Laser processing for interdigitated back-contacted silicon heterojunction solar cells

Singh, Aryak; Rau, Uwe; Knoch, Joachim

doi:HT021561158

Laser processing for interdigitated back-contacted silicon heterojunction solar cells

Singh, Aryak^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Aryak Singh (M.Sc. Physics)

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak06

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-10-11

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-09441
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/854287/files/854287.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
laser ablation (frei) ; laser lithography (frei) ; photoluminescence lifetime imaging (frei) ; silcon solar cell (frei) ; silicon heterojunction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Heutige industrielle Solarmodule basieren entweder auf der Aluminum Back-Surface Field (Al-BSF) oder der Passivated Emitter and Rear Contact (PERC) Solarzelle. Beide besitzen aufgrund eines direkten Metall-Silizium-Kontakts, welcher eine hohe Dichte an elektronisch aktiven Defekten in der Bandlücke des Siliziums hervorruft, einen verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad. Um dieses Problem zu umgehen wurde in den letzten Jahren vermehrt der Einsatz von passivierten Kontakten untersucht - Kontakte, die mit einer ultradünnen a-Si:H (i) oder SiO2-Schicht zwischen Metall und Silizium ausgestattet sind, um sie elektronisch zu trennen. Diese Schichten ermöglichen sowohl den Transport von Ladungsträgern als eine Passivierung der Oberfläche des Siliziumwafers durch die Absättigung von offenen Bindungen. Bauelemente, die eine a-Si:H (i)-Schicht für den passivierten Kontakt verwenden, werden als Silizium-Heteroübergang-Solarzellen (silicon heterojunction - SHJ) bezeichnet. Beidseitig kontaktierte SHJ-Solarzellen versprechen nicht nur höhere Wirkungsgrade als heutige industrielle Solarzellen, sondern sind auch einfacher herzustellen als PERC-Solarzellen. In jüngster Zeit ist die Produktion von Modulen auf Basis von SHJ-Solarzellen gestartet. Auch wenn bereits mehrere Gruppen über hohe Wirkungsgrade von beidseitig kontaktierten SHJ-Solarzellen berichtet haben, schränkt die Art der Kontaktierung den Wirkungsgrad dieser Technologie ein. Dies liegt an parasitärer Absorption und Reflektion von Licht an den dotierten Schichten und Metallfingern auf der lichtzugewandten Seite. Beide Verlustmechanismen können durch die Platzierung der Kontakte auf der Rückseite der Solarzelle effektiv unterdrückt werden. Hierzu werden die Kontakte in einer Interdigitalstruktur ausgeführt. Unter Verwendung einer solchen Architektur meldete Kaneka im Jahr 2017 einen Weltrekordwirkungsgrad von >26 % für eine single-junction c-Si-Solarzelle. Jedoch gibt es derzeit aufgrund des komplexen Herstellungsablaufs für die Interdigitalstruktur keinen großtechnischen Einsatz für die s.g. Interdigitated Back-contacted Silicon Heterojunction Solarzelle (IBC-SHJ). Ziel dieser Arbeit war es daher, einen einfachen Herstellungsprozess für die IBC-SHJ-Solarzellen zu entwickeln, der auf industriell kompatiblen Methoden für eine großtechnische Umsetzung basiert. In der existierenden Literatur wurden die meisten IBC-SHJ-Solarzellen mit Hilfe der Photolithographie hergestellt - eine teure Methode mit geringem Durchsatz, die für die Photovoltaik (PV)-Industrie ungeeignet ist. Die Lasermikrobearbeitung ist eine skalierbare Technologie, die in einer Vielzahl von industriellen Prozessen Anwendung findet. Aufgrund der präzisen Art des Materialabtrags und der Kosteneffizienz kann die Laserablation ein attraktives Werkzeug für die industrielle Massenproduktion von IBC-SHJ-Solarzellen sein. In dieser Arbeit wurde die Ablation mit Nanosekunden- (λ=355nm) und Femtosekunden-Laserpulsen (λ=515nm, 1030nm) untersucht, um mit ultradünnen (<15nm) n- und p-dotierte amorphe Siliziumschichten eine Interdigitalstruktur herzustellen. Die Finger der Interdigitalstruktur bilden die Emitter- und Basiskontakte auf der Rückseite des Bauelements. Um den Einfluss des Laserabtrags auf die Passivierungsqualität der Proben zu untersuchen, wurde zunächst eine schnelle, ortsaufgelöste und kalibrierungsfreie Charakterisierungsmethode benötigt. Die dynamische bildgebende Photolumineszenz-Lebensdauer-Methode, welche kürzlich in der Fachliteratur veröffentlicht wurde, wurde hierzu angewendet. Die Methode leidet jedoch unter einem hohen Grad an Bildunschärfe, die durch Infrarot-Photonen verursacht wird. Diese Photonen werden im Inneren der Probe durch die strahlende Rekombination überschüssiger Ladungsträger erzeugt und bewegen sich mehrere cm durch das Material, bevor sie aus der Probe ausgekoppelt und schließlich detektiert werden. Dies ist besonders nachteilig bei der Analyse von lasergeschädigten Bereichen. Obwohl diese eine geringe Eigenemission besitzen können, ist es