Advanced electrical characterization of passivation layers for highly efficient solar cells applications

In the last decades, huge efforts have been done in order to find alternative energy sources which can replace fossil fuels; in this scenario, an important role is played by solar photovoltaic, and in particular by silicon solar cells, currently dominating the market. Different mechanisms have been developed in order to increase the efficiency of these cells, one of them being the so called passivation; a dielectric layer is deposited on the surface of the solar cell, playing a dual role: it saturates the dangling bonds present on the surface (chemical passivation) and leads to a reduction of the recombination rate through the electric field generated by fixed charges in the passivation layer (field effect passivation). In this thesis, electrical characterization of passivation layers has been performed, evaluating the density of interface traps and the total amount of fixed charges through MOS capacitance-voltage (C-V) and Corona Oxide Characterization Of Semiconductors (COCOS) measurements, aimed at a better understanding of the properties of the layer itself, in order to improve its performances. N-type Al2O3-passivated samples present a hysteretic behaviour, related to charge trapping and de-trapping events; four different trap sites have been identified, hysteresis and fast traps, both presenting short time constants, and two different kinds of slow traps, with longer time constants, ranging from tens to thousands of seconds. The trapping event is described as a first order chemical reaction involving one electron and one empty trap site, and the analysis of the charging rate, derived from measurements' results, allows to evaluate the total amount of available trap sites and their time constant. Measurements are performed upon the application of a voltage stress, namely a constant voltage for a certain time interval; the effect of the voltage hold time has been investigated, and it is possible to see that longer stressing time lead to higher time constants, both for fast and slow traps. The work presented in this thesis has been developed at the ''Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE)'' in Freiburg, Germany.

La richiesta energetica globale e la necessità di ridurre le emissioni di gas serra hanno portato allo sviluppo di energie rinnovabili, fonti alternative ai combustibili fossili; l'energia solare, e in particolare le celle solari a base di silicio, giocano un ruolo fondamentale in questo ambito. Molteplici meccanismi e strategie atte ad aumentare l'efficienza di queste celle sono stati sviluppati; questo lavoro di tesi si focalizza sulla passivazione delle celle, ovvero la deposizione di un film di materiale dielettrico sulla superficie, con duplice effetto: saturazione dei dangling bonds (chemical passivation) e riduzione del tasso di ricombinazione, mediante l'applicazione di un campo elettrico generato dalle cariche fisse presenti nel dielettrico stesso (field effect passivation). Questo lavoro di tesi è incentrato sulla caratterizzazione elettrica dei film di passivazione, di cui vengono calcolate la densità di difetti all'interfaccia e il numero di cariche fisse mediante Corona Oxide Characterization Of Semiconductors (COCOS) e l'analisi delle curve capacità-voltaggio (C-V), in modo da poter meglio comprendere le proprietà del film stesso e migliorarne le prestazioni. Substrati di tipo n passivati con Al2O3 presentano un'isteresi nelle curve C-V, associata a eventi di carica e scarica dei difetti presenti nel film di passivazione; sono stati identificati quattro diversi tipi di difetti, quelli di isteresi, i cosiddetti difetti veloci e due diversi difetti lenti, caratterizzati da diverse velocità di carica. L'evento di carica, ovvero la cattura di un elettrone da parte di un difetto, viene descritta come una reazione chimica del primo ordine, e il numero totale di siti disponibili e la costante di tempo della reazione sono stati calcolati mediante l'analisi della velocità di caricamento, ottenuta direttamente dall'analisi delle curve C-V. L'effetto di uno stress elettrico sulle proprietà del film di passivazione è stato analizzato, mediante l'applicazione di un voltaggio costante per intervalli di tempo variabili; i risultati mostrano che tempi di stress più lunghi portano a costanti di tempo più lunghe, per tutti i tipi di difetti. Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto nell'ambito di una collaborazione dell'autrice con il ''Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE)'' di Freiburg, Germania.