Numerical simulation and analysis of high-efficiency silicon solar cells and tandem devices

Media type: E-Book

Title: Numerical simulation and analysis of high-efficiency silicon solar cells and tandem devices

Contributor: Meßmer, Christoph Alexander [Verfasser]; Glunz, Stefan [Akademischer Betreuer]; Schön, Jonas [Akademischer Betreuer]; Glunz, Stefan [Sonstige]; Altermatt, Pietro P. [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/228526

Identifier:

Keywords: Tōkyō Kōgaku Kikai Kabushiki Kaisha ; Silicon solar cells ; Erneuerbare Energien ; Fotovoltaik ; Siliziumsolarzelle ; Tandemzelle ; Simulation ; (local)doctoralThesis

Origination:

University thesis: Dissertation, Universität Freiburg, 2022

Footnote:

Description: Abstract: Die Transformation des weltweiten Energiesystems hin zu 100% erneuerbarer Energien erfordert unter anderem die Entwicklung kostengünstiger und höchsteffizienter Photovoltaikanlagen. Siliziumsolarzellen basierend auf sogenannten passivierenden Kontaktsystemen sowie Tandemsolarzellen werden als die nächsten großen Entwicklungsschritte angesehen und verzeichnen bereits beachtliche Erfolge im Labor und auf industrieller Ebene. Allerdings stellen sich neue Herausforderungen auf dem Weg von konventionellen Solarzelltechnologien (d.h. der PERC Technologie) hin zu passivierenden Kontakten und Tandemsolarzellen: Da diese typischerweise aus mehreren Dünnschichtsystemen bestehen, rücken sowohl die damit verbundenen parasitären Absorptionsverluste als auch der nicht-triviale Ladungsträgertransport an den jeweiligen Grenzflächen (inklusive des Tunneltransports) in den Fokus der Zellentwicklung. Um die Forschung und Entwicklung dieser Hocheffizienzsolarzellen der kommenden Generation voranzutreiben, werden unter anderem auch präzise Simulationsmodelle benötigt. Die vorliegende Dissertation beinhaltet eine umfangreiche Untersuchung höchsteffizienter Siliziumsolarzellen mittels numerischer Simulation und beschäftigt sich mit deren Integration als Unterzelltechnologie in neuartigen Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen. Die Arbeit umfasst detaillierte optoelektrische Zellsimulationen basierend auf neuesten physikalischen Modellen und untersucht die relevantesten Solarzellenkonzepte mit passivierenden Kontakten, wie beispielsweise die tunneloxidpassivierenden Kontakte (TOPCon) oder Siliziumheterostrukturen (SHJ) mit dotiertem amorphem Silizium sowie alternative Metalloxid-basierte Kontaktschichten. Die Beschreibung solcher Zellen konnte im Rahmen dieser Arbeit durch zwei wesentliche wissenschaftliche Beiträge verbessert werden: Zum einen wurde eine experimentell validierte Parametrisierung der freien Ladungsträgerabsorption in dotierten (polykristallinen) Siliziumschichten in die optischen Simulationsmodelle implementiert, die eine akkurate Beschreibung der parasitären Verluste in passivierenden Kontakten wie beispielsweise TOPCon ermöglicht. Zum anderen wurde ein ausgereiftes semi-klassisches Defektstellen-basiertes Tunnelmodell (trap-assisted tunneling, TAT) in die elektrischen Simulationen implementiert, welches den komplexen Ladungsträgertransport in passivierenden Kontakten wie SHJ Zellen abbilden kann. Basierend auf diesen Neuerungen kann die vorliegende Arbeit einige Errungenschaften zum wissenschaftlichen Diskurs beisteuern: 1.Die erste detaillierte Beschreibung des Ladungsträgertransportes in Siliziumheterostrukturen mit Übergangsmetalloxiden (TMOs) als alternative Kontaktmaterialien inklusive Tunneltransport an den TMO Defektstellen. Experimentell gemessene Leistungsverluste können durch das Simulationsmodell abgebildet und Anforderungen für ideale Ladungsträgerextraktion abgeleitet werden. 2.Ein erweitertes elektrisches Simulationsmodell, welches den Ladungsträgertransport in Siliziumheterostrukturen (SHJ) basierend auf amorphem Silizium inklusive des Tunneltransports an den Defektzuständen beschreibt. Mithilfe des Modells konnten parasitäre Grenzflächenoxide als mögliche Ursache für den experimentell beobachteten Anstieg des Kontaktwiderstands bei SHJ und TOPCon Zellen identifiziert werden. 3.Ein detailliertes optoelektrisches Simulationsmodell für industrielle PERC-ähnliche Solarzellen mit TOPCon-Passivierung, welches die parasitären optischen Verluste aufgrund freier Ladungsträgerabsorption in den polykristallinen Siliziumdünnschichten detailliert beschreibt und damit eine akkurate Potenzialabschätzung der verschiedenen Zellkonzepte in Form einer Roadmap ermöglicht. 4.Ein experimentell validiertes optisches Modell für eine Perowskit-Silizium Tandemsolarzelle mit dessen Hilfe eine genaue Effizienzanalyse der wichtigsten Siliziumtechnologien für deren jeweiligen Einsatz als Unterzelltechnologie in der Tandemzelle durchgeführt wurde. 5.Entwicklung optoelektrischer Simulationsmodelle für die wichtigsten PERC-basierten Unterzellen für eine kostengünstige Anwendung in Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen. Die detaillierte Potenzialanalyse zeigt einen Vergleich der zu erwartenden Tandemeffizienzen verschiedener Perowskit-PERC Konzepte. 6.Ein erstes optoelektrisches Simulationsmodell zur Optimierung der Vorderseitenelektrode von modulintegrierten Perowskit-Silizium Tandemsolarzellen, mit welchem verschiedene experimentell gemessene TCOs (transparente leitfähige Oxide) und Metallisierungen untersucht werden können. Alle genannten Themengebiete wurden in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) erarbeitet, welche die jeweiligen experimentellen Teststrukturen in hochmodernen Laboren entwickeln. Somit ist sichergestellt, dass die vorliegende Arbeit nicht von rein theoretischer Natur ist, sondern vielmehr gekoppelt an aktuelle experimentelle Herausforderungen sowie technologische Beschränkungen. Zusätzlich ermöglicht die simulative Arbeit Potenzialabschätzungen zukünftiger Verbesserungen und ist daher hochrelevant für die aktuelle Forschung und Entwicklung der kommenden Generation von Siliziumzelltechnologien