möglich, dass hier die Auskopplung der Infrarot-Photonen erhöht ist und fälschlicherweise hohe Lebensdauerwerte anzeigt werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde daher die dynamische Lebensdauermessung verbessert, indem der Unschärfeeffekt vermindert wurde. Dazu wurden die Art und das räumliche Ausmaß der Infrarot-Unschärfe simuliert. Es wurde theoretisch abgeschätzt, dass die Unschärfe in den dynamischen Lebensdauerbildern durch einen geeigneten Spektralfilter drastisch reduziert werden kann. Schließlich wurde experimentell nachgewiesen, dass durch die Anwendung eines solchen Filters die Weglänge der detektierbaren Lumineszenzphotonen innerhalb des Wafers erfolgreich von 80 auf unter 2 mm reduziert werden kann. Die so verbesserte dynamische Lebensdauermessung wurde anschließend in der Arbeit verwendet, um die Güte verschiedener Strukturierungssequenzen zu untersuchen. In SHJ-Solarzellen passiviert eine <5nm dicke a-Si:H(i)-Schicht die Oberflächenzustände mittels des in ihrer Matrix vorhandenen Wasserstoffs. Da Wasserstoff bei Temperaturen >250°C leicht aus der Schicht ausdiffundieren kann, stellt dies eine thermische Einschränkung während des Abtrags von dotierten amorphen Siliziumschichten dar, die auf den passivierenden a-Si:H(i)-Schicht aufgebracht sind. Um einen schädigungsfreien Laserabtrag der dotierten a-Si:H-Schichten (Basis- und Emitterbereiche) zu erreichen, wurden im zweiten Teil dieser Arbeit drei verschiedene Bearbeitungsansätze mit progressiv steigender Komplexität untersucht. i) Beim ersten Ansatz wurde direkt ein a-Si:H (i+n)-Schichtstapel prozessiert mit dem Ziel, die oberste a-Si:H (n)-Schicht selektiv zu entfernen, ohne die darunter liegende a-Si:H (i)-Schicht zu beeinträchtigen. ii) Für den zweiten Ansatz wurde eine dicke SiO2-Hartmaske auf dem a-Si:H (i+n)-Stapel abgeschieden. Diese Hartmaske wurde zunächst abgetragen und dann als Ätzresist verwendet, um das darunterliegende beschädigte Silizium nasschemisch wegzuätzen. iii) Für den dritten Ansatz wurde die SiO2-Hartmaske um eine zusätzliche a-Si:H (i)-Hartmaske ergänzt. Hierdurch sollte die durch die Laserpulse induzierte Schädigung innerhalb der a-Si:H (i)-Maske eingegrenzt werden. Die anschließende Strukturierung der darunterliegenden Schichten wurde wieder durch nasschemische Prozesse erreicht. Für jeden der Ansätze wurden mit Hilfe von Laser-Einzelpuls-Experimenten Ablationskrater hergestellt, deren strukturellen Eigenschaften sowie die Schwellfluenzen des Abtrags mittels Licht-, konfokalen und Rasterkraftmikroskopen untersucht wurden. Die auf dem Substrat induzierten Phasenänderungen - in und um den Krater - wurden mit Hilfe der Raman-Spektroskopie untersucht. Schließlich wurde die dynamische Lebensdauermessung, basierend auf der im vorherigen Abschnitt beschriebenen Filtermethode, eingesetzt, um den Einfluss der Laserbearbeitung auf die Minoritätsladungsträger-Lebensdauer der Probe zu beurteilen. Die mit SiO2+a-Si:H(i)-Hartmaske durchgeführte Bearbeitungssequenz ermöglichte erfolgreich eine beschädigungsfreie Strukturierung mit einzelnen und teilweise überlappenden Gauß-Laserpulsen. Bei diesem Ansatz wurden sowohl für die Femtosekunden- als auch für die Nanosekundenpulse Laserparameter ermittelt, bei denen der Abtrag nur in der oberen a-Si:H(i)-Maske begrenzt war. Am Ende dieser Untersuchung wurde sowohl der Femtosekunden- als auch der kostengünstige Nanosekundenlaser für die weitere Strukturierung der Emitter- und Basisregionen von IBC-SHJ-Zellen gewählt. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde eine weitere laserbasierte Strukturierungsmethode - die Laserlithographie - entwickelt und angewandt, um die Metallfinger auf den Emitter- und Basisregionen zu strukturieren und die Bauelementherstellung abzuschließen. Dies geschah, um eine völlig maskenfreie Strukturierung zu erhalten, die den Vorteil bietet, die Bauelementgeometrie für Untersuchungen im Forschungsmaßstab flexibel zu gestalten. Anschließend wurde unter Verwendung von Laserablation und Laserlithographie zur Strukturierung der dotierten a-Si:H-Schichten und der Metallfinger eine Proof-of-Concept IBC-SHJ-Solarzelle mit einem Wirkungsgrad von >17% demonstriert, die sowohl unter einer suboptimalen Geometrie- als auch nicht perfekten Dünnschichtabscheidebedingungen litt. Am Ende wurden die beiden Problemstellen des Bauelementes - i) eine hohe Dichte von mikroskopischen Löchern in den Hartmasken und ii) Unterätzung der SiO2-Hartmaske während des nasschemischen Ätzschritts - identifiziert und Vorschläge zur Milderung dieser Probleme sowie zur weiteren Optimierung des Bauelements im Ausblick gegeben. Mit dem funktionierenden Bauelement wurde ein Grundstein für die Herstellung von IBC-SHJ-Bauelementen gelegt, bei dem kostengünstige Prozesse verwendet werden und die Herstellung einfacher ist als bei aktuell in der Literatur eingesetzten laserbasierten Verfahren.

