Characterization of new silicon solar cell designs for concentrating photovoltaic application

Silicon concentrating photovoltaics (CPV) is one of the affordable approach to reduce the cost of photovoltaic. In CPV, an optic system concentrates the sunlight onto a high efficiency small size (0.1−1 cm2) solar cell. In this way, provided the same collation area, the area effectively occupied by the cell is reduced because replaced by cheaper concentrator optics, that reduce the overall system cost. Moreover the cell efficiency could be increased by concentration. Conventional Silicon (Si) solar cells need to be optimized for concentrating application: one of the major limitation for the cell efficiency in CPV is the high series resistance of the cell. To overcome these limitations, new geometries like the Back-Contact Back-Junction cells have been proposed in the past. In this work two new cell layouts for CPV produced in a CMOS-like pilot line are presented and characterized. The first original cell geometry is the Back Etched Front Contact (BEFC) and consist of a 16 mm2 Si cell produced on a p-substrate whose back surface have been grooved with micro-holes by means of the Deep Reactive Ion Etching (DRIE) technique. The holes are heavily p-doped in the internal surface and are supposed to act as preferential highly conductive path for the carriers so that the resistance of base is reduced. Furthermore, the front metal grid have been optimized to reduce the series contact resistance. The second type of cells, named Back Contact Vertical Junction (BCVJ), has a more complex geometry that exploits both the reduced base resistive losses due to the p-doped holes and the back contact solar cell advantages. In BCVJ devices, both the electric contacts are brought to the back surface of the cell, so that no metal grid shadowing is present on the front surface. In order to fabricate an effective vertical pn junction, an array pass-through n-doped holes have been grooved into the bare p-type Silicon by means of DRIE technique. A second set of p-doped holes act as collecting electrode reducing the substrate resistive losses. Both BEFC and BCVJ designs decouple the charge collection width and the substrate thickness, and allow using cost effective Silicon substrates with relatively low charge lifetime to produce high efficiency solar cells for CPV. In this thesis, a comprehensive characterization of BEFC and BCVJ Si solar cells is provided. The performance of the cells have been evaluated under dark and illuminated conditions by means of an indoor solar simulator. Moreover, the performance under concentrated light are investigated with a self-built light concentrator coupled with the solar simulator. Lastly, external quantum conversion efficiency has been evaluated by means of electro-optic measurements of the solar cells. The studied solar cells show best performance approaching 22% efficiency at concentration factors of 40-80 Suns, suggesting application for middle concentration systems.

Per diminuire il costo dei sistemi fotovoltaici, un possibile approccio è il cosiddetto fotovoltaico a concentrazione (CPV). Nel CPV un sistema di ottiche concentra la radiazione luminosa su celle fotovoltaiche di piccole dimensioni (0.1−1 cm2) ad alta efficienza. Con tale approccio, a parità di superficie di raccolta del sistema, si riduce l’area ricoperta dalle celle fotovoltaiche, sostituite da più economiche ottiche concentratrici che abbassano il costo complessivo del sistema fotovoltaico. Le celle convenzionali in Silicio (Si) necessitano di un’accurata ottimizzazione per poter essere utilizzate in modo efficacie in un sistema a concentrazione: uno dei principali fattori che limita l’uso delle celle convenzionali in Si nel CPV è la resistenza serie del substrato. Quindi nuove geometrie come le celle Back-Contact Back-Junction sono state efficacemente proposte nel passato per aumentare l’efficienza in concentrazione. In questo lavoro sono proposti e caratterizzati due nuovi layout di cella, realizzati in una linea di produzione pilota concepita per la realizzazione di dispositivi CMOS. La prima geometria di cella proposta è la Back Etched Front Contact (BEFC) che consiste in una micro-cella in Si da 16 mm2 prodotta su substrato drogato p. La superficie posteriore della cella è stata sottoposta ad un etching selettivo per mezzo di un processo DRIE (Deep Reactive Ion Etching) in modo da creare una matrice di fori in seguito drogati p++. I fori, oltre che definire il contatto p nel retro della cella, costituiscono un percorso preferenziale dei portatori maggioritari di carica diminuendo la resistenza serie del substrato. Il contatto n, è invece fornito da una griglia metallica sulla superficie frontale della cella che è stata appositamente ottimizzata per minimizzare la sua resistenza serie. La seconda tipologia di celle, denominata Back Contact Vertical Junction (BCVJ) ha una geometria più complessa sempre basata su un substrato p accuratamente forato per mezzo di un processo DRIE in modo da creare una matrice di fori alternativamente drogati p e n. I fori drogati n, permettono di formare delle giunzioni pn radiali e verticali, mentre i fori drogati p, hanno la funzione di abbassare la resistenza del substrato. Nelle celle BCVJ, entrambi i contatti sono portati sulla superficie posteriore della cella e quindi nessun oscuramento ottico è presente cosicché tutta la superficie frontale può essere sfruttata per la conversione in energia elettrica. Entrambi i layout BEFC e BCVJ disaccoppiano la larghezza della zona di raccolta e lo spessore del wafer, giustificando e permettendo l’uso di substrati in silicio poco drogati e con lifetime relativamente basso per produrre celle fotovoltaiche ad alta efficienza per CPV. Questa tesi tratta della caratterizzazione completa delle celle in Silicio prodotte con i due layout innovativi. Le prestazioni delle celle sono state valutate in condizioni di buio (Dark) e di illuminazione a un sole (One sun) con un simulatore solare indoor. Inoltre le performance in concentrazione sono state misurate con il simulatore solare accoppiato ad un sistema ottico di concentrazione della luce costruito ad hoc. Infine l’efficienza di conversione quantica (External Quantum Efficiency) è stata studiata approfonditamente per mezzo di misure elettroottiche. Tra le celle studiate, le migliori prestazioni sono state riscontrate per un fattore di concentrazione equivalente a 40-80 soli con efficienze prossime al 22%, che ne suggerisce un’applicazione per sistemi a media concentrazione.