Silicon heterojunction solar cells obtained by Hot-Wire CVD

Abstract

El elevado coste de producción de los módulos de silicio cristalino (c-Si) dificulta el progreso de la industria fotovoltaica como una alternativa viable para la producción de energía limpia. Por esta razón, los fabricantes de células solares buscan diferentes alternativas para conseguir la deseada reducción de costes. Una opción es reducir el grosor de las obleas (<200 m) para obtener así más obleas por lingote. Sin embargo, al reducir el grosor del sustrato es indispensable reducir también la recombinación superficial ya que ésta es crítica para mantener altas eficiencias en los dispositivos. Aunque la superficie del c-Si puede pasivarse eficientemente mediante una oxidación térmica, las obleas delgadas tiendan a doblarse en estos procesos de alta temperatura (~1000°C). También el silicio multicristalino de bajo coste sufre una fuerte degradación del tiempo de vida en el volumen a alta temperatura. Por este motivo, han ganado un especial interés los métodos alternativos de pasivación a baja temperatura.<br/>En concreto, las células solares de heterounión en que se utilizan capas de silicio amorfo (a-Si:H) depositadas a baja temperatura sobre obleas de c-Si han ganado interés en la comunidad fotovoltaica debido a su alta eficiencia y rentabilidad. Sanyo ha conseguido eficiencias de más del 19% en módulos producidos industrialmente con la estructura denominada HIT. La novedad de este dispositivo es la introducción de una capa de silicio amorfo intrínseco muy delgada (5nm) entre el c-Si y la capa dopada para reducir la velocidad de recombinación en la interfaz y conseguir tensiones de circuito abierto mayores que 700mV. La mayoría de grupos, incluido Sanyo, usan el depósito químico en fase vapor asistido por plasma de radiofrecuencia (PECVD) para obtener el silicio amorfo. Recientemente, la técnica de depósito asistida por filamento caliente (HWCVD) ha demostrado un gran potencial para fabricar células de heterounión de alta eficiencia. En la técnica HWCVD, además de algunas ventajas tecnológicas, la ausencia de bombardeo iónico reduce el daño en la superficie del c-Si mejorando así las propiedades en la interfaz.<br/>En este trabajo, hemos concentrado nuestro esfuerzo en la optimización de todos los pasos de fabricación para obtener células solares de heterounión obtenidas por HWCVD en un proceso completamente desarrollado a baja temperatura (200ºC). Primero, hemos optimizado el material obtenido por HWCVD variando los diferentes parámetros de depósito (presión, temperaturas de filamento y sustrato, flujos de hidrógeno y silano, nivel de dopaje) para obtener silicio amorfo y microcristalino de buena calidad. Se han conseguido buenas propiedades estructurales, eléctricas y ópticas tanto para material intrínseco como en capas dopadas. <br/>Posteriormente, hemos optimizado el emisor de heterounión sobre sustratos tipo p de c-Si. En particular, se ha estudiado en profundidad la influencia de la capa intrínseca de a-Si:H así como de diferentes pretratamientos superficiales del c-Si. Se han realizado estudios de microestructura con Espectroscopía por Elipsometría Óptica, y medidas de pasivación mediante Fotoconductancia en Estado Cuasiestacionario. Estos estudios han permitido optimizar los precursores de células solares hasta obtener tensiones implícitas de circuito abierto por encima de 690mV. Luego se ha desarrollado el electrodo frontal atendiendo a los requerimientos ópticos y eléctricos. Se ha optimizado la capa antirreflectante (Oxido de Indio dopado con Estaño) en términos de resistividad (<4×10-4cm) y de reflectancia. Después se ha diseñado el peine metálico frontal intentando obtener un buen compromiso entre resistencia serie y factor de sombra. Finalmente, se han fabricado células solares completas con una eficiencia de conversión de hasta el 15.4% sobre obleas de silicio CZ tipo p. En estos dispositivos se ha utilizado un contacto posterior de aluminio recocido a alta temperatura (Al-BSF).