäre aktive Mechanismus während der Deposition. Weitere Untersuchungen konzentrieren sich auf die Passivierungseigenschaften in Abhängigkeit der Filamenttemperatur, dem Abstand zwischen Filament und Substrat sowie dem Wasserstoffgehalt der Schichten, der von der Filamenttemperatur, der Wasserstoffverdünnung und dem Gesamtgasfluss abhängt. Eine niedrigere Filamenttemperatur maximiert sowohl die Passivierung, als auch den Wasserstoffgehalt in den Schichten. In weiteren Experimenten werden verschiedene Parameter der Solarzelle in Abhängigkeit von der Dicke der nc-SiC:H(n)-Schichten innerhalb des TPCs analysiert. Es zeigt sich, dass die leitfähige Schicht, nach Überschreitung einer minimalen Grenzschichtdicke, nur einen geringen Einfluss auf die Leistung der Solarzelle hat. Lediglich der FF verschlechtert sich leicht mit zunehmender Schichtdicke. Die Dicke der passivierenden nc-SiC:H(n)-Schicht hingegen stellt einen erheblichen Kompromiss zwischen FF und iVOC dar, welcher sorgfälltig abgewägt werden muss. Als Lösungsansatz wird eine Gradientenschicht mit kontinuierlich wechselnden Materialeigenschaften, von passivierend zu leitfähig, eingeführt. Dies führt zu einer signifikanten Verringerung der Dicke der passivierenden Schicht und einer Steigerung der Umwandlungseffizienz der Solarzelle auf 24.20%. Die zweite große Herausforderung für TPC-Solarzellen ist die reduzierte VOC nach der Deposition des TCOs. Um die zugrundeliegenden Prozesse der Schädigung der Passivierung zu untersuchen, werden experimentelle Ansätze und Simulationen kombiniert. Es sind weder Veränderungen der Mikrostruktur festzustellen, noch haben die Gasatmosphäre oder die Substratheizertemperatur während der Kathodenzerstäubung einen negativen Einfluss auf die Passivierung der Proben. Die Abdeckung der Probe mit Filtergläsern unterschiedlicher Transmission für die Plasmalumineszenz führt nicht zu einer Degradierung. Somit kann diese als Schädigungsmechanismus ausgeschlossen werden. Simulationen des Elektronenstrahls auf der Probe zeigen, dass die Elektronen nur begrenzt in die Probe eindringen. Experimentell zeigt sich, dass keine Degradation untergezielter Bestrahlung mit Elektronen auftritt. Während der Kathodenzerstäubung dringen Sauerstoffionen, im Vergleich zu anderen vorhandenen Ionentypen, am tiefsten in die Probe ein. Doch auch hier ist die Penetration nur oberflächlich. Zusätzlich werden verschiedene Sekundäreffekte, die unter Ionenbeschuss auftreten können, diskutiert. Erzeugte Leerstellen im Gitter des Siliziumkarbids haben hohe Aktivierungsenergien, weshalb angenommen wird, dass ein Ausheilen des Schadens bei den üblicherweise angewandten niedrigen Temperaturen keinen Einfluss hat. Es wird angenommen, dass durch Ionisation generierte Elektronen eine ähnliche Wirkung wie der bereits untersuchte Elektronenstrahl haben und daher keinen Einfluss auf die Passivierung zeigen. Jedoch könnte ein Multi-Phononen-Streuprozess genug Energie aufbringen, um grenzflächennahen Wasserstoff an der Oberfläche des kristallinen Siliziums zu verschieben und so die Passivierung zu schädigen. Allerdings bleibt ein möglicher Einfluss durch ultraviolette Strahlung, die durch das Auftreffen der Ionen auf die nc-SiC:H(n)-Schicht generiert wird, untersucht. Abschließend wird festgestellt, dass die zuvor als unheilbar eingestufte Schädigung der Passivierung vollständig durch thermisches Ausglühen ausgeheilt wird. Allerdings sind die dafür benötigten Temperaturen so hoch, dass sie die Passivierung des a-Si:H auf der Solarzellenrückseite schädigen.

