Novel Micromorph Solar Cell Structures for Efficient Light Trapping and High-Quality Absorber Layers

167 Pages·2012·13.14 MB·French

by  Boccard, Mathieu

Novel Micromorph Solar Cell Structures for Efficient Light
Trapping and High-Quality Absorber Layers
THÈSE NO 5603 (2012)
PRÉSENTÉE LE 18 DECEMBRE 2012
À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE DE PHOTOVOLTAÏQUE ET COUCHES MINCES ÉLECTRONIQUES
PROGRAMME DOCTORAL EN SCIENCE ET GÉNIE DES MATÉRIAUX
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Mathieu BOCCARD
acceptée sur proposition du jury:
Prof. P. Muralt, président du jury
Prof. C. Ballif, Dr M. Despeisse, directeurs de thèse
Dr F. Finger, rapporteur
Prof. M. Graetzel, rapporteur
Prof. M. Topic, rapporteur
Suisse
2012

Résumé
Lesélémentsclésimpliquésdanslafabricationdescellulessolairesencouchesmincesde
typeMicromorphesontétudiésdanscemanuscrit.LedispositifMicromorpheestunecellule
tandemà deux jonctions comprenantune cellule supérieure ensiliciumamorphe et une
celluleinférieureensiliciummicrocristallin.Enraisondelatrèspetitelongueurdediffu-
sion des porteurs photogénérés dans les deux matériaux, les couches photosensibles des
deuxsous-cellulesdedispositifsMicromorphedoiventêtremaintenuessuffisammentminces
pourassurerlacollectedesporteurs.Pourtant,cetteépaisseurlimitéenepermetpasd’ab-
sorber toute la lumière utilisable (d’énergie plus grande que la bande interdite) après un
aller-retourdanslematériau.L’utilisationdestratégiesavancéesdepiégeagedelumièreest
doncindispensableafind’atteindredesrendementsdeconversionélevés.Généralement,des
interfacesrugueusessontutiliséespourinduireladiffusiondelalumièredanslescouches
photosensibles,cequiamélioreleurabsorptance.
Unefaçonsimpleetanalytiquedemodéliserl’interactiondelalumièreaveclesdifférentes
couchesmincesdescellulessolairesestnotammentprésentée.Cetteméthodeestvalidéepar
confrontationaveclesmesuresexpérimentalesimpliquantdifférentesinterfacesrugueuses.
Ensuite,ilestmontréquelaplupartdespertesoptiquesdanslesdispositifsactuelsparrapport
àceuxidéalisésprovientdel’absorptionparasitedanslescouchespériphériques.Eneffet,les
meilleursrégimesdepiégeagedelumièreactuelss’approchentdelalimiteclassique.Enoutre,
ilestdémontréquel’absorptionparasiteestaussinuisibledesdeuxcôtésdelacellulepourla
lumièreinfrarouge.
Pouraméliorerlepiégeagedelumièredemanièresignificative,desstratégiescomplémentaires
auxinterfacesrugueusesdoiventdoncêtreappliquées.Pourdetellesstratégies,unepartie
delalumières’échappantdelacelluledoitêtrerenvoyéeàl’intérieur.Cecipeutêtreobtenu,
parexemple,enutilisantunfiltreangulaire,quitransmettoutelalumièrejusqu’àuncertain
angled’incidence,etquiréfléchittoutelalumièreayantunangled’incidenceplusélevé.Un
dispositifexpérimentaloptiquebasésurunfiltragespatialestdv´eloppé.Ilpermetd’empêcher
80 % de la lumière de s’échapper de la cellule, additionellement aux autres stratégies de
piégeagedelumièredéjàemployées.Uneforteaméliorationdel’absorptiondudispositif
completestdémontrée,auprixd’uneréductiondel’angled’acceptance.Cependant,une
grandepartdelalumièreépargnéeestabsorbéedanslescouchesnon-actives(absorption
parasite),indiquantqu’uneréductiondrastiquedel’absorptionparasitedecescouchesest
uneconditionpréalableafindebénéficierd’unmeilleurpiégeagedelalumière.