The current state-of-the-art industrial solar modules are based on either Aluminum Back-Surface Field (Al-BSF) or Passivated Emitter and Rear Contact (PERC) solar cell technologies. These inherently suffer from relatively low efficiency values due to the presence of direct metal-silicon contact in their design- which induces a high density of electronically active defects in the band-gap of silicon. In recent years, this issue has been tackled by the application of passivated contacts - contacts that feature with an ultra-thin a-Si:H (i) or SiO2 film between the metal and silicon to electronically separate them. This film, besides allowing the transport of charge carriers across the contact interface, also acts as a passivation layer by passivating the dangling bonds on the surface of the silicon wafer. Devices that use a-Si:H (i) film as the passivated contact are referred to as silicon heterojunction solar cells (SHJ). Silicon Heterojunction solar cells, in double-side contacted architecture, in addition to promising higher efficiencies than the current industrial solar cells, have a simpler processing sequence than the state-of-the-art industrial PERC technology, and modules based on these solar cells, have already entered production in recent times. Although multiple groups have reported high efficiency results with SHJ solar cells, nonetheless, the double-side configuration limits the fullest potential of this technology due to parasitic absorption and reflective losses- that occur in the doped layers and metal fingers- on the front side of the device. These losses can effectively be mitigated by placing both the contacts on the back-side, in the form of interdigitated fingers. Using such an architecture, in 2017, Kaneka report the world record efficiency of >26% for a single junction c-Si solar cell. However, given its complex fabrication sequence, no large-scale industrial process currently exists for the Interdigitated Back-contacted Silicon Heterojunction solar cells (IBC-SHJ) cell. The aim of this work was therefore, to develop a simple fabrication process for the IBC-SHJ solar cells based on industrially compatible methods for large-scale production.In the existing literature, most of the IBC-SHJ solar cells have been fabricated using photolithography - a high-cost, low throughput method which is unsuitable for the photovoltaic (PV) industry. Laser micromachining is a scalable technology that finds application in a wide range of industrial processes. Due to its precise nature of material removal and cost effectiveness, laser ablation can be an attractive tool for industrial mass production of IBC-SHJ solar cells. In this thesis, ablation by nanosecond (λ=355nm) and femtosecond (λ=515nm, 1030nm) laser pulses has been investigated for patterning ultra-thin (<15nm) n-type and p-type doped amorphous silicon films into thin interdigitated fingers. These flingers form the emitter and base contacts at the rear of the device. At the outset, to study the impact of laser ablation on the passivation quality of the samples, a fast, spatially-resolved and calibration-free characterization method was first required. The dynamic photoluminescence lifetime imaging method, recently reported in literature, was adopted for this application. This method however, suffers from a high degree of image blurring caused by the migration of luminescent infrared photons. These photons are generated inside the sample by the radiative recombination of excess charge carriers, and migrate tens of cm away before being extracted from the sample and finally detected. This is especially disadvantageous for analyzing laser-damaged areas which, despite having less emittance of their own, can easily increase the out-coupling of these infrared photons and erroneously show high-lifetime values in the damaged regions. In the first part of this work therefore, the dynamic lifetime imaging was improved by diminishing the blurring effect. To do this, the nature and spatial extent of infrared blurring was simulated. It was theoretically estimated that the