Contact electrodes for heterojunction silicon solar cells: Evaluations and optimizations of the electron contact - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Contact electrodes for heterojunction silicon solar cells: Evaluations and optimizations of the electron contact

Électrodes de contact pour cellules à hétérojonctions de silicium: Evaluations et optimisations du contact de type N

Résumé

Silicon heterojunction solar cells (SHJ) combining hydrogenated amorphous and crystalline silicon have demonstrated very high efficiencies in both laboratory and production environments. Further efficiency improvement is still possible with the main efforts to be focused on electronic transport properties, and on enhanced optical confinement at the various interfaces of the device. Transport mechanisms inside such devices are still not fully understood yet, in particular the electron and hole contacts are complex hetero-interfaces with several transport phenomena at play. Lateral transport has also to be fully considered, as a substantial amount of the current can spread laterally in the silicon wafer, in parallel to the transparent conductive oxide (TCO) layers. This work focuses on developing methods to evaluate the resistive losses in SHJ cells under dark and illumination conditions, to assess their possible origin, and proposing strategies for their reduction. For this purpose, experimental characterization procedures of the total series resistance as well as contact resistance of different contacts and interfaces are proposed and evaluated considering various sample designs and properties (wafer doping, effective lifetime, TCO conductivity, etc.). Confrontation of the results to existing analytical models showed the need for modification mainly related to the SHJ device design, while 2D TCAD simulations were used to give additional insights on the local transport mechanisms. The impact of illumination and temperature variations on those quantities is also studied. We show that extracting accurately TCO sheet resistance and Ag/TCO contact resistivity from TLM samples that are representative of the SHJ device (i.e. including amorphous / crystalline silicon materials underneath), requires for c-Si insulation to limit current flow through interfaces and in the bulk c-Si which leads to underestimate R"❏" of the TCO and overestimate ρ_C of the Ag/TCO contact. Emitter insulation and thick (i) a-Si:H layer strategies give satisfying results as the experimental data are not affected by bulk c-Si properties. Values as low as ρ_C (Ag/ITO)=0.11±0.03mΩ.cm² have been extracted from the studied samples. We report values of contact resistivities for the electron and hole contacts of respectively 75±13 mΩ.cm² and 292±54 mΩ.cm². We found that they feature large temperature dependence indicative of thermionic emission, and can be influenced by illumination intensity in some instances, meaning that the values determined in the dark may not be representative of MPP conditions. In the final device, lateral transport is found to be highly influenced by local carrier concentrations, in particular when high resistivity / high lifetime c-Si wafers are used. For a 22.3% efficiency M2 area SHJ cell with a 5-busbars design produced at CEA (INES), the series resistance is estimated to account for approximately 4.3% abs. Fill Factor (FF) and 1% abs. efficiency reduction. In this example, the electron and hole contacts are identified as being the main source of losses, accounting for 1.9% abs. FF, while lateral transport reduces FF by approximately 1.2% abs.
Les cellules photovoltaïques (PV) à hétérojonction de silicium (SHJ) combinant du silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) et cristallin (c-Si) ont démontré de très hauts rendements à la fois en laboratoire et en environnement de production. De nouvelles améliorations sont toujours possibles, avec un effort consacré à l’amélioration des propriétés de transport électronique, et à un meilleur confinement optique aux différentes interfaces du dispositif. Les mécanismes de transport dans ces cellules ne sont toujours pas complètement compris, notamment au niveau des couches de contact pour la collecte des électrons et des trous, qui sont de complexes hétéro-interfaces où plusieurs phénomènes de transport sont impliqués. Le transport latéral doit aussi être considéré totalement, puisqu’une partie importante du courant latéral circule dans le silicium cristallin, en parallèle de la couche d’oxyde transparent conducteur (OTC). Ces travaux de thèse portent sur l’évaluation des pertes résistives dans les cellules SHJ à l’obscurité et sous éclairement, sur celle de leur possible origine, et proposer ainsi des stratégies pour les réduire. Pour ce faire, des procédures expérimentales de caractérisation de la résistances série, ainsi que des résistances de contact des différents contacts et interfaces de la cellule sont proposés et évalués en considérant des échantillons de conception et propriétés variés (dopage du wafer, durée de vie, conductivité de l’OTC etc.). La confrontation de ces résultats à ceux des modèles analytiques classiques du PV montrent la nécessité de prendre en compte les spécificités de la cellule SHJ dans ces modèles, tandis que des simulations TCAD en 2D sont utilisées pour donner davantage d’indices sur les mécanismes de transport. L’impact de la variation de l’illumination et de la température sur ces valeurs est aussi étudié. Il est montré que pour extraire avec précision la résistance carrée de l’OTC et la résistivité de contact du contact Ag/OTC par des mesures sur des échantillons TLM représentatifs de la cellule SHJ, c’est-à-dire où l’OTC est déposé sur du silicium amorphe sur substrat cristallin, il faut isoler électriquement le c-Si pour limiter le passage du courant à travers les interfaces et le volume du silicium cristallin, qui entraine une sous-estimation de la mesure du R"❏" de l’OTC et une surestimation de la mesure de ρ_C pour le contact Ag/OTC. Des stratégies d’isolation par l’émetteur ou par une couche épaisse d’a-Si :H donnent des résultats satisfaisants puisque les données mesurées ne dépendent pas des propriétés du c-Si bulk. Des valeurs de l’ordre de ρ_C (Ag/ITO)=0,11±0,03mΩ.cm² sont extraites des échantillons étudiés (l’OTC étant de l’oxyde d’indium étain ou ITO dans cet exemple). De plus, les résistivités de contact des contacts électrons et trous sont mesurées respectivement à 75±13 mΩ.cm² et 292±54 mΩ.cm², avec une forte sensibilité à la température indicative de l’effet thermo-ionique. Ces valeurs peuvent être dans certains cas influencées par l’illumination incidente, ce qui montre l’importance de les mesurer dans des conditions représentatives de fonctionnement de ces cellules. Dans le dispositif final, le transport latéral est fortement influencé par la densité de porteurs de charge locale, en particulier lorsque des wafers à haute résistivité ou à haute durée de vie sont utilisés. Pour une cellule SHJ de 22,3% de rendement sur une surface M2 utilisant une conception à 5 busbars fabriquée au CEA, la résistance série est estimée impacter d’environ 4,3% abs. le facteur de forme (FF) et d’1% abs. le rendement. Dans cet exemple, les contacts électrons et trous sont identifiés comme étant les principales sources de pertes, correspondant à 1,9% abs. FF, tandis que le transport latéral réduit le FF d’approximativement 1,2% abs.
Fichier principal
Vignette du fichier
Version Finale Manuscript_Soumise_ADUM.pdf (7.84 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03622658 , version 1 (04-03-2021)
tel-03622658 , version 2 (29-03-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03622658 , version 1

Citer

Léo Basset. Contact electrodes for heterojunction silicon solar cells: Evaluations and optimizations of the electron contact. Physics [physics]. Université de Lille, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03622658v1⟩
320 Consultations
789 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More