Passantmaintenantàl’analysecomplètedudispositif,lesexigencesdel’électrodeavantpour
iii
Résumé
lesdispositifsMicromorphesàhautrendementsontdiscutéespointparpoint,enseconcen-
trantàlafoissurlesexigencesoptiquesetélectriques.Lanécessitéd’avoirdesstructures
anguleusesetrelativementpetitespouruncouplageefficacedelalumièredanslacellulesu-
périeureestnotammentsoulignée.Laprésencedestructuresdetaillesuffisantepourdiffusser
lalumièredegrandelongueurd’onde(jusqu’à1100nm)estensuitemontréeêtreindispen-
sablepourobteniruncourantélevédanslacelluleinférieure.L’impactnégatifdesgrandes
structuresanguleusessurlesperformancesélectriquesestégalementsoulignée.Celanous
permetd’identifierunemorphologieoptimale,quisecomposedestructuresdontlataille
estlapluspetitepermettantdediffuserlalumièrejusqu’à1100nm,etlaformelaplusaigüe
nenuisantpasàlaqualitéélectriquedelacelluleinférieure.Cetypedesubstratapermis
l’obtentiond’unecelluleMicromorpheaffichantuneefficacitéstablede11.8%pourmoinsde
2µmd’épaisseurtotaledescouchesdesilicium.
Pourévitercecompromis,lacombinaisondestructuresdeplusieurstaillesdifférentesdans
unearchitectured’électrodemulti-échelleestétudiée.Ilestmontréque,bienqu’aucungain
entermesdediffusiondelalumièrenesoitperçuparrapportàunebonnemorphologieà
échelleunique,unemeilleurequalitéélectriquepeutêtreobtenue,cequirendl’approche
multi-échelleintéressante.Uneefficacitéinitialenotoirede14,1%estdémontréeavecune
telle architecture. Une densité de courant de court circuit de 14mA/cm2 est notamment
obtenuepouruneépaisseurtotaledescouchesdesiliciumdeseulement3µm.
Uneautrefaçond’ajouterundegrédelibertédanslaconceptiond’undispositifMicromorphe
estprésenté,consistantenl’insertiond’unecoucheintermédiaireréfléchissante(IRL)lissante.
Plusieursroutessontexplorées,dontlepolissagechimio-mécaniqueetledêpôtparaérosol
deZnO.Desrésultatsprometteursontétéobtenusendéposantparspin-coatingunelaque
surlacellulesupérieurepuisenlagravantlégèrement. Cetteétapedegravuredégageles
extrémitésdelasurfacedelacellulesupérieure,permettantainsilaconductionélectrique,
toutenmaintenantl’effetlissant.Cetyped’IRLpermetungaindecourantconsidérabledans
lacellulesupérieure(+2.5mA/cm2),etuneaméliorationdelatensiondecircuitouvertdu
dispositif(+50mV),parrapportàunIRLderéférenceàbased’oxidedesilicium.
Lesconceptsrécemmentdéveloppéspermettentunemeilleurecompréhensiondeslimiteset
dupotentielactuelsdesdispositifsMicromorphes.Nouspensonsquelamiseenœuvrede
cesconceptsauseind’unecelluletandemMicromorpheemployantlesmeilleurescellules
simplesamorphesetmicrocristallinesdumomentpermettrad’atteindredesrendements
stablesde13,5%à14%.Augmenterl’efficacitédesdispositifsMicromorphesau-delàdeces
valeursexigeraprobablementdesaméliorationsdesmatériauxphotoactifs.
Mots-clés:
couchesminces,silicium,cellulessolaires,siliciumamorphe,siliciummicrocristallin,Micro-
morphe,piégeagedelumière,oxidedezinc,éléctrodestexturées,morphologiedesurface,
absorptionparasite,réflécteurintermediaire,hauteefficacité,architecturemulti-échelle,pla-
narisation.
iv
Abstract
KeyelementsinvolvedinthefabricationofMicromorphthin-filmsiliconsolarcells,atandem
deviceincludinganamorphoussilicontopcellandamicrocrystallinesiliconbottomcell,
arestudiedinthismanuscript. Duetotheveryshortdiffusionlengthsofphotogenerated
carriersinbothmaterials,thephotoactivelayersofbothsub-cellsofMicromorphdevices
mustbekeptthinenoughtoensurecarriercollection.Duetothislimitedthickness,notall
valuablelight(i.e.lightofhigherenergythantheband-gap)canbefullyabsorbedafterone
passthroughtheabsorberlayers.Advancedlight-harvestingschemesarethusmandatoryto
achievehighconversionefficiencies.Randomroughinterfacesaretypicallyusedtoinduce
lightscatteringinthephotoactivelayers,thuselongatingthelightpaththroughtheselayers,
enhancingtheirabsorption.
Asimpleandanalyticalwayofmodelinglightharvestinginthin-filmsolarcellsisdeveloped.
