Implementing sputter-deposited transparent conductive metal oxides into passivating contacts for silicon solar cells

Abstract: This work targets the sputter-deposition of transparent conductive oxide (TCO) films for passivating contact systems of silicon (Si) solar cells. The two currently most considered passivating contact technologies, Si heterojunction (SHJ) based on hydrogenated amorphous Si (a-Si:H) and poly-Si / SiOx based contacts are addressed. Due to the lack of lateral conductivity provided by such Si thin-films (SiTFs), TCO layers are utilized as (transparent and) conductive electrode for extraction of the generated charge carriers. In the early stages of research on passivating contacts the main focus was to understand and improve the passivation quality of the SiTF layers. However, it is also widely known that the TCO processing correlates strongly with the performance of the respective contacts and devices. The focus of this thesis is to gain a holistic understanding of the interplay between the TCO film properties and the overall electrical and optical quality of the passivating contacts. The latter is not only crucial to improve the basic understanding of the material and device physics but also for the effective engineering towards highly efficient and economic devices. Here a special em-phasis is put on indium oxide based layers. Further, the influence of the sputter-deposition process and post-deposition temperature treatments on both the TCO film properties and the electrical contact performance (recombination, contact resistivity) is of major importance. Regarding the contact performance, the boundary conditions for the TCO processing differ for the a-Si:H and poly-Si / SiOx based contacts, due to the different temperature resilience, doping level, hydrogen content and SiTF layer thickness. Based on test structures, simulations and solar cells, the requirements for the electrical and optical TCO properties are identified. The trade-off between efficient electrical current transport (low sheet resistance in the TCO bulk and low contact resistivity at the interfaces) and high film transparency is then addressed using two approaches. Firstly, an indium tin oxide (ITO) multi-layer stack is applied and the resulting vertical doping gradient within the TCO layer is shown to be able to partially decouple interface and bulk requirements. Compared to the baseline ITO single-layer, here the parasitic absorption is decreased while a low contact resistivity can be maintained. As a second approach, TCO films with high electron mobility (μ) are developed in order to facilitate broadband transparency and high conductivity at the same time. As a high performance TCO, cerium and hydrogen co-doped indium oxide (In2O3:Ce,H) layers are fabricated (μ: 110 – 130 cm²/Vs, charge carrier density Ne ~ 2 x 10^20 cm^-3). Regarding the transfer of these layers to devices, the influence of the annealing atmosphere (with or without oxygen) and substrate morphology (planar or textured) turns out to be crucial, which both is examined more closely via temperature dependent Hall Effect measurements. For both approaches the potential to improve cell efficiency in comparison to a single ITO layer is shown. The interaction between the sputter process and surface passivation quality provided by a-Si:H and poly-Si / SiOx based contacts is extensively studied dependent on SiTF thickness and sputter parameters. Adjusting the sputter conditions together with an optimized post-deposition annealing treatment allows the coating of ultrathin (~10 nm) a-Si:H or poly-Si contacts without irreversible damaging of their passivation quality. The electrical contact formation is then investigated for both contact technologies as a function of TCO oxygen content (determining the doping level) and the annealing process. The known problem of the formation of an electrical barrier at the TCO / poly-Si interface at elevated temperatures is successfully countered both by means of reducing the TCO oxygen content in the vicinity of the poly-Si interface and by adjusting the temperature profile and atmosphere of the annealing process. Here, for instance, the implied open circuit voltage (iVoc) after