<br/>Por otra parte, hemos investigando la posibilidad de sustituir los contactos posteriores de Al-BSF por contactos depositados a baja temperatura basados en capas de silicio amorfo dopadas con boro obtenidas por HWCVD. Hemos estudiado la influencia de los diferentes parámetros de depósito así como el efecto de intercalar una capa intrínseca delgada. Hasta el momento, las células solares con doble heterounión fabricadas completamente por HWCVD han alcanzado una eficiencia de conversión del 14.5% en un proceso completo a baja temperatura (<200º C). Considerando el carácter preliminar de estos dispositivos, éste es un punto de partida realmente prometedor para células solares de heterounión bifaciales fabricadas por HWCVD. The cost of high efficiency crystalline silicon (c-Si) modules is hindering the progress of the PV industry as a viable alternative for clean energy production. Therefore, cell manufacturers are searching different approaches that could allow the desired cost reduction. For instance, considering that c-Si wafers represent about 30-50% of the module price, the final cost would be significantly reduced by using very thin c-Si wafers (< 200 μm). However, when decreasing the c-Si thickness the rear surface recombination becomes important. Although thermal oxidation very effectively passivates the c-Si surface, thin wafers tend to warp at the high temperatures (~1000 °C) involved in the process. On the other hand, low cost multicrystalline silicon wafers are not compatible with high temperature steps due to strong lifetime degradation. Therefore, low temperature surface passivation schemes have gained special interest due to their compatibility with both thin and low quality c-Si substrates.<br/>Heterojunction solar cells with thin hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) films deposited at low temperature on c-Si wafers have attracted the interest of the photovoltaic community due to their high-efficiency and cost-effective fabrication process. Sanyo Electric Co. has reported conversion efficiencies (η) over 19% for mass produced solar cells with the so-called Heterojunction with Intrinsic Thin-layer (HIT) structure. In this device a very thin (5 nm) intrinsic a-Si:H buffer reduces interface recombination, which leads to impressing open-circuit voltages (Voc) over 700 mV. Most groups, included Sanyo, use the Plasma-Enhanced CVD technique to grow the a-Si:H films. Recently, the Hot-Wire CVD (HWCVD) technique has also demonstrated its potential to fabricate high-efficiency heterojunction silicon solar cells. In the HWCVD technique, besides some technological advantages, the absence of ion bombardment reduces the damage to the c-Si surface.<br/>In this work, we have concentrated our effort in optimizing all the fabrication steps to obtain heterojuction solar cells by HWCVD in a completely low temperature process (200ºC). First, we have optimized the material deposited by HWCVD varying the different deposition parametres (pressure, filament temperature, Hydrogen and Silane flows, doping level, substrate temperature) in order to obtain good quality a-Si:H and c-Si:H layers. Intrinsic and doped materials with good structural, electrical and transport properties have been obtained. Second, we have concentrated our effort in optimizing the heterojunction emitter on p-type c-Si substrates. In particular, the importance of the thin intrinsic a-Si:H buffer and the influence of hydrogen pre-treatments was deeply studied by means of the Spectroscopic Ellipsometry and Quasy-Steady-State Photoconductance techniques. These studies have allowed to obtain solar cell precursors with implicit open circuit voltages higher than 690 mV. Later on, the optimization of the front contact was performed. On the one hand, the indium-tin-oxide transparent conductive coating was optimized to obtain a very low resistivity (<4×10-4 ·cm) and good antireflection properties. Furthermore, the front metal grid was also optimized in terms of the series resistance and shadowing. Last, complete solar cells with conversion efficiency up to 15.4% have been fabricated on flat p-type (14 Ω·cm) CZ silicon wafers with a high temperature aluminum back-surface-field (Al-BSF) contact. <br/>Finally, we have proceeded to investigate low temperature deposited back contacts based on boron-doped amorphous silicon films obtained by Hot-Wire CVD to replace traditional high temperature Al-BSF contacts. The influence of the deposition parameters and the use of an intrinsic buffer layer have been considered. To date, double-side heterojunction solar cells by HWCVD with conversion efficiencies of 14.5% have been already obtained in a fully low temperature process (<200ºC). Considering the preliminary character of these devices, this is a very promising starting point for a further increase in the conversion efficiency of bifacial Heterojunction Solar cells fabricated by HWCVD.