Itsvalidityisdemonstratedbycomparingwithexperimentalmeasurementsinvolvingdifferent
typesofroughinterfaces.Itisshownthatpresentlight-scatteringschemescomeclosetothe
besttheoreticallyachievablescatteringfromrandomroughinterfaces.Withthemorphology
ofastate-of-the-artroughZnOlayer,32mA/cm2canbeobtainedfora1-µm-thickµc-Si:H
layer,comparedto33.2mA/cm2fortheYablonovitchlimit.Mostofthegainsintermsoflight
managementarethereforetobemadebymakingnon-activelayersmoretransparent(since
theselayersarepresentlyresponsibleof∼7mA/cm2oflossesfora1-µm-thickµc-Si:Hlayer).
Parasiticabsorptioninnon-activelayersisalsoshowntobeequallydetrimentalonbothsides
ofthecellintheinfraredpartofthespectrum,correspondingtothewavelengthrangefor
whichlighttrappingismostimportant.
Toimprovesignificantlylighttrapping,complementarystrategiestorandomroughinterfaces
mustthereforebeapplied.Forsuchastrategy,partofthelighthastobepreventedtoescape
fromthecell. Thiscanbeobtainedforexamplebyusinganangularfilter,transmittingall
lightuptoacertainincidenceangle,andreflectingalllightofhigherincidenceangle. An
experimental optical setup based on spatial filtering is presented. It is shown to prevent
80%oflightfromescapingthecell,additionallytootherlighttrappingstrategies. Astrong
absorptionenhancementofthecompletedeviceisdemonstrated,atthecostofareductionof
theacceptanceangle.However,mostofthesparedlightisshowntobeabsorbedinnon-active
layers.Adrasticreductionofparasiticabsorptionfromtheselayersisthereforeidentifiedasa
prerequisitetobenefitfromabetterlighttrapping.
Turningthentocompletedeviceanalysis,therequirementsofthefrontelectrodeforhigh-
efficiencyMicromorphdevicesarediscussedpoint-by-point,focusingbothonopticaland
v
Abstract
electrical requirements. The need for sharp and relatively small features for an efficient
couplingoflightinthetopcellisnotablypointedout,aswellastheneedforfeatureslarge
enoughtoscatterlightofwavelengthupto1100nmforahighbottomcellcurrent.Theimpact
ofsharpandlargefeaturesontheelectricalperformancesofthecellsisalsounderlined.An
optimalmorphologyisproposed,exhibitingfeaturesthatarethesmallestenablingscattering
oflightupto1100nm,andthesharpestthatdonotharmtheelectricalqualityofthebottom
cell.Adevicewithastableefficiencyof11.8%couldbeobtainedonsuchasubstrate.
Toavoidthistrade-off,thecombinationoffeatureswithdifferentsizesinamulti-scaleelec-
trodearchitectureisstudied.Itisshownthateventhoughnogainintermsoflightscatteringis
seencomparedtoastate-of-the-artsingle-scalemorphology,abetterelectricalqualitycanbe
obtained,makingthemulti-scaleapproachofinterest.Anoteworthy14.1%initialefficiencyis
demonstratedwithsuchanarchitecture,withashort-circuitcurrentdensityof14mA/cm2for
atotalthicknessofthesiliconlayersof3µm.
AnotherwaytoaddadegreeoffreedominthedesignofaMicromorphdeviceisalsopresented,
employingasmootheningintermediatelayerbetweenbothsub-cells. Aseparatetuningof
themorphologyinducinglightscatteringineachsub-cellcanbemade. Severalroutesare
explored, out of which promising results are obtained by using a spin-coated lacquer on
thetopcell. Aslightetchinguncapsthetipsofthetopcellsurfaceandallowforelectrical
conduction,whereasthesmootheningeffectispreserved.Alargetopcellcurrentboost(up
to+2.5mA/cm2)andopen-circuitvoltageimprovement(+50mV)areobtained,withmany
adjustableprocessingparameterstoobtainvariousmorphologies.
The newly developed concepts enable a better understanding of the present limitations
ofMicromorphdevices. Webelievethat,byimplementingtheseconceptsinMicromorph
tandemdevicesemployingstate-of-the-artamorphousandmicrocrystallinesingle-junction
solarcells,stable13.5%to14%efficiencyarewithinreach.Yet,increasingfurthertheefficiency
ofMicromorphdeviceswilllikelyrequirematerialimprovements.
