Printable boron dopant sources for silicon solar cells

Media type: E-Book

Title: Printable boron dopant sources for silicon solar cells

Contributor: Huyeng, Jonas D. [Verfasser]; Glunz, Stefan [Akademischer Betreuer]; Keding, Roman Johannes [Akademischer Betreuer]; Glunz, Stefan [Sonstige]; Reindl, Leonhard M. [Sonstige]

Corporation: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Nachhaltige Technische Systeme ; Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Angewandte Wissenschaften

imprint: Freiburg: Universität, 2022

Extent: Online-Ressource

Language: English

DOI: 10.6094/UNIFR/223536

Identifier:

Keywords: Silicon solar cells ; Solarzelle ; Sol-Gel ; Dotierung ; Siebdruck ; Fotovoltaik ; Fotovoltaikindustrie ; Rückkontaktsolarzelle ; Borsilikatglas ; Diffusion ; Doping ; Screen printing ; Interdigitated back-contact ; Back contact back junction ; Solar cell ; (local)doctoralThesis

Origination:

University thesis: Dissertation, Universität Freiburg, 2020

Footnote:

Description: Abstract: Der Fokus dieser Arbeit ist die Analyse und Anwendung druckbarer Borsilikatglas Sol-Gel Pasten, für die vereinfachte Herstellung fortschrittlicher Siliciumsolarzellen. Eine Kombination verschiedener Messmethoden wird verwendet, um diese flüssige Dotierstoffquelle, die Anwendbarkeit für das Siebdruckverfahren und damit hergestellte Dünnfilme zu untersuchen. Das beinhaltet Rheologie, Mikroskopie und Spektroskopie in unterschiedlichen Verfahren (REM, AFM, ICP-OES, SIMS, Ellipsometrie, FTIR). Hierdurch wurde gezeigt, dass die gedruckten Schichten in Borsilikatglasfilme umgewandelt werden können. Die additiv gedruckten und thermisch ausgeheizten Strukturen werden mittels Lichtmikroskopie untersucht. Eine systematische Analyse zeigt typische Limitierungen des Siebdruckverfahrens, welche für die weitere Implementierung relevant sind. Strukturbreiten von (89 ± 5) μm (positiv) and (71 ± 4) μm (negativ) konnten in dieser Arbeit demonstriert werden. Als Anwendung wird die Dotierung von Halbleitersubstraten getestet, unter Variation verschiedener Prozessparameter. Der Einfluss dieser auf die gedruckten Schichten und deren Dotierwirkung wird mittels Schichtwiderstandsmapping (4PP und SRI) und ECV Messungen untersucht. Bordotierung mit bis zu Nmax = 1.8 × 10^20 cm−3 werden demonstriert (T = 950 °C, t = 30 min), wodurch Schichtwiderstände bis R□ = 35 Ω/□ erreicht werden. Zusätzlich werden komplexe Ko-Diffusionsprozesse erarbeitet. Dafür wird das Auftreten unerwünschter Dotierungen durch Ausgasen flüchtiger Bestandteile mithilfe dedizierter Probensätze untersucht. Das dadurch gewonnene Verständnis über den Effekt wird genutzt um in-situ Präventionsmaßnahmen zu etablieren. Die erfolgreiche Einstellung geeigneter Phosphordotierungen wird ebenfalls gezeigt. Der Einsatz in der Fertigung hocheffizienter Rückkontaktsolarzellen mit industriellen Anlagen wird gezeigt. Dafür notwendige Prozessentwicklungen werden in dieser Arbeit hergeleitet, wobei die Prozesskontrolle mittels PL und QSSPC Messungen erfolgt. Die Demonstration der Machbarkeit erfolgt durch die Auswertung hergestellter Solarzellen und den Vergleich mit Literatur. Die besten in dieser Arbeit hergestellten Solarzellen erreichen Wirkungsgrade von η = 20.9% (4 cm2) und η = 20.6% (243 cm2), mit zusätzlichen PSG Schichten. Die aktuell besten Zellen mit gedrucktem BSG und POCl3 erreichten η = 19.0% (4 cm2). Das breite Spektrum experimenteller Ergebnisse wird genutzt, um das aktuelle und zukünftige Potential von Solarzellen mit dieser Herstellungssequenz herzuleiten, welches bei 21.7% bzw. 23.2% liegt. Durch die Ergänzung mit einer vergleichenden Kostenrechnung, wird die hohe industrielle Relevanz dieses Ansatzes unterstrichen

Abstract: The focus of this work is the analysis and application of printable borosilicate glass (BSG) Sol-Gel pastes for the simplified fabrication of advanced silicon solar cells. A combination of several methods is used, to initially analyse the liquid dopant source, its applicability for screen printing and derived thin films. This includes rheology, microscopy and spectroscopy by different techniques (SEM, AFM, ICP-OES, SIMS, Ellipsometry, FTIR). By that it could be shown that printed layers can be converted into borosilicate glass thin films. The derived structures of additive printing and thermal annealing are investigated by optical microscopy. A systematic analysis revealed typical limitations of the screen printing based process, important for the implementation of this approach. Feature sizes down to (89 ± 5) μm (positive) and (71 ± 4) μm (negative) could be demonstrated in this work. As an application, the doping of semiconductor substrates is evaluated, including the variation of several process parameters. The influence of different parameters on the printed layers and their doping efficacy is carefully investigated by sheet resistance mapping (4PP and SRI) and ECV measurements. Boron doping up to Nmax = 1.8 × 10^20 cm−3 was demonstrated (T = 950 °C, t = 30 min), resulting in sheet resistances down to R□ = 35 Ω/□. In addition, sophisticated co-diffusion processes were derived. For this, the occurrence of parasitic doping by volatile species is investigated with a dedicated sample setup. The derived understanding of this effect has been used to establish in-situ mitigation measures. Additional realization of suitable phosphorus doping was also demonstrated. Such processes have been implemented into high-efficiency interdigitated back-contact solar cells, fabricated with current industrial tools. Necessary process adoptions have been derived in this work and the quality of fabrication processes has been monitored by PL and QSSPC measurements. Proof-of-principle devices have been evaluated and the results are compared to the current state of the art. The best solar cells fabricated in this work achieve a photoconversion efficiency of η = 20.9% (4 cm2) and η = 20.6% (243 cm2), with additional pre-deposited PSG layers. The current best result achieved with only printed BSG and POCl3 was η = 19.0% (4 cm2). The wide range of experimental process evaluation is used to forecast the current and future potential of solar cells with the demonstrated process flow, at 21.7% and 23.2 %, respectively. By complementing these results with a bottom-up cost calculation, the high industrial relevance of the approach could be underlined

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