Nitrogen-doped hydrogenated nanocrystalline silicon carbide (nc-SiCX:H)(n) emerges as a superior alternative to hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) as the front contact material in silicon heterojunction (SHJ) solar cells. Its enhanced transparency, significantly reduces parasitic absorption in the front contact layers leading to an increased current generation in solar cells. Furthermore, nc-SiCX:H(n) exhibits exceptional electrical properties and passivation capabilities, especially when combined with wet-chemically grown silicon oxide (SiOX). Utilizing the double-layer nc-SiCX:H(n) transparent passivating contact (TPC) approach as a front contact in SHJ solar cells results in power conversion efficiencies of 23.99% and impressive current densities of 40.9 mA/cm².However, despite the advanced material properties of nc-SiCX:H(n), the TPC approach leads to a reduced Fill Factor (FF) and open-circuit voltage (VOC) compared to standard SHJ cells, although with comparable implied open-circuit voltages (iVOCs). Preliminary findings suggest that the reduced FF may lies in limitations imposed by the applied passivating nc-SiCX:H(n) layer, necessitating further investigation. The contrast between the iVOC of the precursor and the VOC of the solar cell is attributed to the passivation damage induced during the transparent conductive oxide (TCO) sputtering process, an area yet to be fully understood and requiring a deeper analysis. Additionally, methods to restore this induced damage need further exploration. This thesis re-examines the opto-electrical properties of hot wire chemical vapor deposition (HWCVD)-grown nc-SiCX:H(n), focusing on a high-quality material. Detailed analyses reveal that conditions favoring low deposition rates improve both the electrical conductivity and the optical bandgap, attributed to larger crystallites in thin films. Hydrogen radical etching emerges as a critical mechanism during layer growth. The investigation extends to the passivation capabilities influenced by the filament temperature and their distance to the substrate, and hydrogen content variations due to changes in the filament temperature, hydrogen dilution, and total gas flow rate. Lower filament temperatures enhance passivation and hydrogen content, with the latter peaking at lower hydrogen dilutions and intermediate total gas flow rates. Subsequently, this thesis investigates the effects of varying layer thicknesses of both conducting and passivating nc-SiCX:H(n) layers. Although thicker conducting layers marginally affect the FF beyond a certain threshold, a notable trade-off between iVOC and FF is observed with the passivating nc-SiCX:H(n) layer. To address this, a gradient layer with gradually shifting properties from passivating to conducting is introduced. This approach can significantly reduce the thickness of the passivating layer, enhancing the best solar cell efficiency to 24.20%.The second major challenge for TPC solar cells is the reduced VOC post-TCO deposition. A combination of experimental and simulation methods clarifies the damage mechanisms. The microstructure of the nc-SiCX:H(n) layer is established to remain unaffected during sputtering. Experiments rule out the sputter atmosphere and process heating as sources of degradation. By shielding parts of the sample with filters with varying transmissions, it is determined that plasma luminescence does not deteriorate the passivation quality of the TPC stack. Electron beam simulations and experiments show limited penetration and no degradation impact. Among the ions present during sputtering, oxygen exhibits the deepest penetration into the material, yet is confined to the first nanometers. Various secondary effects of the ion impact are debated. While vacancies are considered to have activation energies too high for low-temperature annealing for passivation restoration, electrons generated from ionization impacts are already excluded as damage sources. The sputter-induced damage is hypothesized to result from a multi-phonon scattering process, displacing hydrogen at the crystalline silicon interface. However, the effect of radiation from ion impacts within the nc-SiCX:H(n) layer remains unexplored. Remarkably, it is discovered that the previously deemed irreparable sputter damage can be fully restored through thermal annealing. Nevertheless, the temperatures required for nc-SiCX:H(n) restoration are too high, compromising the passivation quality of a-Si:H.

OpenAccess:
PDF
(additional files)