Interdigitated back contacts solar cell based on thin crystalline silicon substrates

Abstract

This thesis contributes to the fabrication technology of c-Si solar cells on thin substrates based on Interdigitated Back-Contacted (IBC) structures. The potential of this structure to obtain high efficiencies is well-known. However, important challenges should be addressed to adapt it to thin c-Si substrates, such as the manufacturing of the thin c-Si substrate itself, light absorption enhancement, device structure design, surface passivation, etc. Focused on these challenges, experiments and simulations have been carried out, including innovative thin c-Si substrate fabrication method Millefeuille process, novel IBC solar cell structures combining laser doping and silicon heterojunction technologies and thin IBC solar cell performance prediction through simulation. Finally, a 30 µm thick c-Si solar cell is fabricated by thinning down a finished device applying a silicon etching technique that combines dry and wet etching. Considering the Millefeuille process, based on the technological know-how the impact of both modulated profile and periodicity of silicon pores on the generated thin layer quality is explored and the results are visualized by SEM images. Furthermore, the solid-void transformation evolution during the high temperature annealing reveals the pore status at 35, 60 and 90 minutes, allowing a deeper understanding of the practical silicon atomic surface diffusion and the shape evolution. In order to find a viable and promising device structure that can be used in case of thin silicon substrates, a hybrid p-type solar cell structure is reported. In this case, emitter is based on silicon heterojunction technology while the base contacts are created by laser processing Al2O3/SiCx films. Special attention of the compatibility of both technologies has been paid in the proposed fabrication process including emitter region re-passivation and contact metallization. This work provides a new approach for achieving low-temperature high efficiency c-Si solar cells, as well as a novel pathway compatible to the fabrication of IBC devices based on thin c-Si substrate.In parallel with experimental progress, the simulation on thin c-Si IBC solar cell is carried out for performance study and prediction involving two typical rear surface doping structures: fully- and locally-doped. Simulation results of fully-doped structure reveal an efficiency potential of 16-17 % for thin c-Si IBC solar cell based on substrates of 10-15 µm without changing the technology developed for thick ones. Regarding the locally-doped structure, its performance is less tolerant to the degradation of front surface passivation. Additionally, a strong reduction of short-circuit current related to stronger requirements in the effective diffusion length is also deduced. Finally, a reduction of saturation current density, probably related to a change in the distribution of current that flow parallel to the rear surface, is also observed when the device is slimmed down. Next, a thin IBC c-Si solar cell efficiency potential is explored through rear contacts pitch study and the highest conversion efficiency is expected when contact pitches are minimum in the range of study. Finally, efforts are paid to get a thin c-Si solar cell through thinning down an already finished device of thick substrate. A silicon etching process based on RIE and wet chemical etching is proposed. Different experiments demonstrate that the front surface can be successfully repassivated after etching process. Additionally, random pyramids are created on that surface and the optical response of thin c-Si substrates is measured revealing a potential photogenerated current in the range of 40 mA/cm2 for 30 µm-thick substrates. Applying all these techniques to a final device, a 12.1 % efficiency is achieved and the front surface recombination velocity is deduced to be 1500 cm/s by comparing EQE with simulation results.

Esta tesis contribuye a la tecnología de fabricación de células solares de silicio cristalino (c-Si) en sustratos delgados basados en estructuras interdigitadas de contacto posterior (IBC). El potencial de esta estructura para obtener altas eficiencias es bien conocido, pero deben abordarse desafíos importantes para adaptarlo a sustratos finos de c-Si como son: la fabricación del propio sustrato delgado de c-Si, la mejora de la absorción de luz, el diseño de la estructura del dispositivo, la pasivación superficial, etc. Centrándose en estos desafíos, en esta tesis se han llevado a cabo experimentos y simulaciones que incluyen: mejora del método innovador de fabricación de sustratos de c-Si fino Millefeuille, estructuras novedosas de células solares IBC compatibles con sustratos delgados y predicción del rendimiento de células solares delgadas IBC mediante simulación. Finalmente, se ha fabricado una célula solar de c-Si de 30 µm de espesor adelgazando un dispositivo terminado.Considerando el proceso de Millefeuille, se ha explorado el impacto del perfil modulado y la periodicidad de los poros de silicio en la calidad de la capa delgada generada. Además, se ha observado mediante SEM la evolución del poro durante el recocido a alta temperatura, lo que permite una comprensión más profunda de la difusión de la superficie atómica del silicio y la evolución de la forma.Con el fin de encontrar una estructura de dispositivo viable y prometedora que se pueda usar en el caso de sustratos de silicio delgado, se ha desarrollado una estructura de célula solar de tipo p híbrida. En este caso, el emisor se basa en la tecnología de heterounión de silicio, mientras que los contactos de base se crean mediante el procesado láser de capas de Al2O3/SiCx. Se ha prestado especial atención a la compatibilidad de ambas tecnologías en el proceso de fabricación propuesto alcanzándose eficiencias del 19 %.Paralelamente al progreso experimental, se ha llevado a cabo simulación en células solares finas IBC de c-Si con el objetivo de predecir su rendimiento para dos estructuras típicas de dopaje en la superficie posterior: dopado total y dopado local. Los resultados de la simulación de la estructura completamente dopada revelan un potencial de eficiencia del 16-17% para las células solares finas IBC basadas en sustratos de 10-15 µm sin cambiar la tecnología desarrollada para las gruesas. Con respecto a la estructura con dopado local, se deduce una fuerte reducción de la corriente de cortocircuito relacionada con unos requisitos más fuertes en la longitud de difusión efectiva. Finalmente, también se observa una reducción de la densidad de la corriente de saturación, probablemente relacionada con un cambio en la distribución de la corriente que fluye paralelamente a la superficie posterior cuando el dispositivo se adelgaza. A continuación, se explora la eficiencia de la célula solar delgada IBC de c-Si a través del estudio de la distancia de los contactos traseros. La mayor eficiencia de conversión se espera cuando la distancia entre contactos es mínima en el rango de estudio (200-250 µm).Finalmente, se fabrica una célula solar delgada de c-Si mediante el adelgazamiento de un dispositivo ya terminado en un sustrato grueso. Se propone un proceso de ataque de silicio basado en una combinación de RIE más ataque químico húmedo. Diferentes experimentos demuestran que la superficie frontal puede ser repasivada exitosamente después del proceso de ataque. Además, se crean pirámides aleatorias en esa superficie y se mide la respuesta óptica de los sustratos finos de c-Si revelando un potencial de corriente fotogenerada en el rango de 40 mA/cm2 para sustratos de 30 µm de espesor. Aplicando todas estas técnicas a un dispositivo final, se logra una eficiencia del 12,1% y se deduce que la velocidad de recombinación de la superficie frontal es de 1500 cm/s comparando la EQE con los resultados de la simulación