Zinc oxide / nanocrystalline silicon contacts for silicon heterojunction solar cells

Li, Huimin; Rau, Uwe; Knoch, Joachim

doi:HT020616342

Zinc oxide / nanocrystalline silicon contacts for silicon heterojunction solar cells = Zinkoxid / nanokristalline Siliziumkontakte für Silizium-Heterostruktur-Solarzellen

Li, Huimin^RWTH*

2020

VerantwortlichkeitsangabeHuimin Li

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2020

Umfang1 Online-Ressource (VIII, 135 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt ; 516

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Druckausgabe: 2020. - Onlineausgabe: 2020. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Knoch, Joachim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-12-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-09928
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/803863/files/803863.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
contacts (frei) ; nanocrystalline silicon (frei) ; silicon heterojunction solar cells (frei) ; zinc oxide (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die Silizium-Heteroübergangssolarzelle (SHJ) ist eine der vielversprechendsten Solarzellentechnologien und zieht aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades, ihres niedrigen Energieverbrauchs während der Produktion und ihres niedrigen Temperaturkoeffizienten große Aufmerksamkeit auf sich. Die Reduzierung der Produktionskosten ist eine Hauptherausforderung, um die Schwierigkeiten für die Massenproduktion zu überwinden. Die Nutzung reichlich vorhandener Materialien und kostengünstige, skalierbare Produktionsprozesse ist ein Weg Kosten zu reduzieren. Diese Arbeit untersucht die Möglichkeit standardmäßig genutztes Indiumzinnoxid(ITO) durch Al-dotiertes Zinkoxid (AZO) zu ersetzen, welches ein umweltfreundlicheres, reichlich vorhandenes und kostengünstigeres transparentes leitfähiges Oxid ist. AZO-Schichtenwerden mittels industrierelevanten Magnetron-Sputter-Prozessen bei niedrigen Temperaturen abgeschieden, welches gleichzeitig Skalierbarkeit und Kostenreduktion zukünftiger Prozesslinienermöglicht. In dieser Arbeit werden die optischen und elektronischen Eigenschaften von AZO-Schichten untersucht, die in SHJ Solarzellen in Rückenseitenemitter-Konfiguration eingebaut werden. Um die parasitäre Absorption der Fensterschicht zu verringern und einen guten Kontaktzwischen der dotierten Si-Schicht und AZO zu bilden, wurden anstelle der herkömmlichen dotierten hydrierten amorphen Si-Schichten (n-Typ oder p-Typ a-Si:H) dotierte hydrierte nanokristalline Si-Schichten (n-Typ oder p-Typ nc-Si:H) in die SHJ-Solarzellen implementiert. Die optischen und elektrischen Eigenschaften von dotierten nc-Si:H-Schichten und AZO-Filmen wurden für die Anwendung in SHJ Solarzellen optimiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss von gesputtertem AZO auf die Passivierungsqualität in Si-Schichtstapeln und die Kontakte an den Grenzflächen zwischen der AZO- und der p-Si-Schicht intensiv untersucht. Zudem wurde nach der Analyse der experimentellen Ergebnisse eine Verlustanalyse für die photovoltaischen Parameter Leerlaufspannung (Voc), Füllfaktor (FF), Serienwiderstand (Rs) und Stromdichte (J) von SHJ-Solarzellen durchgeführt. Verschiedene Kombinationen zwischen AZO und dotierten Si-Schichten wurden in SHJ Solarzellen getestet. Solarzellen mit einer Kombination aus AZO und dotierten amorphen Si-Schichten oder AZO und nc-Si:H-Schichten (n-Typ) arbeiteten einwandfrei. Jedoch wurden unter Beleuchtung