DIFFUSED SURFACES FOR CRYSTALLINE SILICON SOLAR CELLS – PROCESS DEVELOPMENT, CHARACTERIZATION, AND MODELING

Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Technischen Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau vorgelegt von

Achim Kimmerle angefertigt am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE Freiburg im Breisgau

2015

Dekan:

Prof. Dr. Georg Lausen

Referent:

Prof. Dr. Eicke R. Weber

Koreferent:

Prof. Dr. Leonhard Reindl

Prüfungskommission

Prof. Dr. Eicke R. Weber Prof. Dr. Leonhard Reindl Prof. Dr. Oliver Paul Prof. Dr. Oliver Ambacher

Datum der Prüfung:

9.7.2015

Schriftenreihe der Reiner Lemoine-Stiftung

Achim Kimmerle

Diffused Surfaces for High Efficiency Silicon Solar Cells Process Development, Characterization, and Modeling

Shaker Verlag Aachen 2015

Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the Internet at http://dnb.d-nb.de. Zugl.: Freiburg, Univ., Diss., 2015

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ISBN 978-3-8440-3820-0 ISSN 2193-7575 Shaker Verlag GmbH • P.O. BOX 101818 • D-52018 Aachen Phone: 0049/2407/9596-0 • Telefax: 0049/2407/9596-9 Internet: www.shaker.de • e-mail: [email protected]

Abstract This work investigates the formation, application, and analysis of highly doped near surface regions in crystalline silicon solar cells. The standard method to extract the recombination parameter J0 and the carrier lifetime in the base substrate from lifetime measurements of samples exhibiting diffused surfaces is revised, adapted and tested on simulation and measurement data sets. A method is developed that applies updated physical models, is in well agreement with modern simulation tools, extends the application on a wider range of base substrates, and enables the comparability of J0 analyzed by different authors and on different base substrates. An analytical model for solar cells with locally contacted passivated rear side is adapted to account for injection dependent effects and tested against numerical simulations. The adaption enables modeling devices which are, on the one hand, influenced by injection dependent material parameters and, on the other hand, leave the low-level injection regime. The effective surface recombination velocity of holes at highly phosphorus-doped surfaces is evaluated and parameterized in dependence of the surface dopant concentration for two industrially relevant passivation schemes, both for planar and alkaline textured surfaces. The results show increased recombination at textured surfaces in respect to planar surfaces for low dopant concentrations. The parameterization is applicable in simulation tools that apply Fermi-Dirac statistics together with a well-accepted model for band-gap narrowing. New processes to form deep driven-in phosphorus diffusions with low surface concentrations in one single process step are developed. Low recombination activity of J0 = (18 to 38) fA/cm2 is achieved, promising for the application in crystalline silicon solar cells. A simulation of the recombination behavior in dependence of the process parameters gives additional insight for further development of diffusion processes. A lean, industrially feasible sequence to produce back-contact back-junction solar cells featuring a non-passivated aluminum alloyed emitter is developed. The presented solar cell process requires only one high temperature diffusion step without the need of further dopant sources or diffusion masks. The contacts are applied by screen-printing and the emitter is formed by aluminum-alloying. A first experimental evaluation is presented that leads to a conversion efficiency of 20.1 %. A simulation study based on experimentally achieved recombination parameters shows a potential conversion efficiency of 22.6 % and the impact of the developed strategy to reduce the recombination at the aluminum alloyed emitter.

