Exploiting bi-facial deposition of ALD AlOx for PERC solar cells

P-type silicon aluminium back surface field (Al-BSF) solar cells are currently the dominant solar cell technology in high-volume manufacturing and as the industry moves to increase conversion efficiency, the Passivated Emitter and Rear Cell (PERC) cell structure is widely expected to take up increasing market share, becoming the dominant cell technology by 2026. The PERC cell structure may be distinguished from its predecessor, the full-area aluminium back surface field (Al-BSF) solar cell, for the passivated back surface and localised point contact scheme. Surface passivation is usually achieved with a plasma enhanced chemical vapour deposition (PECVD) of amorphous hydrogenated silicon nitride layer (simply often reffered to as SiNx) on the front side of the cell and an atomic layer deposited (ALD), or again PECVD, AlOx (capped with SiNx) film on the rear side. ALD deposited films, compared to other kind of deposition systems, provide an excellent level of surface passivation, spatial uniformity and precise growth control. However, two main disadvantages may be identified for the ALD deposition: long processing time and, due to the intrinsic property of the process, unintended deposition of AlOx on the front side of the wafer. In the present work, this wrap-around effect will be addressed. Parasitic deposition of AlOx on the front side of the wafer penetrating up to 1 mm has been reported with detrimental consequences when the AlOx deposition precedes front side SiNx deposition. Consequently, much effort, particularly at the equipment design level, has been devoted to ensure monofacial thin film processing, often leading to more complex production equipment with lower throughput. While new high-throughput deposition reactors, such as spatial ALD systems, solve the problem for the low deposition rates of lab-scale ALD reactors, the purpose of this work is to evaluate the effect of full-area AlOx wrap-around on the front side of the wafer when deposited on top of the SiNx film. It will be shown that a thin layer of AlOx of up to 5 nm on top of the standard SiNx ARC coating can actually reduce the contact resistance on the front metal grid. In particular, a 3 nm ALD AlOx layer resulted in even improved cell efficiency. Furthermore, the optimum firing temperature window appears to be wider for samples with a 3 or 5 nm layer in comparison to the control ones. These results may be of fundamental importance, given that it allows for more freedom and potentially cheaper production equipment and that it has recently been demonstrared that even ultra-thin layers of AlOx give high-quality surface passivation on the rear surface of p-type PERC solar cells. The work conducted for the purposes of this thesis is in preparation for publication as “A. To, A. Garavaglia, S. Tahir, Wei Min Li, Xiang Li, B. Hoex, The Effect of Bi-facial AlOx deposition on silicon solar cells, in IEEE Journal of Photovoltaics”.

Le celle solari al silicio costituiscono attualmente lo standard nella produzione industriale. Tra le diverse tipologie realizzabili, quella denominata Aluminium Back Surface Field solar cell (Al-BSF solar cell) è la tecnologia con la più grande fetta di mercato, con circa l’80% dello share del mercato mondiale. Tuttavia, la maggior parte della nuova produzione aggiunta nell’ultimo anno è di un altro tipo: si tratta della tecnologia Passivated Emitter and Rear Contact solar cell (PERC solar cell), che è ampiamente riconosciuta essere la tecnologia che sorpasserà la Al-BSF come nuovo standard industriale, raggiungendo il monopolio del mercato entro i prossimi dieci anni. Caratteristica fondamentale di quest’ultima tecnologia è, come si può intuire dal nome, la passivazione della superficie posteriore. Inoltre, per poter produrre questa struttura di cella solare è sufficiente aggiungere due step nella catena manifatturiera della già esistente Al-BSF. Per cui è lecito definire la PERC solar cell il diretto successore della presente cella solare standard. Uno dei due step sopracitati consiste nella deposizione di un film di materiale dielettrico sulla superficie posteriore della cella, realizzando cosi la passivazione della superficie stessa. Mentre per la superficie anteriore viene utilizzato un layer di SiNx che funge anche da anti-reflection coating (ARC) – utilizzato anche nella produzione della comune Al-BSF – per quanto riguarda la superficie posteriore della PERC solar cell, viene normalmente impiegato un layer di Al2O3 ricoperto ancora una volta dal SiNx che rende stabile la struttura. Questo film di AlOx, normalmente di spessore tra i 7nm e i 10 nm, può essere depositato con varie tecniche ma, rispetto alle altre, Atomic Layer Deposition (ALD) offre un’eccezionale passivazione della superficie, insieme ad uniformità spaziale e ad un controllo ottimale della composizione. Tuttavia, la reazione di deposizione è molto lenta (un reattore ALD di laboratorio impiega infatti ore per depositare un film di AlOx) ed in fase di deposizione può verificarsi una non voluta deposizione di AlOx sulla faccia superiore della cella (il cosiddetto wrap-around effect). Lo sviluppo di nuovi reattori ALD per la produzione di massa come lo spatial ALD o il temporal ALD risolve il problema della velocità di deposizione, mentre il lavoro sperimentale svolto per questa tesi si indirizza a risolvere il problema della deposizione sulla faccia frontale. Infatti solamente pochi lavori fino ad oggi hanno trattato di questo wrap-around effect, tutti riportando un effetto negativo sulle performance della cella solare. In questa tesi verrà dimostrato per la prima volta che un layer di ALD AlOx, depositato sulla faccia superiore della cella dopo lo standard ARC SiNx, non peggiora la performance della cella, bensì risulta in una migliore prestazione. In particolare verrà mostrato che un sottile layer di AlOx di 3 nm e 5 nm può diminuire le perdite associate con il contatto superiore della cella. In aggiunta sono state realizzate celle solari con 0, 3, 5, 7 e 10 nm di Al2O3 che ricopre entrambe le superfici della cella (in modo da simulare il wrap-around effect). I risultati mostrano che le celle solari realizzate con 3 nm di AlOx presentano un’efficienza maggiore rispetto ai provini standard che non presentano AlOx sulla faccia superiore. Questi risultati possono essere di grande rilievo, soprattutto considerando che il design di reattori ALD dove il wrap-around effect viene evitato e/o limitato risulta in maggiore difficoltà di utilizzo e minore output, ed inoltre che recentemente è stato dimostrato che anche layer ultra-sottili di AlOx possono offrire buona passivazione superficiale. Gli esperimenti sono stati realizzati tra agosto 2016 e marzo 2017 presso i laboratori della Scuola per le Energie Rinnovabili TYREE della University of New South Wales (UNSW) a Sydney, Australia. Il lavoro presentato in questa tesi verrà pubblicato come: “A. To, A. Garavaglia, S. Tahir, Wei Min Li, Xiang Li, B. Hoex, The Effect of Bi-facial AlOx deposition on silicon solar cells, in IEEE Journal of Photovoltaics”.