Single side contacted amorphous crystalline silicon heterojunction solar cells : from wafers to thin-film

Diese Arbeit beschreibt Teilschritte auf dem Weg zu hocheffizienten kristallinen Silizium-Dünnschichtsolarzellen auf Glas unter der Verwendung von Silizium-Heterokontakten. Dabei wurden zunächst Kontaktsysteme auf kristallinen Siliziumwafern als Modellstruktur entwickelt und optimiert und anschließend die Erfahrungen für die Entwicklung von ähnlichen Kontaktsystemen für neuartige flüssigphasenkristallisierte Silizium-Dünnschichtsolarzellen genutzt. Die Charakterisierung und Simulation dieser Dünnschichtsolarzellen bildete die Voraussetzung um den Herstellungsprozess und die Eigenschaften der kristallinen Absorberschichten und der vergrabenen Siliziumgrenzfläche auf der Glas zugewandten Seite zu verstehen und zu verbessern. In dieser Arbeit durchgeführte eindimensionale numerische Simulationen einer Silizium-Heterokontaktsolarzelle mit rückseitigem pn-Übergang zeigen, dass für dünne Absorber ( deutlich unter 100 μm) die optimale Dotierstoffkonzentration tendenziell höher liegt als für Absorber mit Schichtdicken im Bereich von 150 μm bis 300 μm, wie sie bei waferbasierten Solarzellen üblich sind. Außerdem sinkt bei dünneren Absorbern die Anforderung an die Vorderseitenpassivierung. Durch die Verwendung eines n-dotierten Siliziumabsorbers, zusammen mit der Verwendung von Siliziumoxid als direkte Kontaktschicht zum Absorber, wurde eine deutliche Verbesserung der elektrischen Passivierung der vergrabenen Grenzfläche erreicht. Dies stellt einen Durchbruch für auf kristallinem Silizium auf Glas basierende Solarzellen dar. Es wurden erstmals Leerlaufspannungen über 600mV gezeigt für diesen Typ von Solarzellen gezeigt. Mit einem Höchstwert von 656 mV liegt die Leerlaufspannung nun auf dem Niveau von waferbasierten Ansätzen. Mit der Implementierung von bekannten, effektiven Lichteinfangstrukturen und der weiteren Optimierung des Kontaktsystems für das Erreichen hoher Füllfaktoren, sollten kristalline Silizium-Dünnschichtsolarzellen auf Glas mit Wirkungsgraden über 15 % möglich werden.This work describes sub-steps towards high-efficiency crystalline silicon thin-film solar cells on glass using silicon heterojunctions. Contact systems based on crystalline silicon wafers were developed and optimised as a model system. Based on this, dedicated contact systems have been developed for a new type of silicon thin-film solar cells, namely solar cells based on liquid phase crystallised (LPC) silicon thin-film absorbers. The solar cells have been characterised and simulations have been performed to understand the properties of the crystalline thin-film absorber and the buried silicon interface on the glass side. One-dimensional numerical computer simulations of a back contacted silicon heterojunction solar cell conducted in this work show that for very thin silicon absorber layers (well below 100 µm), the optimum doping concentration is higher than for silicon absorber layers in the range of 100-200 µm which are commonly used for wafer based solar cells. Furthermore, with thinner absorber layers, the requirements of the front side passivation become lower. By using n-doped silicon as absorber material, together with the use of silicon dioxide as direct contact layer to the absorber, a clear enhancement of the passivation of the buried interface could be reached. This represents a breakthrough for crystalline silicon solar cells on glass. Open-circuit voltages up to 600 mV have been shown for this type of solar cells. With a peak value of 656 mV, open-circuit voltages of wafer based solar cells are being challenged. Next steps towards highly efficient crystalline silicon solar cells are the implementation of well-known effective light trapping schemes and the optimisation of the contact system to reach high fill factors. With this, crystalline silicon thin film solar cells on glass with efficiencies above 15% are in reach