Keywords:
thin-film,silicon,solarcells,amorphoussilicon,microcrystallinesilicon,Micromorph,light
trapping,zincoxide,texturedelectrodes,surfacemorphology,parasiticabsorption,intermedi-
atereflector,highefficiency,multi-scalearchitecture,planarizationtechniques.
vi
Contents
Résumé/Abstract iii
1 Introduction 1
1.1 Solarenergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Thin-filmsilicontechnologyandtheMicromorphconcept . . . . . . . . . . . . 2
1.3 StatusofresearchonMicromorphtechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Structureofthisreport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Contributionofthisworktotheresearchfield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Detailsaboutdepositionandcharacterization 11
2.1 Typicalsequenceofcelldeposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Superstrateproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Low-pressurechemicalvapordepositedzincoxide(LPCVDZnO) . . . . 11
2.2.2 Replicationprocess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Hydrogenatedindiumoxide(IOH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Current-voltage(J(V))andexternalquantumefficiency(EQE)measurements . 15
2.4 Absorptancemeasurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Analyticalmodelingoflighttrapping 21
3.1 Motivationandmechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Modelingoflighttrapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Angulardistributionoflightenteringacell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.1 Quantificationofthescatteringability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.2 Typicallight-scatteringpropertiesofroughelectrodes . . . . . . . . . . . 28
3.4 Extensionofthemodeltorealisticdevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4.1 Implementationofexperimentallight-scatteringdistributions . . . . . . 29
3.4.2 Implementationofparasiticabsorptionandreflection . . . . . . . . . . . 30
3.5 Validationwithexperimentaldata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.6 Importantparametersgoverninglightharvesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.6.1 Effectofchangingthelight-trappingpropertiesofthefrontelectrode . . 35
3.6.2 Aboutthelightpathenhancementfactor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.6.3 Identificationofthemostlimitingparameters . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
vii
Contents
4 Theinterconnectionbetweenparasiticabsorptionandlighttrapping 41
4.1 Unlinkingabsorptionandhazeinfrontelectrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.1 Experimentaldetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1.2 Influenceofparasiticabsorptiononthecellcurrent . . . . . . . . . . . . 42
4.1.3 Hazeinfluenceonthecellcurrent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.4 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Effectofparasiticabsorptioninfrontandbackcontacts . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.1 Experimentaldetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.2 Experimentalresultsanddiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.3 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.4 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3 TrappinglightintheglasstosurpasstheYablonovitchlimit . . . . . . . . . . . . 54
4.3.1 Mechanismandpriorart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.2 Realizationandcharacterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.4 Potentialofthisapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.5 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 TowardsoptimaltexturedelectrodesforMicromorphdevices 65
5.1 Experimentaldetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Influenceofthetexturefeaturesize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3 Plasmasurface-treatmenteffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.4 Transparency-conductiontrade-offforthefrontelectrode . . . . . . . . . . . . 70
5.5 Optimalfeaturesizeinvestigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.6 Schematicsummary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6 Multi-scaletexturedsubstrates 79
6.1 Priorartandmotivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2 All-ZnO-basedmultitextures:proofofconcept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.1 Experimentaldetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.2.2 Motivationformulti-scalesubstrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.2.3 Effectofincreasingthesizeofthesmallfeatures . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.4 Effectofincreasingthesizeoftheunderstructure . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.5 Effectofsmootheningtheunderstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.2.6 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3 High-efficiencymultitextures: combiningnanoimprintlithography,IOHand
roughZnO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.3.1 Architectureofthedevice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.3.2 Cellresultsanddiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
viii
Contents
7 Smootheningintermediatereflectinglayers 95
7.1 Motivation:mappingofMicromorphpropertiesasafunctionofthesubstrate
morphology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.2 Proofofconcept:polishingofSiO-basedintermediatereflectinglayers . . . . . 98
7.2.1 Experimentaldetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.2.2 Resultsanddiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.2.3 Conclusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3 ThickZnO-basedintermediatereflectinglayers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.4 Spray-coatingofZnOfromZn-acetate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.5 Spin-coatingoflacquerwithselectiveetching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.5.1 Motivationandexperimentalprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.5.2 Electricalperformance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.5.3 Opticaleffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.5.4 Generaldiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.6 Potentialforhigh-efficiencyMicromorphdevices . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
8 Conclusionandperspectives 113
8.1 Generalconclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
A EQEmeasurementofmulti-junctiondevices 117
A.1 Biaslight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.2 Biasvoltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
B MethodforstudyingthefillfactorofMicromorphcells 121
B.1 Problemsfacedwhenmeasuringfillfactorsintandemdevices . . . . . . . . . . 121
B.2 Setuppresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
B.3 Setupcalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
B.4 Differentapplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
C Otherpossibleusesoflacquerinsolarcells 129
C.1 Beforesilicondeposition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
C.2 Aftersilicondeposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
D Micromorphpropertiesasafunctionofthesubstratemorphology 133
D.1 MappingofMicromorphproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Abbreviationsandsymbols 137
Bibliography 153
Acknowledgements 155
CurriculumVitae 157
ix