Institut Silizium-Photovoltaik
a-Si/c-Si-Heterosolarzellen
Als Absorber werden monokristalline Silizium-Wafer (c-Si) und dünne polykristalline Si-Absorber auf Glas genutzt. Das amorphe Silizium (a-Si:H) bildet den Emitter bzw. Rückseiten-Kontakt (BSF) und wird mittels plasma-gestützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) auf das Substrat abgeschieden. Alternativ können durch geeignete Wahl der PECVD-Parameter z.B. auch nanokristalline (nc-Si:H) oder oxidische (a-SiOx:H) Schichten eingesetzt werden. Das TCO (Transparent Conducting Oxide) dient als transparenter leitfähiger Kontakt und wird auf die Emitter- bzw. BSF-Schichten gesputtert. Diese Technologie unterscheidet sich von herkömmlichen Solarzellenpräparationen darin, dass keine Hochtemperatur-Diffusionsprozesse mehr nötig sind. Die gesamte Solarzelle wird bei Temperaturen unterhalb 250°C hergestellt.
Die hervorragende Passivierung der Silizium-Oberfläche mit a-Si:H bietet zudem ein großes Potenzial für sehr hohe Leerlaufspannungen (Voc » 700 mV) und damit für Hocheffizienz-Solarzellen [1].
Die Grenzfläche zwischen a-Si:H und c-Si beeinflusst das Voc und damit die Zelleffizienz maßgeblich. Die chemische Vorbehandlung des Wafers und die Depositionsbedingungen der amorphen Siliziumschicht müssen so optimiert werden, dass die a-Si:H/c-Si Grenzflächenzustandsdichte minimiert wird.
Fig. 2 zeigt die Hell-Kennlinien solcher a-Si:H(n)/c-Si(p)- und a-Si:H(p)/c-Si(n)-Solarzellen. Die Effizienzen sind die höchsten veröffentlichten für Zellen mit direkter Heterogrenzfläche zwischen Wafer und dotierter Schicht. Allerdings limitiert die Defektdichte in dotierten a-Si:H Schichten hier das Voc.
Durch das Einfügen zusätzlicher, einige Nanometer dünner undotierter (i)a-Si:H Zwischenschichten sind Vocs weit über 700 mV erreichbar.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für Zellen mit (i)a-Si:H Zwischenschichten [3].
Weitere Verbesserungen der Effizienz sind realisierbar, wenn beide Kontakte der Zelle auf die Rückseite verlegt werden: Abschattungs- und parasitäre Absorptionsverluste des Vorderseiten-Grids bzw. der TCO- und a-Si:H Schichten entfallen, was zu einer Erhöhung des Photostroms in solchen inerdigitierenden Rückkontakt-Solarzellen (IBC-SHJ) führt. Aktuell werden am Institut mit einem solchen Konzept (vgl. Fig. 4) IBC-SHJ mit Effizienzen über 22% realisiert [4,5].
Literatur
[1] W. G. J. H. M. van Sark, L. Korte & F. Roca (Eds.): Physics and Technology of Amorphous-Crystalline Heterostructure Silicon Solar Cells. Springer (2011)
[2] L. Korte; E. Conrad; H. Angermann; R. Stangl & M. Schmidt: Advances in a-Si:H/c-Si Heterojunction Solar Cell Fabrication and Characterization. Sol. En. Mat. Sol. Cells 93 (2009) 905-10
[3] Jan Kegel, Heike Angermann, Uta Stürzebecher, Erhard Conrad, Mathias Mews, Lars Korte, Bert Stegemann: Over 20% conversion efficiency on silicon heterojunction solar cells by IPA-free substrate texturization. Applied Surface Science 301 (2014) 56–62.
[4] J.-C. Stang, T. Franssen, J. Haschke, M. Mews, A. Merkle, R. Peibst, B. Rech, and L. Korte: Optimized Metallization for Interdigitated Back Contact Silicon Heterojunction Solar Cells. Solar RRL 1 (2017) 1700021.
[5] J.-C. Stang, J. Haschke, M. Mews, A. Merkle, R. Peibst, B. Rech, and L. Korte: Aluminium metallisation for interdigitated back-contact silicon heterojunction solar cells. Jap. Journal of Applied Physics 56 (2017) 08MB22.