sputtering of textured Si wafers with 14 nm thin poly-Si(n) / SiOx contacts is recovered to 735 mV while a low contact resistivity of 50 mΩcm2 is maintained. The process sequence of poly-Si / SiOx based contacts typically requires a (re-) hydrogenation step to improve the chemical interface passivation after the high temperature poly-Si formation. Since the incorporation of hydrogen into TCOs was also shown to improve their film properties, the ability of TCOs to serve as hydrogen source for poly-Si / SiOx contacts is investigated. Here the surface passivation improves significantly subsequent to TCO coatings and post-deposition thermal treatments, and iVoc values of up to 743 and 730 mV for planar and random pyramid textured surfaces, respectively, are obtained without the need for any additional hydrogenation treatment. This yields the possibility to streamline the process sequence for TCO / poly-Si / SiOx based contacts in the future. In this work the understanding, how TCO film properties and processing conditions affect the performance of SHJ and poly-Si / SiOx based passivating contacts, could be improved significantly. Based on this, sputter-deposition and annealing processes were developed, which enable high surface passivation quality for ultra-thin Si passivation layers together with an efficient electrical current transport and high optical transparency at the same time
Abstract: Diese Arbeit behandelt die Sputter-Abscheidung von transparenten leitfähigen Oxiden (TCOs) für die Anwendung in passivierenden Kontaktsystemen von Silizium (Si)-Solarzellen. Als die derzeit bedeutendsten Kontakttechnologien werden Si Heterojunction (SHJ) Kontakte, basierend auf hydriertem amorphem Si (a-Si:H), und poly-Si / SiOx-basierte Kontakte untersucht. Aufgrund der fehlenden lateralen Leitfähigkeit dieser Si-Dünnschichten (SiTFs), werden TCO-Schichten als (transparente und) leitende Elektroden zur Extraktion der erzeugten Ladungsträger verwendet. Am Anfang der Forschung an passivierenden Kontakten lag der Hauptfokus darauf, die Oberflächenpassivierung der SiTF-Schichten zu verstehen und zu verbessern. Jedoch ist bekannt, dass die TCO-Schicht und das dazugehörige Abscheideverfahren einen merklichen Einfluss auf die Performance der Kontakte hat. Der genaue Zusammenhang zwischen dem TCO-Prozess und der elektrischen und optischen Qualität der Kontakte stellt daher einen wichtigen Bestandteil dieser Arbeit dar. Dies ist nicht nur entscheidend für ein besseres physikalisches Verständnis, sondern auch für die Entwicklung hocheffizienter Solarzellen. Bezüglich der TCO-Schichten liegt der Schwerpunkt auf Indiumoxid basierten Materialien und deren Optimierung. Darüber hinaus ist der Einfluss des Sputterprozesses und der Temperaturbehandlung nach der Abscheidung sowohl auf die TCO-Schichteigenschaften als auch auf die elektrische Qualität der Kontakte (Oberflächenpassivierung, Kontaktwiderstand) von großer Bedeutung. Hierbei unterscheiden sich die Randbedingungen für a-Si:H- und poly-Si / SiOx-basierte Kontakte aufgrund ihrer unterschiedlichen Temperaturbeständigkeit, des Dotierungsgrades, des Wasserstoffgehaltes und der SiTF-Schichtdicke.
Die Anforderungen an die elektrischen und optischen TCO-Eigenschaften werden mittels Teststrukturen, Simulationen und fertigen Solarzellen ermittelt. Dem hierbei entstehenden Zielkonflikt zwischen effizientem elektrischen Stromtransport (niedriger Schichtwiderstand im TCO und niedriger Kontaktwiderstand an den Grenzflächen) und hoher optischer Transparenz wird mit Hilfe zweier Ansätze entgegnet. Zum einen wird ein Indiumzinnoxid (ITO)-Mehrschichtstapel entwickelt und gezeigt, dass der hierdurch entstehende vertikale Gradient in der Dotierungsstärke es ermöglicht, die Anforderungen an den Grenzflächen von denen im TCO-Volumen teilweise räumlich zu entkoppeln. Im Vergleich zur herkömmlich verwendeten ITO-Einzelschicht kann die parasitäre Absorption verringert werden, während gleichzeitig ein niedriger Kontaktwiderstand bewahrt werden kann.