blurring in the dynamic lifetime images could be drastically reduced using an appropriate spectral filter. Finally, it was experimentally demonstrated that through the application of such a filter, the migration length of detectable luminesce photons inside the wafer can be successfully reduced from 80 to below 2mm. This improved imaging technique was then used throughout this thesis to study the efficacy of different patterning approaches. In SHJ solar cells, a <5nm thick a-Si:H (i) film passivates the surface states by means of hydrogen present in its matrix. Since hydrogen can easily out-diffuse from the film at temperatures >250°C, this puts a thermal constraint on the ablation of doped amorphous silicon films, that are present on top of the passivating a-Si:H (i) film. To achieve a damage-free laser ablation of the doped a-Si:H films (back-surface field and emitter regions), three different processing sequences, with progressively increasing complexity, were explored in the second part of this thesis. i) The first sequence was done directly on a stack of a-Si:H (i+n) layer with the aim to selectively remove the top a-Si:H (n) film without hampering the underlying a-Si:H (i) layer. ii) In the second sequence, a thick SiO2 hard-mask layer was deposited on the a-Si:H (i+n) stack. This was first ablated and then used as an etch resist, to wet-chemically etch away the underlying damaged silicon. iii) In the third sequence, an additional a-Si:H (i) hard-mask layer was deposited on top of the SiO2 hard-mask, in order to contain the damage induced by laser pulses within the a-Si:H (i) mask. The subsequently patterning of the underlying films was achieved by wet chemical processes. For each processing sequence, structural properties of the crater formed on the precursor sample by single-shot laser pulses were observed and characterized for their threshold fluence of ablation using light, confocal and atomic force microscopes. The phase changes induced on the substrate- in and around the crater- were identified and explained using Raman spectroscopy. Finally, the photoluminescence dynamic lifetime imaging, based on the filter method described in the previous section, was utilized to assess the impact of laser processing on the minority charge carrier lifetime of the sample. The processing sequence perused with SiO2+a-Si:H(i) hard-mask structure, successfully allowed for a damage-free patterning of with single and partially overlapping Gaussian pulses. For this sequence, laser parameters were determined for both the femtosecond and the nanosecond pulses, in which ablation was confined only in the top a-Si:H(i)-mask. At the end of this investigation, the femtosecond and the cost-effective nanosecond laser were both chosen to pattern the emitter and back-surface field regions of IBC-SHJ cells. In the last part of this work, to pattern the metal fingers on top of the emitter and back-surface filed regions and complete the device fabrication, another laser-based patterning method – laser lithography - was developed and applied in this work. This was done to have an end-to-end mask-less patterning sequence, that give the advantage of flexibly designing the device geometry for investigations at research scale. Subsequently, by using laser ablation and laser lithography, to respectively pattern the doped a-Si:H films and metal fingers, a proof-of-concept IBC-SHJ solar cell with an >17% efficiency, was demonstrated with sub-optimal geometry and thin film deposition conditions. At the end, the two bottlenecks for the device result – i) a high density of pin-holes in the hard-mask layers and ii) under-etching below the SiO2 hard-mask during wet-chemical etching step- were identified and suggestions to mitigate these issues, and additionally, to further optimize the device were provided in the outlook. Thus, with this working device, a foundation stone was laid for fabricating the IBC-SHJ devices, using cost-effective tools and with simpler than contemporary laser-based processing approaches in literature.

OpenAccess:
PDF
(additional files)