Inkjet printing technology offers an economically viable and technologically feasible solution for upscaling solar cell technology, especially for next-generation manufacturing 4.0 of high-efficiency solar cells with TOPCon (Tunneling Oxide Passivated Contact). The work in this thesis is dedicated to the development of ink-specific optimized printing processes. To this end, rheological analysis of the inks is conducted and correlated with inkjet printing parameters. Successfully printed structures were further characterized to assess the electrical performance of the inks. Rheological response with respect to frequency, temperature and aging time was analyzed. With respect to frequency, results are obtained for a range of 1-10,000Hz. According to the results obtained in the inkjet range (2000Hz – 5000Hz), inks with complex viscosity (η*) in the range of 2-20mPa.s (constant or varying), usually produce smooth printing results. Actuation voltage required for jetting inks with this viscosity lies close to 25V, the default pulse voltage of inkjet printer. However, overall printing behavior depends more on elastic modulus (G´). Inks with elastic modulus less than 10Pa and more importantly, with an overall non-increasing trend (at least near the inkjet printing frequency range), favor good printability features such as minimum nozzle clogging and ideal droplet formation. Highly viscous inks with G ́ values as high as 200 Pa, fail to purge due to extremely high elasticity. Too high elasticity can lead to failure of drop separation. The role of viscous modulus (G´´) was also studied. Due to the inherent fluid nature of inks, G´´, which increases linearly with frequency, was always found to be higher than G´. Rheology with respect to temperature was studied by subjecting the inks to 25°C and 45°C. It was found that most inks obey conventional laws and show reduction in their properties (η*, G´, G´´) with increasing temperature. Some inks, however, exhibited the opposite effect - properties’ values increased with temperature. For such inks, correlation between printing and critical parameters has been drawn. Besides temperature, aging of inks and the impact of their shelf lives has also been studied. Electrical characterization conducted in this thesis, presents a comparative study of electrical characteristics of same inks on two different substrates. Both substrates possess high but different level of surface passivation quality through different depths of c-Si/SiOx/poly-Si junction developed on lifetime samples. Passivation of contacts is realized by an ultra-thin silicon oxide (SiOx) and an efficiently-doped poly-Si layer (TOPCon). These advancements are considered a follow-up technology of PERC cells and have made TOPCon a superior technology. TOPCon minimizes surface recombination, enables low contact resistivity, and provides high thermal stability. Therefore, in this work, industrially relevant solution for the formation of selectively doped n-TOPCon layers has also been addressed, by utilizing inkjet printing with the goal to provide a low contact resistance. It will be shown that inkjet printing of phosphorus dopant sources for thick plasma-enhanced chemical vapor deposition deposited (PECVD) TOPCon layers provides excellent surface passivation with iVoc = 734 mV, iFF = 87%, and a sufficient doping concentration of Npoly-Si ~ 2x1020. Similarly, for thin low pressure chemical vapor deposition deposited (LPCVD) TOPCon layers we again obtained remarkable surface passivation with iVoc = 710 mV, iFF = 85%. Multiple samples of both kinds have undergone different heat treatments thus setting forth best conditions for each kind to obtain highly promising results.