Als zweiter Ansatz werden TCO-Filme mit hoher Elektronenmobilität (µ) entwickelt, die eine breitbandige Transparenz bei gleichzeitig hoher Leitfähigkeit ermöglichen. Dies wird mittels mit Cer und Wasserstoff co-dotierten Indiumoxid Schichten (In2O3:Ce,H) realisiert (µ: 110 - 130 cm²/Vs, Ladungsträgerdichte (Ne) ~ 2 x 10^20 cm^-3). Bei der Übertragung dieser Schichten in den Solarzellenprozess erweisen sich die Atmosphäre während der Temperaturnachbehandlung (mit oder ohne Sauerstoff) und die Oberflächenbeschaffenheit des Substrates (planar oder texturiert) als entscheidende Faktoren, was mittels temperaturabhängiger Hall-Effekt-Messungen näher untersucht wird. Für beide Ansätze (ITO-Mehrschichtstapel und In2O3:Ce,H Elektrode) kann das Potential zur Erhöhung der Effizienz von SHJ Solarzellen im Vergleich zur ITO-Einzelschicht gezeigt werden.
Die Wechselwirkung zwischen dem Sputterprozess und der Oberflächen-passivierung von a-Si:H und poly-Si / SiOx-basierten Kontakten wird in Ab-hängigkeit der Prozessparameter und der SiTF-Dicke umfassend untersucht. Die Anpassung des Sputterprozesses zusammen mit der Optimierung der darauffolgenden Temperaturbehandlung ermöglicht die Beschichtung von ultradünnen (~ 10 nm) a-Si:H- oder poly-Si-Kontakten ohne die Oberflä-chenpassivierung irreversibel zu schädigen. Ferner wird der elektrische Kontakt für beide Kontaktsysteme in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt in den TCO-Schichten, der die Dotierungsstärke bestimmt, und dem Temperaturprofil der Nachbehandlung untersucht. Dem bekannten Problem der Bildung einer elektrischen Barriere an der TCO / poly-Si-Grenzfläche bei erhöhten Temperaturen wird sowohl durch die Reduzierung des TCO-Sauerstoffgehaltes in der Nähe der poly-Si-Grenzfläche als auch durch die Anpassung des Temperaturprofils und der Atmosphäre während der Nachbehandlung erfolgreich begegnet. Beispielsweise kann hier nach der TCO-Beschichtung von 14 nm dünnen poly-Si(n) / SiOx-Kontakten eines texturierten Si-Wafers eine implizierte Leerlaufspannung (iVoc) von 735 mV erzielt werden, während der spezifische Kontaktwiderstand bei einem niedrigen Wert von 50 mΩcm2 gehalten werden kann.
Die Prozesssequenz von poly-Si / SiOx-basierten Kontakten erfordert typi-scherweise einen Prozessschritt zum Einbau von Wasserstoff in das Kontakt-system nach dem Hochtemperaturschritt der poly-Si-Bildung, um die chemische Grenzflächenpassivierung zu verbessern. Da der Einbau von Wasserstoff in TCOs auch zur Verbesserung deren Filmeigenschaften führen kann, werden hydrierte TCOs als Wasserstoffquelle für poly-Si / SiOx-Kontakte untersucht. Hier zeigt sich, dass durch die TCO-Beschichtung zusammen mit einer geeigneten thermischen Nachbehandlung eine signifikante Verbesserung der Oberflächenpassivierung erzielt werden kann, mit iVoc-Werten von bis zu 743 beziehungsweise 730 mV für planare beziehungsweise texturierte Grenzflächen, ohne die Anwendung eines zusätzlichen Schrittes für den Wasserstoffeinbau. Das kann zukünftig eine deutliche Verschlankung des Prozessflusses für TCO / poly-Si / SiOx-basierte Kontakte ermöglichen.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit das Verständnis des Zusammenspiels von TCO-Schichteigenschaften und Prozessparameter mit der Performance von SHJ- und poly-Si / SiOx-basierten passivierenden Kontakten deutlich verbessert werden. Darauf aufbauend wurden Prozesse für die Sputter-Abscheidung und die thermische Nachbehandlung entwickelt, die eine hohe Qualität der Oberflächenpassivierung für ultradünne SiTF-Kontakte bei gleichzeitig effizientem elektrischen Stromtransport und hoher optischer Transparenz ermöglichen

Object Details

• Location: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Extent: Online-Ressource
• Language: Englisch
• Notes: Universität Freiburg, Dissertation, 2020

Classification and Topics

• Classification: Elektrotechnik, Elektronik
• Keyword: Silicon solar cells ; Metallic oxides ; Transparent-leitendes Oxid ; Siliziumsolarzelle

Contributors, Places and Time

• Event: Veröffentlichung
• (where): Freiburg
• (who): Universität
• (when): 2020
• Creator: Tutsch, Leonard
• Contributor: Glunz, Stefan ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Further information

• DOI: 10.6094/UNIFR/174516
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-1745161
• Rights: Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Last update: 25.03.2025, 1:52 PM CET