Silicon Heterojunction solar cells (HJT) are a promising photovoltaic technology, providing high energy conversion efficiencies. Their design is based on the introduction of a wider-bandgap material film that separates the metal contacts from the crystalline silicon (c-Si) wafer, in order to reduce the recombination and thus enabling to reach high open circuit voltage values. The material used for such scope is hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H), which has also the advantage of requiring low-temperature deposition processes, hence reducing the production costs. In bifacial rear emitter HJT solar cell, the boron-doped a-Si:H layer collects holes at the back, while the phosphorous-doped layer collects electrons at the front. In between the c-Si absorber and the doped layers, a thin film of intrinsic a-Si:H is inserted in order to provide good surface passivation by reducing the density of interface defect states. In this thesis, first, bifacial rear emitter heterojunction solar cell characteristics and fabrication processes are described in detail, and some measurements characterizing the production steps are illustrated. Then, the effect of chemical passivation on the HJT solar cell performance is evaluated from computer simulations. A MATLAB code has been implemented following the Girisch model of surface recombination, based on the condition of charge neutrality at the interface. The simulation has been validated by photoconductance effective lifetime measurements on two samples consisting of a (i)a-Si:H/(n)c-Si/(i)a-Si:H symmetric structures, showing different results. The fitting of the higher effective lifetime curve occurred for a lower value for the density of interface states. Simulations on the effect of increasing values of defect densities on the carrier lifetime have been performed, showing stronger decrease of lifetime values at low injection levels. Finally, the effect of surface recombination on open circuit voltage is evaluated by considering the measured implied voltages of the two samples, showing the impact of a good surface passivation on this parameter.
Le celle solari ad eterogiunzione (HJT) rappresentano una tecnologia fotovoltaica promettente poichè forniscono elevati valori di efficienza. La loro struttura è basata sull'introduzione di uno strato di materiale con un band-gap maggiore che separa i contatti metallici dal wafer di silicio cristallino (c-Si), con lo scopo di ridurre la ricombinazione e conseguentemente ottenere valori elevati di tensione a circuito aperto. Il materiale utilizzato per questo proposito è il silicio amorfo idrogenato (a-Si:H), il quale ha l'ulteriore vantaggio di richiedere processi di deposizione a basse temperature, riducendo quindi i costi di produzione. Nelle celle bifacciali HJT con emettitore posteriore, lo strato di a-Si:H dopato con boro svolge la funzione di raccoglimento delle lacune sul retro, mentre lo strato dopato con fosforo raccoglie gli elettroni verso la parte anteriore. Tra il substrato di c-Si e gli strati drogati, viene inserito un film sottile di a-Si:H intrinseco, per garantire una buona passivazione della superficie attraverso la riduzione della densità di difetti all'interfaccia. In questa tesi, inizialmente vengono descritte nel dettaglio le caratteristiche e i processi di fabbricazione delle celle solari HJT bifacciali con emettitore posteriore, e vengono illustrate alcune misure caratterizzanti gli step produttivi. Successivamente, l'effetto della passivazione chimica sulle performance delle celle HJT viene valutato per mezzo di simulazioni. E' stato implementato un codice MATLAB seguendo il modello di Girisch per la ricombinazione superficiale, basato sulla condizione di neutralità di carica all'interfaccia. La simulazione è stata validata attraverso misure di fotoconduttività di tempi effettivi di vita media su due campioni, costituiti da una struttura simmetrica di (i)a-Si:H/(n)c-Si/(i)a-Si:H che mostrano valori diversi. La curva caratterizzata da un maggiore tempo di vita media è stata ottenuta nella simulazione utilizzando un valore minore di densità di stati interfacciali. Sono state eseguite inoltre simulazioni del tempo di vita media per valori crescenti di densità di difetti, mostrando un decremento della vita media, soprattutto a basso livello di iniezione. Infine, viene valutato l'effetto della ricombinazione superficiale sulla tensione a circuito aperto, attraverso le misure di iVoc dei due campioni, e viene mostrato l'impatto di una buona passivazione su tale parametro.
Silicon heterojunction solar cells : a passivation effect analysis
OTTANÀ, ALESSANDRA
2018/2019
Abstract
Silicon Heterojunction solar cells (HJT) are a promising photovoltaic technology, providing high energy conversion efficiencies. Their design is based on the introduction of a wider-bandgap material film that separates the metal contacts from the crystalline silicon (c-Si) wafer, in order to reduce the recombination and thus enabling to reach high open circuit voltage values. The material used for such scope is hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H), which has also the advantage of requiring low-temperature deposition processes, hence reducing the production costs. In bifacial rear emitter HJT solar cell, the boron-doped a-Si:H layer collects holes at the back, while the phosphorous-doped layer collects electrons at the front. In between the c-Si absorber and the doped layers, a thin film of intrinsic a-Si:H is inserted in order to provide good surface passivation by reducing the density of interface defect states. In this thesis, first, bifacial rear emitter heterojunction solar cell characteristics and fabrication processes are described in detail, and some measurements characterizing the production steps are illustrated. Then, the effect of chemical passivation on the HJT solar cell performance is evaluated from computer simulations. A MATLAB code has been implemented following the Girisch model of surface recombination, based on the condition of charge neutrality at the interface. The simulation has been validated by photoconductance effective lifetime measurements on two samples consisting of a (i)a-Si:H/(n)c-Si/(i)a-Si:H symmetric structures, showing different results. The fitting of the higher effective lifetime curve occurred for a lower value for the density of interface states. Simulations on the effect of increasing values of defect densities on the carrier lifetime have been performed, showing stronger decrease of lifetime values at low injection levels. Finally, the effect of surface recombination on open circuit voltage is evaluated by considering the measured implied voltages of the two samples, showing the impact of a good surface passivation on this parameter.File | Dimensione | Formato | |
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Descrizione: SILICON HETEROJUNCTION SOLAR CELLS: A PASSIVATION EFFECT ANALYSIS
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