Development and Characterisation of Highly Efficient p-type Crystalline Silicon MWT-PERC Solar Cells

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung hocheffizienter, kristalliner Siliciumsolarzellen mit p-dotierter Basis. Es wurde eine industriell umsetzbare Zellstruktur entwickelt, welche die Vorteile rückseitiger Kontaktierung mit denen der Oberflächenpassivierung vereint und Metal Wrap Through Passivated Emitter and Rear Cell (MWT-PERC) genannt wird. In mehreren Entwicklungszyklen wurde die Effizienz kontinuierlich gesteigert. Der erzielte Effizienzvorteil gegenüber herkömmlichen Solarzellen beträgt 1,5% absolut bzw. 8% relativ. Die eingeführten Vereinfachungen der Struktur und der Herstellungssequenz ermöglichen eine kostengünstige industrielle Produktion der MWT-PERC-Solarzellen. Der zuverlässige Betrieb nach Moduleinkapselung wurde durch spezifische Untersuchungen und Optimierungen der Kontaktkonfiguration und des Verhaltens unter Rückwärtsspannung sichergestellt. Insbesondere im Bereich der MWT-spezifischen Durchkontaktierungen sowie an den rückseitigen n-Kontakten können Verluste auftreten. Diese kritischen Punkte wurden gezielt untersucht und im Zuge der Entwicklung von Struktur und Herstellungssequenz optimiert. Bei Verwendung angepasster Prozesse und Kontaktgeometrien sind die MWT-spezifischen Verluste nahezu vernachlässigbar. Die erreichten Wirkungsgrade für großflächige Solarzellen betragen 18,2% für multikristallines Silicium, 20,2% für monokristallines Czochralski-Silicium und 20,6% für monokristallines Floatzone-Silicium. Auf Basis einer detaillierten Charakterisierung wurde ein Modell zur Abschätzung von Wirkungsgradsteigerungen bei Integration technologischer Fortschritte entwickelt. Für MWT-PERC-Solarzellen aus p-dotiertem Silicium wird mittelfristig ein Wirkungsgrad von über 21% erwartet. Dieser Wert steigt auf über 21,5%, sofern die Ausbildung von Bor-Sauerstoff-Komplexen verhindert wird. Neben der reinen Zellentwicklung wurden im Rahmen der Arbeit auch weiterführende Ideen erarbeitet und untersucht. So wurde die Grundlage für eine fortschrittliche, zellintegrierte Bypassfunktionalität geschaffen, welche die Verluste in einem teilabgeschatteten Photovoltaikmodul verringert und zudem die Gefahr einer lokalen Überhitzung beseitigt. Eine weitere Neuentwicklung ermöglicht die lokale Kontaktausbildung an der Solarzellenrückseite während des Kontaktfeuerprozesses mittels lokal applizierter, durchfeuernder Pasten. Diese Alternative zu den bislang verfügbaren Kontaktierungsverfahren erfordert weder eine Strukturierung der Passivierungsschicht, noch ein lokales Laserlegieren der rückseitigen Aluminiumschicht. Die vorliegende Dissertation ist die erste umfassende Arbeit zu MWT-PERC-Solarzellen. Die Erkenntnisse und das entwickelte Zellkonzept leisten einen maßgeblichen Beitrag zur Effizienzsteigerung und Kostensenkung bei der industriellen Herstellung kristalliner Siliciumsolarzellen. Die entwickelten Verbesserungen in Metallisierung und Passivierung sind zudem auf herkömmlich kontaktierte Solarzellen übertragbar.This thesis presents the development of high-efficiency solar cells with crystalline p-type silicon base. An industrially applicable structure was developed that combines the advantages of surface passivation with those of a rear contact cell structure. The structure is called Metal Wrap Through Passivated Emitter and Rear Cell (MWT-PERC). The conversion efficiency of the fabricated solar cells was increased successively during several development cycles. The resulting efficiency gain compared to conventional solar cells is 1.5% absolute or 8% relative. The developed simplifications of cell structure and process sequence allow for a cost effective production of MWT-PERC solar cells. Specific characterisation and optimisation of the contact configuration and the reverse bias behaviour ensures reliable operation after module encapsulation. MWT specific losses may arise especially from the vias and the rear n-type contacts. Therefore, these areas were investigated in detail and optimised during the development of the process sequence and the implementation of simplifications. When using appropriately adapted processes, MWT related losses are negligible. The maximum conversion efficiency for large area solar cells achieved within this work is 18.2% for cast multicrystalline silicon, 20.2% for monocrystalline Czochralski-grown silicon and 20.6% for monocrystalline float-zone silicon base material. Based on a detailed characterisation of the fabricated solar cells, a model was implemented that allows for predicting the efficiency after integrating technological improvements. The conversion efficiency of industrially manufactured MWT-PERC devices with monocrystalline p-type silicon base is expected to exceed 21% in the medium term. If the formation of recombination active boron-oxygen complexes is suppressed, the expected conversion efficiency increases to more than 21.5%. Besides the development of the MWT-PERC structure itself, novel ideas that are of general interest have been developed. A concept for integrated bypass areas in silicon solar cells has been established. The resulting bypass functionality has the ability to increase the power output of a partly shaded module and, in addition, eliminates the danger of hot-spot formation due to uncontrolled reverse breakdown. A second newly developed concept allows for the formation of local rear contacts during contact firing by applying a special fire-through paste. In contrast to currently established rear contact technologies, this approach requires neither structuring of the passivation layer nor local laser firing of the rear aluminium layer. The present thesis is the first comprehensive work on MWT-PERC devices. Its findings contribute decisively to the further development of highly efficient and industrially producible silicon solar cells. The developed improvements in contact formation and surface passivation are not only relevant for MWT structures but also for solar cells with conventional contact configuration