stark s-förmige Photostromdichte-Spannungs-Kurven (J-V) für SHJ-Solarzellen mit einem AZO - nc-Si:H (p-Typ) Kontakt beobachtet. Die s-förmige J-V-Kennlinie ergab sich aufgrund einer Barriere an der Rückseite des Bauelements zwischen p-Typ nc-Si:H und AZO, die die Ladungsträgersammlung hemmte. Das Erhöhen der Dotierung in der nc-Si:H-Schicht (p-Typ)oder das Einfügen einer Keimschicht vor der nc-Si:H-Schicht (p-Typ) trugen zur Reduzierung der Kontaktbarriere bei. Eine Erhöhung der Dotierungskonzentration der AZO-Filme oder höhere Sputtertemperaturen bei der AZO-Abscheidung führten hingegen nicht zur Verringerung der Kontaktbarriere. Es wurde beobachtet, dass der AZO-Sputterprozess die Passivierungsqualität in den Zellstapeln während des Zellherstellungsprozesses beeinflusste. Daher wurden die Auswirkungen der Temperatur und des Drucks während der Sputterdeposition der AZO-Schicht auf die effektive Ladungsträgerlebensdauer für verschiedene Kombinationen von AZO- und dotierten Si-Schichten im Detail untersucht. Im Allgemeinen wurden nach der Abscheidung der Si-Schicht hohe effektive Ladungsträgerlebensdauern beobachtet, welche jedoch nach dem AZO-Sputterprozess signifikant kleiner wurden. Dieser schädliche Effekt des AZO-Sputterprozesses auf die effektive Ladungsträgerlebensdauer konnte durch einen nachträglichen Temperprozess vollständig beseitigt werden. Dies galt auch für bei Raumtemperatur gesputtertem AZO, welches das Potenzial dieser AZO-Schichten für die Anwendung in SHJ-Solarzellen verdeutlichte. Höhere Temperaturen beider AZO-Deposition führten zu einer Reduzierung oder Beseitigung der Lebensdauerdegradierung aufgrund von in-situ-Tempern. Die Variation des Drucks während der AZO-Deposition hat keinen Einfluss auf die Variation der Lebensdauer. Im Vergleich zu nc-Si:H-Schichten waren amorpheSi-Schichten weniger empfindlich gegenüber dem Einfluss des AZO Sputterns. Die Anwendung von AZO- und Si-Schichten aus nc-Si:H (n-Typ) und a-Si:H (p-Typ) führte zu einem Zellwirkungsgrad von 21,2% für eine 19 mm × 19 mm-Zelle mit Voc = 720 mV, Jsc =39,1 mA/cm² und FF = 75,4 %. Zudem wurde eine Zelleneffizienz von 19,3 % für eine großflächige 56,75 mm × 156,75 mm-Zelle mit Voc = 732 mV, Jsc = 36,2 mA/cm2 und FF = 72,8 %erreicht. Eine detaillierte Verlustanalyse der photovoltaischen Parameter der besten Solarzellewurde unter Berücksichtigung der theoretischen Grenzen durchgeführt. Der Voc-Verlust wurde hauptsächlich auf die Ladungsträgerrekombinationen an der Oberfläche und im Absorbermaterial(Shockley-Read-Hall) sowie auf die nicht optimale Ladungsträgerselektivität an den Kontaktgrenzschichten mit Siliziumschichtstapeln zurückzuführt. Die hauptsächlichen FF-Verluste konnten einem hohen Serienwiderstand und der Rekombination in der Raumladungszone zugeordnet werden. Der Serienwiderstand bestand hauptsächlich aus dem Serienwiderstand der Metallfinger und dem Kontaktwiderstand an der Grenzfläche zwischen der Si-Schicht (p-Typ) und der AZO-Schicht. Die Hauptursachen für die Verringerung der Kurzschlussstromdichte warenparasitäre Absorption im langwelligen und kurzwelligen Wellenlängenbereich, der Lichtaustritt an der Frontseite der Solarzelle und die Abschattung durch das Frontmetall. Die vorliegende Arbeit demonstriert das vielversprechende Potenzial in der Prozesskette der SHJ-Solarzellen-Herstellung standardmäßig genutztes ITO durch Al-dotiertes Zinkoxid (AZO) zu ersetzen, welches mittels industrierelevanten Magnetron-Sputter-Prozessen bei Raumtemperaturabgeschieden werden kann.