La tecnologia di stampa a getto d'inchiostro offre una soluzione economicamente conveniente e tecnologicamente fattibile per l'upscaling della tecnologia delle celle solari, in particolare per la produzione di prossima generazione 4.0 di celle solari ad alta efficienza con TOPCon (Tunneling Oxide Passivated Contact). Il lavoro di questa tesi è dedicato allo sviluppo di processi di stampa ottimizzati specifici per l'inchiostro. A tal fine viene condotta un'analisi reologica degli inchiostri, correlata ai parametri di stampa a getto d'inchiostro. Le strutture stampate con successo sono state ulteriormente caratterizzate per valutare le prestazioni elettriche degli inchiostri. È stata analizzata la risposta reologica rispetto alla frequenza, alla temperatura e al tempo di invecchiamento. Per quanto riguarda la frequenza, i risultati sono stati ottenuti per un intervallo di 1-10.000 Hz. Secondo i risultati ottenuti nell'intervallo a getto d'inchiostro (2000Hz - 5000Hz), gli inchiostri con viscosità complessa (η*) nell'intervallo 2-20mPa.s (costante o variabile), di solito producono risultati di stampa lisci. La tensione di azionamento richiesta per il getto d'inchiostro con questa viscosità si avvicina a 25V, la tensione di impulso predefinita della stampante a getto d'inchiostro. Tuttavia, il comportamento complessivo di stampa dipende maggiormente dal modulo elastico (G´). Gli inchiostri con modulo elastico inferiore a 10Pa e, cosa più importante, con una tendenza generale non crescente (almeno vicino alla gamma di frequenza di stampa a getto d'inchiostro), favoriscono buone caratteristiche di stampabilità come il minimo intasamento dell'ugello e la formazione ideale di goccioline. Inchiostri altamente viscosi con valori di G ́ fino a 200 Pa, non riescono a spurgare a causa dell'elasticità estremamente elevata. Un'elasticità troppo elevata può portare al fallimento della separazione delle gocce. È stato studiato anche il ruolo del modulo viscoso (G´´). A causa della natura fluida intrinseca degli inchiostri, G´´, che aumenta linearmente con la frequenza, è stato sempre trovato superiore a G´. La reologia rispetto alla temperatura è stata studiata sottoponendo gli inchiostri a 25°C e 45°C. Si è scoperto che la maggior parte degli inchiostri obbedisce alle leggi convenzionali e mostra una riduzione delle loro proprietà (η*, G´, G´´) con l'aumento della temperatura. Alcuni inchiostri, tuttavia, hanno mostrato l'effetto opposto - i valori delle proprietà aumentano con la temperatura. Per tali inchiostri è stata tracciata una correlazione tra la stampa e i parametri critici. Oltre alla temperatura, è stato studiato anche l'invecchiamento degli inchiostri e l'impatto della loro durata di conservazione. La caratterizzazione elettrica condotta in questa tesi, presenta uno studio comparativo delle caratteristiche elettriche degli stessi inchiostri su due diversi substrati. Entrambi i substrati possiedono un alto ma diverso livello di qualità di passivazione superficiale attraverso diverse profondità di c-Si/SiOx/poliestere sviluppato su campioni di durata. La passivazione dei contatti è realizzata da un ossido di silicio ultrasottile (SiOx) e da uno strato di poli-Si (TOPCon). Questi progressi sono considerati una tecnologia di follow-up delle celle PERC e hanno reso TOPCon una tecnologia superiore. TOPCon riduce al minimo la ricombinazione della superficie, consente una bassa resistività di contatto e fornisce un'elevata stabilità termica. Pertanto, in questo lavoro, è stata affrontata anche la soluzione industrialmente rilevante per la formazione di strati di n-TOPCon drogati selettivamente, utilizzando la stampa a getto d'inchiostro con l'obiettivo di fornire una bassa resistenza di contatto. Si dimostrerà che la stampa a getto d'inchiostro di fonti di droganti al fosforo per la deposizione di vapori chimici depositati (PECVD) a spessore con plasma potenziato TOPCon fornisce un'eccellente passivazione superficiale con iVoc = 734 mV, iFF = 87%, e una sufficiente concentrazione di doping di Npoly-Si ~ 2x1020. Allo stesso modo, per i sottili strati TOPCon di deposito di vapore chimico a bassa pressione depositati (LPCVD) abbiamo ottenuto ancora una volta una notevole passivazione superficiale con iVoc = 710 mV, iFF = 85%. Più campioni di entrambi i tipi sono stati sottoposti a diversi trattamenti termici, stabilendo così le migliori condizioni per ogni tipo, al fine di ottenere risultati molto promettenti.

