Geavanceerde Frontend-Side Technolgy in kristallijn silicium zonnecellen

Name: Victor Prajapati

• Prof. dr. ir. Robert Pierre Mertens (promotor)
• Prof. dr. ir. Jozef Poortmans (mede-promotor)

"Het geheel is meer dan de som der delen"
-Aristoteles  
Iedere bewerkingsstap in het productieproces van een zonnecel dient geoptimaliseerd te worden om de conversie-efficiëntie van siliciumzonnecellen te verhogen. Echter, door een wisselwerking tussen verschillende processen kunnen bepaalde optimalisatieprocessen negatieve gevolgen hebben voor andere processen. De verliezen van de  >traditionele volledige Al-BSF siliciumzonnecel worden voornamelijk gedomineerd door verliezen aan de voorzijde. Deze verliezen kunnen worden onderverdeeld in drie categorieën; weerstand-, optische- en recombinatieverliezen. Verbetering van een afzonderlijke categorie leidt gewoonlijk tot verslechtering van één of meer van de anderen categorieën, dit komt mede door de voornaamste beperkende factor in de PV industrie: de productieprijs. Het doel van dit proefschrift is om met behulp van industriëlenprocestechnologieën het rendement van de gehele zonnecel te verbeteren. Hierbij worden drie gepatenteerde procestechnologieën gepresenteerd, elk patent heeft betrekking op de verliescategorieën.
 
Het geavanceerde textuurproces dat gepresenteerd wordt maakt gebruik van een etsoplossing dat twee processen tegelijkertijd uitvoert; het aanbrengen vantextuur aan de voorzijde van het siliciumsubstraat en het polijsten hetde achterzijde. Op beide kanten van het ruw gezaagde siliciumsubstraat wordt een  >micro-maskeringslaag van acrylkleefstof gedeponeerd. Na verwijdering van resten hecht de kleefstof alleen aan de toppen van het oppervlak van het ruw gezaagde substraat. Dit substraat wordt vervolgens onderworpen aan een 4 minutendurende NaOH etch (verwarmd, 12.5 wt%).Dit heeft als gevolg dat er een textuur wordt aangebracht op de voorzijde van het substraat terwijl de achterzijde van het siliciumsubstraat wordt gepolijst. Tijdens dit polijstproces gaat er slechts 15>µ>m van het siliciumsubstraat verloren. Zowel de interne reflectie als het celrendement blijven ongewijzigd of verbeteren in vergelijking met het rendement van zonnecellen welke vervaardigd zijn met behulp van klassieke procestechnologieën. Tijdens het vernieuwde proces gaat er minder silicium verloren, wordt er slechts één etsoplossing gebruikt en verloopt het proces sneller dan de klassieke methodes. Dit alles kan leiden tot verlaging van de productiekosten.
 
Ter vervanging van de traditionele emitterformatieprocessen wordt er in dit proefschrift een geavanceerd emitterformatieproces gepresenteerd waarbij ionen in het silicium substraat worden geïmplanteerd, het silicium oppervlak wordt gepassiveerd en de substaten worden “ge-anneald” in een industriële oven. Na de ionenimplantatie wordt er op het silicium oppervlak een siliciumnitride (SiN) laag gedeponeerd en vervolgens wordt het substraat onderworpen aan een kortdurend thermische proces. Tijdens de thermische procedure (950 °C gedurende 90 seconden) treden er drie processen op. Ten eerste passiveren de defecten doordat er waterstof vrijkomt uit de SiN:H. Ten tweede, kristalliseert het silicium oppervlak, dat is door ionenimplantatie geamorfiseerd is, opnieuw door vastestofepitaxie. Ten derde worden de siliciumatomen in het siliciumrooster vervangen door fosfordoperingen  >waardoor ze elektrisch actief worden. Het voorgestelde proces heeft verschillende voordelen ten opzichte van conventionele diffusieprocessen: de productietijd wordt verkort, er worden minder grondstoffen (water, zuren, silicium) gebruikt, het energieverbruik wordt vermindert en de verontreinigingbeperkingen verminderen. De laatste technologieverbetering heeft betrekking op de siliciumoxide laag, dat bekent staat als een goede oppervlaktepassivatielaag. Verder wordt er in dit proefschrift aangetoond dat de contactweerstand van zilver (Ag) gezeefdrukte contacten op zwaar gedoteerd silicium (>90 ohm Ω/>□>)> aanzienlijk verhoogd kan worden door siliciumoxide-houdende-fosfor. Het ontwikkelde oxide is uitvoerig bestudeerd om mogelijke verbeteringen aan de voorzijde en achterzijde van i-PERC cellen aan te tonen. Door het toepassen van deontwikkelde technologieën worden de open-stroomkring-spanning en de fill factor verhoogd. Beide verbeteringen resulteren in een verbetering vanhet absolute celrendement met 0.5-1.0%.

De in dit proefschrift gepresenteerde ontwikkelde processen zijn gekarakteriseerd met behulp van vele verschillende methoden zoals: SEM, SIMS, XPS, TEM, XPS, EDX, AFM, C-AFM, IQE, EQE, levensduurmeting van de ladingsdragers en de meest relevante meting: zonnecelresultaten. Door het toepassen van de kennis die isopgedaan in bovengenoemde categorieën werd er een groot oppervlak (125 x 125 mm) Cz silicium gezeefdrukte zonnecel vervaardigd met een efficiëntie van meer dan 20%. Dit bevestigt dat "het geheel meer is dan de som van zijn delen".

https://lirias.kuleuven.be/handle/123456789/361062

• Prof. dr. ir. Robert Pierre Mertens (promotor)
• Prof. dr. ir. Jozef Poortmans (mede-promotor)
• Prof. dr. ir. Joseph Vandewalle (voorzitter/chairman)
• Prof. dr. ir. Johan Driesen (secretaris/secretary)
• Prof. dr. Corneel Claeys
• Dr. Giso Hahn , University of Konstanz
• Dr. Joachim John , IMEC
• Dr. Arthur Weeber , ECN
• Dr. Martin Hermle , Fraunhofer-Institute for Solar Energy Systems