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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-73723
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7372/


Granek, Filip

High-efficiency back-contact back-junction silicon solar cells

Hocheffiziente rückseitenkontaktierten Silizium-Solarzellen

Dokument1.pdf (3.294 KB) (md5sum: e16733861331858f2feea763c9f34c49)

Kurzfassung in Englisch

In this thesis high-efficiency back-contact back-junction (BC-BJ) silicon solar cells for one-sun applications were studied. The focus was put on the development of a low-cost and industrially feasible manufacturing technology in order to utilize the full cost reduction potential of this elegant cell structure. At the same time the performance of the developed solar cells was investigated in details by experimental work, analytical modeling and numerical device simulations. The complex and costly photolithography masking steps were replaced by techniques which are of low cost and relevant for mass production, such as screen-printing of the masking layers and local laser ablation of the dielectric and silicon layers. The highest solar cell efficiency of 21.1 % (JSC = 38.6 mA/cm^2, VOC = 668 mV, FF = 82.0 %) was achieved on 160 um thick 1 Ohm cm n-type FZ Si with the designated area of 4 cm^2. A detailed study of the loss mechanisms limiting the efficiency of the developed back-contact back-junction silicon solar cell was performed. The reduction of the cell efficiency was determined to be 3.9 %abs. due to recombination processes, 2.0 %abs. due to optical losses, 0.3 %abs. due to series resistance effects and 0.7 %abs. due to electrical shading. The developed model of the loss mechanisms is a powerful tool for the further optimization study of the solar cell structure. Positive effects of the phosphorus doped n+ front surface field (FSF) on the performance of the BC-BJ solar cells were studied in details. These effects are: (i) Surface passivation and passivation stability: The optimal surface passivation was obtained with a deep diffused Gaussian phosphorus FSF doping profile with sheet resistance of 148 Ohm/sq. In contrast to solar cells without the FSF diffusion, the solar cells with the FSF diffusion profile did not show any performance degradation under exposure to UV illumination. (ii) Lateral current transport: The front diffused n+ layer can be seen as a parallel conductor to the lateral base resistance. This way the lateral base resistance losses can be reduced. (iii) Low-illumination performance: The front surface field improves the performance of the BC-BJ solar cells under low illumination intensity. Therefore the BC-BJ cells with FSF seem to be the best ones suited for achieving a high energy yield when also operating under low illumination intensity.


Kurzfassung in Deutsch

Im Rahmen dieser Arbeit wurden hocheffiziente rückseitig kontaktierte und rückseitig sammelnde (BC-BJ) Silicium-Solarzellen für Anwendungen bei einer Beleuchtungsintensität von einer Sonne untersucht. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Entwicklung eines preiswerten und industriell umsetzbaren Herstellungsprozesses, um das Kosteneinsparungspotential dieser neuartigen Zellstruktur auszunutzen. Ebenfalls wurden die elektrische Eigenschaften der Zellen und die zugrunde liegenden physikalischen Effekte durch verschiedener Experimente sowie analytischen und numerischen Simulationen detailliert untersucht. Die komplexen und kostspieligen photolithographischen Maskierungsschritte sind dabei durch einfachere und preiswertere Techniken für die industrielle Massenproduktion, wie siebgedruckte Maskierungsschichten und lokale laserunterstützte Abtragung von dielektrischen Schichten und Silicium, ersetzt worden. Der beste Solarzellenwirkungsgrad von 21.1 % (Kurzschlussstromdichte 38.6 mA/cm^2, Leerlaufspannung 668 mV, Füllfaktor 82.0 %) wurden bei einer 160 um dicken, auf 1 Ohm cm n-typ FZ Silicium prozessierten Solarzelle mit eine Aperturfläche von 4 cm^2 erreicht. Eine ausführliche Betrachtung der Verlustmechanismen, welche die Effizienz der untersuchten rückseitig sammelnden und rückseitig kontaktierten Solarzellen limitieren, wurde durchgeführt. Die Verringerung der Zelleffizienz beträgt aufgrund von Rekombinationsprozessen 3.9 % absolut, 2.0 % absolut aufgrund von optischen Verlusten, 0.3 % absolut aufgrund von Serienwiderstandseffekten und 0.7 % absolut aufgrund elektrischer Abschattung. Das entwickelte Modell der Verlustmechanismen ist ein mächtiges Werkzeug, um die Struktur der Solarzellen weiter zu verbessern. Der positive Effekt eines Phosphor-dotierten n+ „front surface fields (FSF) auf die Leistungscharakteristik der BJ-BC Solarzellen ist weiterhin im Detail untersucht worden Diese Effekte beinhalten: (i) Oberflächenpassivierung und die Passivierungsstabilität: Die optimale Obereflächenpassivierung wurde mit einem tief eingetriebenen Gauss-förmigen Phosphor FSF Dotierprofil mit einem Schichtwiderstand von 148 Ohm/sq erreicht. Im Vergleich zu Solarzellen ohne einem zusätzlichen FSF Diffusionsprofil, zeigten Solarzellen mit einem FSF Diffusionsprofil keine Degradation der Solarzellenleistung unter UV-Beleuchtung. (ii) Laterale Stromtransport: Die hochdotierte n+-Schicht kann als paralleler Leiter zur lateralen Basisleitung betrachtet werden. Dadurch können der laterale Widerstand der Basis reduziert werden. (iii) Leistung unter Schwachlichtverhältnissen: Das hochdotierte FSF verbessert die Leistungscharakteristik der BC-BJ Solarzellen bei schwachen Beleuchtungsstärken. Daher sind diese hier untersuchten BC-JC Solarzellen mit zusätzlichem FSF hervorragend geeignet, um eine hohe Stromausbeute auch unter Schwachlichtbedingengen zu erreichen.


SWD-Schlagwörter: Solarzelle , Silicium , Photovoltaik
Freie Schlagwörter (englisch): Solar cell, Silicon, Photovoltaics
PACS Klassifikation 84.60.Jt , 88.40.H- , 88.40.jj
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Paul, Oliver (Prof. Dr.)
Quelle: Verlag Dr. Hut, München, 2009
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 31.07.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 07.04.2010
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