Rheological analysis and Inkjet printing of dopant source inks for solar cell applications

, ZULKIFL HUSSAIN
2019/2020

Abstract

Inkjet printing technology offers an economically viable and technologically feasible solution for upscaling solar cell technology, especially for next-generation manufacturing 4.0 of high-efficiency solar cells with TOPCon (Tunneling Oxide Passivated Contact). The work in this thesis is dedicated to the development of ink-specific optimized printing processes. To this end, rheological analysis of the inks is conducted and correlated with inkjet printing parameters. Successfully printed structures were further characterized to assess the electrical performance of the inks. Rheological response with respect to frequency, temperature and aging time was analyzed. With respect to frequency, results are obtained for a range of 1-10,000Hz. According to the results obtained in the inkjet range (2000Hz – 5000Hz), inks with complex viscosity (η*) in the range of 2-20mPa.s (constant or varying), usually produce smooth printing results. Actuation voltage required for jetting inks with this viscosity lies close to 25V, the default pulse voltage of inkjet printer. However, overall printing behavior depends more on elastic modulus (G´). Inks with elastic modulus less than 10Pa and more importantly, with an overall non-increasing trend (at least near the inkjet printing frequency range), favor good printability features such as minimum nozzle clogging and ideal droplet formation. Highly viscous inks with G ́ values as high as 200 Pa, fail to purge due to extremely high elasticity. Too high elasticity can lead to failure of drop separation. The role of viscous modulus (G´´) was also studied. Due to the inherent fluid nature of inks, G´´, which increases linearly with frequency, was always found to be higher than G´. Rheology with respect to temperature was studied by subjecting the inks to 25°C and 45°C. It was found that most inks obey conventional laws and show reduction in their properties (η*, G´, G´´) with increasing temperature. Some inks, however, exhibited the opposite effect - properties’ values increased with temperature. For such inks, correlation between printing and critical parameters has been drawn. Besides temperature, aging of inks and the impact of their shelf lives has also been studied. Electrical characterization conducted in this thesis, presents a comparative study of electrical characteristics of same inks on two different substrates. Both substrates possess high but different level of surface passivation quality through different depths of c-Si/SiOx/poly-Si junction developed on lifetime samples. Passivation of contacts is realized by an ultra-thin silicon oxide (SiOx) and an efficiently-doped poly-Si layer (TOPCon). These advancements are considered a follow-up technology of PERC cells and have made TOPCon a superior technology. TOPCon minimizes surface recombination, enables low contact resistivity, and provides high thermal stability. Therefore, in this work, industrially relevant solution for the formation of selectively doped n-TOPCon layers has also been addressed, by utilizing inkjet printing with the goal to provide a low contact resistance. It will be shown that inkjet printing of phosphorus dopant sources for thick plasma-enhanced chemical vapor deposition deposited (PECVD) TOPCon layers provides excellent surface passivation with iVoc = 734 mV, iFF = 87%, and a sufficient doping concentration of Npoly-Si ~ 2x1020. Similarly, for thin low pressure chemical vapor deposition deposited (LPCVD) TOPCon layers we again obtained remarkable surface passivation with iVoc = 710 mV, iFF = 85%. Multiple samples of both kinds have undergone different heat treatments thus setting forth best conditions for each kind to obtain highly promising results.