Abstract: The transition of the global energy system towards 100% renewable energies is indispensable and (amongst other things) requires for high-efficiency and low-cost photovoltaic devices. Silicon solar cells based on so-called passivating contact systems and tandem devices are deemed to be the next major evolution and the respective successes have become apparent in both laboratory and industry. However, new challenges arise on the current road of transition from conventional solar cell contact schemes (i.e., PERC technology) towards passivating contacts and tandem cells: Since these devices commonly feature multiple thin-film layer stacks, the associated parasitic absorption losses and the non-trivial charge carrier transport across multiple interfaces (including tunnelling transport) get into the spotlight of device engineering. In order to further improve the research and development of next generation high-efficiency solar cells, accurate simulation models of passivating contacts and tandem devices are needed. The present thesis provides a comprehensive study of state-of-the-art high-efficiency silicon solar cells and their integration as bottom cells in novel perovskite-silicon tandem devices by means of numerical simulation. This work comprises detailed opto-electrical device simulation based on sophisticated physical models to analyse the most relevant solar cell concepts featuring passivating contacts, including tunnel-oxide passivating contacts (TOPCon), silicon heterojunctions (SHJ) based on doped amorphous silicon layers as well as alternative contact layers like metal oxides. The description of those novel solar cell concepts could be improved within the scope of this thesis by two essential scientific innovations: Firstly, an experimentally validated parametrization for the free carrier absorption (FCA) in doped silicon layers was implemented into the optical simulation models to accurately describe the parasitic absorption in passivating contacts like TOPCon. Secondly, an advanced semi-classical trap-assisted tunnelling (TAT) model was implemented for the first time in passivating contacts to describe the electrical charge carrier transport in passivating contacts like SHJ contacts. Based on these innovations, this thesis was able to contribute to the scientific discourse by several scientific achievements: 1.The first detailed description of the charge carrier transport in silicon heterojunctions using transition metal oxides (TMOs) as alternative contact materials including the trap-assisted tunneling at the oxygen vacancies of the TMO. Experimentally observed power losses could be reproduced by the model and the requirements for ideal charge carrier extraction could be deduced. 2.A comprehensive electrical simulation model for silicon heterojunction (SHJ) devices based on amorphous silicon which accurately describes the charge carrier transport including trap-assisted tunnelling. By means of the simulation model parasitic interfacial oxides could be identified as possible explanation for the experimentally observed increase of the contact resistivity in SHJ and TOPCon cells. 3.A detailed opto-electrical modelling of industrial PERC cells upgraded by TOPCon which considers the free carrier absorption in all poly-Si layers. Thus, an accurate potential analysis of the different TOPCon-upgraded cells could be deduced in an opto-electrical roadmap. 4.An experimentally validated optical model of a full state-of-the-art perovskite-silicon tandem device, as well as a comprehensive efficiency analysis of each silicon bottom cell technology for application in tandem devices. 5.Consistent opto-electrical modelling of the most important PERC-like bottom cells for low-cost application in perovskite-silicon tandem devices, as well as an efficiency potential analysis for each bottom cell with respect to the physical requirements. 6.A first opto-electrical simulation model to optimize the front electrode of module-integrated perovskite-silicon tandem solar cells, which was used to evaluate different experimentally measured TCOs (transparent conductive oxides) and types of metallization. Each topic was worked out in close collaboration with colleagues at Fraunhofer ISE who investigate the respective experimental devices in state-of-the-art laboratories. This ensures that the presented simulation work is not only of theoretical nature but is oriented towards current experimental challenges and technological restrictions. Thus, this work allows to evaluate the present limitations and the potential of future improvements and therefore has a high relevance for current and future research on silicon solar cell technologies

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