The silicon heterojunction (SHJ) solar cell is one of the most promising technologies and drawsintensive attention due to its high conversion efficiency with low temperature coefficient and lowenergy consumption in production. Reducing the cost of cell fabrication is one of the keychallenges to overcome for mass production. Usage of abundant materials and low-cost scalableproduction processes is a way to reduce cost. This work is focused on the replacement ofconventional indium tin oxide (ITO) with aluminum-doped zinc oxide (AZO), which is a moreenvironmentally friendly, abundant, and less costly transparent conductive oxide material. Layersof AZO were prepared with industrially relevant magnetron sputtering process at low temperatureto address both scalability and cost reduction for future production lines. Optical and electronicproperties of AZO implemented in rear-emitter SHJ solar cells is addressed in this study. To reduce parasitic absorption of the window layer and form proper contact between dopedsilicon (Si) layer and AZO, doped hydrogenated nanocrystalline Si (n-type or p-type nc-Si:H)layers were used in the SHJ solar cells instead of the conventional doped hydrogenated amorphousSi (n-type or p-type a-Si:H) layers. The optical and electrical properties of doped nc-Si:H layersand AZO films were optimized for the application in SHJ solar cells. Moreover, the influence ofAZO sputtering on the passivation quality of Si layer stacks was investigated and the contacts atthe interfaces between AZO and p-type Si layers were studied. Furthermore, loss analysis ofphotovoltaic parameters, such as open circuit voltage (Voc), fill factor (FF), series resistance (Rs),and short circuit current density (Jsc) of SHJ solar cells with AZO was carried out after theexperimental analysis.Various contact combinations between AZO and doped Si layers were tested in SHJ solar cells.It was observed that the solar cells with the combination of AZO and doped amorphous Si layersor n-type nc-Si:H layer operated properly. However, severe s-shaped illuminated current densityvoltage(J-V) curves were observed in SHJ solar cells when AZO was in contact with p-type nc-Si:H layers. The s-shaped J-V characteristic is a result of a carrier collection barrier at the rear sideof the device located at the interface between p-type nc-Si:H and AZO. Increasing the doping inp-type nc-Si:H layer or inserting a seed layer prior to the p-type nc-Si:H layer resulted insuppression of the contact barrier. However, increase of either the doping concentration or thesputtering temperature of AZO films did not contribute to the reduction of contact barrier. It was observed that the AZO sputtering process during cell fabrication affected the passivationquality of the cell stack. Thus, effects of AZO sputtering temperature and pressure on effectivecarrier lifetime were studied for various combinations of AZO and doped Si layers. Generally,high initial effective carrier lifetimes were observed after Si layer deposition, but the lifetimeswere significantly reduced upon AZO sputtering. However, the detrimental effect of AZOsputtering on the lifetime of Si layer stacks were eliminated completely by annealing especially for room temperature AZO sputtering process. It shows the application potential of roomtemperature sputtered AZO in SHJ solar cells. Increasing the AZO sputtering temperaturecontributed to the reduction or removal of effective carrier lifetime degradation due to in-situannealing. Variation of AZO sputtering pressure had no influence on the lifetime variation.Compared to nc-Si:H layers, amorphous Si layers were less sensitive to the influence of AZOsputtering. With the application of AZO and Si layers of n-type nc-Si:H and p-type a-Si:H, a cell efficiencyof 21.2 % for a 19 mm × 19 mm cell was achieved with Voc = 720 mV, Jsc = 39.1 mA/cm2 and FF= 75.4 %. A cell efficiency of 19.3 % for a large-area 156.75 mm × 156.75 mm cell was achievedwith Voc = 732 mV, Jsc = 36.2 mA/cm2 and FF = 72.8 %. The best cell results were analyzed forlosses with respect to the state-of-the-art theoretical limits. The loss in Voc is mainly due to therecombination at the surface and in the bulk (Shockley-Read-Hall), and due to the the non-optimalcarrier selectivity at the contact interfaces with silicon layer stacks. The loss in FF is mainly dueto the series resistance and the recombination in the non-optimal junction region. The seriesresistance is mainly due to the finger resistance and the contact resistance at the interface betweenp-type Si layer and AZO film. The loss in Jsc is primarily due to the parasitic absorption in theshort and long wavelength regions, the escape of long-wavelength light from the front side of solarcell, and the front metal shadowing. The present work demonstrates the feasibility to replace conventional ITO with aluminum dopedzinc oxide (AZO), which is prepared at room temperature with standard industrial magnetronsputtering technique, in the process chain of silicon heterojunction solar cells.

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