CHIESA, ROBERTO CHIESA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
6-giu-2020
2019/2020
La tecnologia di stampa a getto d'inchiostro offre una soluzione economicamente conveniente e tecnologicamente fattibile per l'upscaling della tecnologia delle celle solari, in particolare per la produzione di prossima generazione 4.0 di celle solari ad alta efficienza con TOPCon (Tunneling Oxide Passivated Contact). Il lavoro di questa tesi è dedicato allo sviluppo di processi di stampa ottimizzati specifici per l'inchiostro. A tal fine viene condotta un'analisi reologica degli inchiostri, correlata ai parametri di stampa a getto d'inchiostro. Le strutture stampate con successo sono state ulteriormente caratterizzate per valutare le prestazioni elettriche degli inchiostri. È stata analizzata la risposta reologica rispetto alla frequenza, alla temperatura e al tempo di invecchiamento. Per quanto riguarda la frequenza, i risultati sono stati ottenuti per un intervallo di 1-10.000 Hz. Secondo i risultati ottenuti nell'intervallo a getto d'inchiostro (2000Hz - 5000Hz), gli inchiostri con viscosità complessa (η*) nell'intervallo 2-20mPa.s (costante o variabile), di solito producono risultati di stampa lisci. La tensione di azionamento richiesta per il getto d'inchiostro con questa viscosità si avvicina a 25V, la tensione di impulso predefinita della stampante a getto d'inchiostro. Tuttavia, il comportamento complessivo di stampa dipende maggiormente dal modulo elastico (G´). Gli inchiostri con modulo elastico inferiore a 10Pa e, cosa più importante, con una tendenza generale non crescente (almeno vicino alla gamma di frequenza di stampa a getto d'inchiostro), favoriscono buone caratteristiche di stampabilità come il minimo intasamento dell'ugello e la formazione ideale di goccioline. Inchiostri altamente viscosi con valori di G ́ fino a 200 Pa, non riescono a spurgare a causa dell'elasticità estremamente elevata. Un'elasticità troppo elevata può portare al fallimento della separazione delle gocce. È stato studiato anche il ruolo del modulo viscoso (G´´). A causa della natura fluida intrinseca degli inchiostri, G´´, che aumenta linearmente con la frequenza, è stato sempre trovato superiore a G´. La reologia rispetto alla temperatura è stata studiata sottoponendo gli inchiostri a 25°C e 45°C. Si è scoperto che la maggior parte degli inchiostri obbedisce alle leggi convenzionali e mostra una riduzione delle loro proprietà (η*, G´, G´´) con l'aumento della temperatura. Alcuni inchiostri, tuttavia, hanno mostrato l'effetto opposto - i valori delle proprietà aumentano con la temperatura. Per tali inchiostri è stata tracciata una correlazione tra la stampa e i parametri critici. Oltre alla temperatura, è stato studiato anche l'invecchiamento degli inchiostri e l'impatto della loro durata di conservazione. La caratterizzazione elettrica condotta in questa tesi, presenta uno studio comparativo delle caratteristiche elettriche degli stessi inchiostri su due diversi substrati. Entrambi i substrati possiedono un alto ma diverso livello di qualità di passivazione superficiale attraverso diverse profondità di c-Si/SiOx/poliestere sviluppato su campioni di durata. La passivazione dei contatti è realizzata da un ossido di silicio ultrasottile (SiOx) e da uno strato di poli-Si (TOPCon). Questi progressi sono considerati una tecnologia di follow-up delle celle PERC e hanno reso TOPCon una tecnologia superiore. TOPCon riduce al minimo la ricombinazione della superficie, consente una bassa resistività di contatto e fornisce un'elevata stabilità termica. Pertanto, in questo lavoro, è stata affrontata anche la soluzione industrialmente rilevante per la formazione di strati di n-TOPCon drogati selettivamente, utilizzando la stampa a getto d'inchiostro con l'obiettivo di fornire una bassa resistenza di contatto. Si dimostrerà che la stampa a getto d'inchiostro di fonti di droganti al fosforo per la deposizione di vapori chimici depositati (PECVD) a spessore con plasma potenziato TOPCon fornisce un'eccellente passivazione superficiale con iVoc = 734 mV, iFF = 87%, e una sufficiente concentrazione di doping di Npoly-Si ~ 2x1020. Allo stesso modo, per i sottili strati TOPCon di deposito di vapore chimico a bassa pressione depositati (LPCVD) abbiamo ottenuto ancora una volta una notevole passivazione superficiale con iVoc = 710 mV, iFF = 85%. Più campioni di entrambi i tipi sono stati sottoposti a diversi trattamenti termici, stabilendo così le migliori condizioni per ogni tipo, al fine di ottenere risultati molto promettenti.
Tesi di laurea Magistrale
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