Zusammenfassung Diese Arbeit untersucht die Herstellung, Anwendung und Analyse von hoch-dotierten Oberflächen in kristallinen Silicium-Solarzellen. Die Standardmethode zur Bestimmung der Dunkelsättigungsstromdichte J0 und der Basislebensdauer aus quasistatischen Lebensdauermessungen wird untersucht, angepasst und anhand von Simulationen und Messdaten evaluiert. Die Weiterentwicklung verwendet aktuelle physikalische Parameter, stimmt dadurch mit aktuellen Simulationsprogrammen überein, erweitert die Anwendbarkeit auf verschiedene Basissubstrate und erhöht die Vergleichbarkeit der erhaltenen Werte zwischen verschiedenen Autoren und Experimenten. Ein analytisches Modell zur Beschreibung von Solarzellen mit lokalen Kontakten auf der Rückseite wird auf injektionsabhängige Effekte angepasst und mit numerischen Simulationen verglichen. Das neue Modell ermöglicht die Modellierung von Solarzellen, die von injektionsabhängigen Parametern beeinflusst werden bzw. sich nicht in Niedriginjektion befinden. Die effektive Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der Defektelektronen an hoch phosphordotierten Oberflächen wird für zwei industrielle Passivierschichten auf sowohl planen als auch texturierten Oberflächen in Abhängigkeit der Oberflächenkonzentration bestimmt und parametrisiert. Die Ergebnisse zeigen eine erhöhte Rekombination an texturierten gegenüber planen Oberflächen bei niedrigen Dotierkonzentrationen. Die Parametrisierung ist für die Verwendung in Simulationsprogrammen geeignet. Neue Prozesse zur Erzeugung tief eingetriebener Phosphorprofile mit niedrigen Oberflächenkonzentrationen in einem einzigen Prozessschritt werden entwickelt. Niedrige Rekombinationsparameter von J0 = (18 bis 38) fA/cm2 werden erreicht, vielversprechend für die Anwendung in kristallinen Siliciumsolarzellen. Die Simulation des Rekombinationsverhaltens in Abhängigkeit der Prozessparameter ermöglicht ein erweitertes Verständnis für die Weiterentwicklung der Prozesse. Ein kurzer, industriell umsetzbarer, Herstellungsprozess für rückseitig kontaktierte und –sammelnde Solarzellen mit Aluminium legiertem Emitter wird entwickelt. Der vorgestellte Prozess benötigt lediglich einen Hochtemperaturschritt zur Dotierung ohne weitere Diffusionsquellen oder -Masken. Die Kontakte werden mittels Siebdruck aufgebracht und der Emitter direkt aus der Aluminiumpaste legiert. Eine erste experimentelle Realisierung führt zu einem Solarzellenwirkungsgrad von 20.1 %. eine Simulationsstudie basierend auf experimentellen Daten zeigt ein Effizienzpotential von 22.6 % und den Einfluss der entwickelten Methode zur Verringerung der Ladungsträgerrekombination am Emitter.

Table of Contents 1

Introduction

1

1.1

Background ................................................................................................ 1

1.2

Thesis Outline ............................................................................................ 3

2

Fundamentals

5

2.1

Applied Physical Models ........................................................................... 5

2.2

Characterization Methods ........................................................................ 12

2.3

Recombination Properties of Diffused Surfaces ...................................... 14

2.4

Analysis of the Surface Recombination by QSSPC ................................. 19

2.5

Analytical Model for PERC Solar Cells .................................................. 21

2.6

Preliminary Solar Cell Concept ............................................................... 24 J0-analysis of QSSPC-Measurements

3

30

3.1

Introduction ............................................................................................. 30

3.2

Surface Recombination Velocity from QSSPC Measurements................ 32

3.3

J0-analysis Methods ................................................................................. 39

3.4

Impact on the J0-Analysis of Symmetrical Samples ................................ 43

3.5

Experimental Comparison on Symmetrical Lifetime Samples ................ 52

3.6

Impact on J0-Analysis of Asymmetrical Samples .................................... 56

3.7

Experimental Comparison on Asymmetrical Lifetime Samples .............. 60

3.8

Conclusion ............................................................................................... 65

4

Analytical Modeling of locally contacted Solar Cells

67

4.1

Introduction ............................................................................................. 67

4.2

Injection Dependent Model...................................................................... 67

4.3

High-Level Injection Effects .................................................................... 70

4.4

Comparison to Numerical Simulations .................................................... 71

4.5

Results ..................................................................................................... 72

4.6

Conclusion ............................................................................................... 79

5

Recombination Velocity of Phosphorus Diffused Surfaces

80

5.1

Introduction ............................................................................................. 80

5.2

Experimental Setup .................................................................................. 81

5.3

Results ..................................................................................................... 82

Introduction

5.4 6

Conclusion ............................................................................................... 93 In-Situ Oxidation for Advanced Doping Processes

94

6.1

Introduction ............................................................................................. 94

6.2

Experimental Setup.................................................................................. 94

6.3

Results ..................................................................................................... 95

6.4

Predictive Modeling .............................................................................. 101

6.5

Conclusion ............................................................................................. 103

7

8

iii

Back-Contact Back-Junction Solar Cell with Al-Alloyed Emitter 104 7.1

Introduction ........................................................................................... 104

7.2

Proof of Concept Cell Batch .................................................................. 104 7.2.1 Desired Solar Cell Process Sequence ........................................ 104 7.2.2 Analysis of Different Process Steps .......................................... 111 7.2.3 Parallel Resistance .................................................................... 118 7.2.4 Solar Cell Characteristics .......................................................... 122

7.3

Simulation of Solar Cell Parameters ...................................................... 131 7.3.1 Simulation Setup ....................................................................... 131 7.3.2 Consideration of Contact and Metal Resistivity ........................ 133 7.3.3 Influence of Pitch Contact Distance .......................................... 138 7.3.4 Influence of Emitter Structuring................................................ 139 7.3.5 Influence of Base Resistivity..................................................... 142

7.4

Conclusion ............................................................................................. 144 Summary

147

Appendix: Carrier Statistics in Highly Doped Silicon

150

Bibliography

153

List of Publications

163

List of Constants, Symbols, and Acronyms

166

Acknowledgment

173