Aluminum-Silicon Contact Formation Through Narrow Dielectric Openings : Application To Industrial High Efficiency Rear Passivated Solar Cells

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Zusammenfassung

The research presented in this thesis addresses several insights into a deeper understanding of local contact formation during sintering of screen printed aluminum pastes with p-type silicon substrates. The physical observations showed that the contact resistivity of thin aluminum fingers depends on the dielectric opening areas where the Al-Si alloy is formed. Contrary to our expectations, the shallowest dielectric barrier opening resulted in the lowest contact resistivity of 8 mOhmcm2. On solar cell level a reduction of the contact area for screen printed Al fingers led to a reduction of the series resistance losses. At the same time, narrow Al-Si alloy formations minimized the impact of the openings on the optical properties of the rear side, increasing the dielectric passivated area below the contacts, and reducing the short circuit current and open circuit voltage losses.

The study presented in this thesis contributed to the understanding of diffusion of silicon through dielectric openings into the aluminum thick layer. For the first time, the spread limit of silicon in a screen printed aluminum layer was determined, and it was found that its value on each side of the dielectric opening does not depend on the contact area size but rather on the firing temperature. The spread limit of silicon in the screen printed thick aluminum layer is thus predicted to 75, 225, and 375 µm for temperatures of 750, 850, and 950 °C, respectively. Additionally, the formation of voids instead of an Al-Si eutectic layer was explained by the Kirkendall effect (diffusivity of Si is higher than diffusivity of Al in Al-Si alloys), and also depends on the contact spacing, aluminum paste amount, temperature and cooling rate, factors that limit the diffusion of silicon during the sintering in this type of alloys. It was also shown that gravity may strongly affect the local Al-Si eutectic morphology. The presence of voids was partially avoided by changing the gravity field orientation parallel to the normal solidification direction of the solid/liquid phase (i.e. by sintering the solar cells front side down). Several suggestions to minimize the presence of voids in the alloy were presented which should lead to a better formation of the local back surface field (extremely important for the solar cell performance). The results presented may be applied to the sintering of screen-printed pastes on solar cells in order to reduce series resistance losses due to a better local back surface field formation. Thus, the understanding and avoiding of the well known problem of voids was thoroughly analyzed. Furthermore, simple low cost industrial processes with optimized rear local contacts for the fabrication of PERC solar cells for industrial application were presented, leading to high efficiency gains. By the end of the thesis, an all PECVD-based rear surface passivation was used as an alternative to thermal oxidation, saving processing costs and minimizing the thermal budget for the multicrystalline substrate. The use of industrial accessible equipment and processing, such as screen printing for metallization and PECVD deposition for antireflection coatings, showed the high potential of those concepts to be incorporated into existing industrial cell lines. The results presented in the field of contact formation are supported by the high efficiency results that were achieved. This thesis presents advancement in applying the rear passivated solar cell concept in industrial production.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Die hier dargestellte Forschung gibt einen Einblick in die lokale Kontaktbildungen, die während des Sinterns von siebgedruckten Aluminium Pasten mit p-Typ-Silizium-Substraten entsteht, und dient zum besseren Verständnis derselbigen. Auf der Ebene der Solarzelle ist festzustellen, dass Füllfaktor-Verluste durch eine Reduzierung der Kontaktfläche der siebgedruckten Aluminium-Finger mit dem darunter liegenden Silizium verringert werden können (Kontaktfläche < metallisierte Fläche). Hinsichtlich der optischen Eigenschaften der Rückseite der Solarzelle ist festzustellen, dass die schmalen Al-Si-Legierungsbildungen zu einer Vergrößerung des dielektrisch passivierten Bereichs unterhalb der Kontakte und damit zu einer Verringerung der Verluste bei Kurzschlussstrom und Leerlaufspannung beitrugen.

Diese Dissertation leistet einen Beitrag zum Verständnis der Diffusion von Silizium aus lokalen Kontaktöffnungen in die Aluminiumkontaktschicht. Es wurde zum ersten Mal die begrenzte Verbreitung von Silizium in einer siebgedruckten Aluminiumschicht gemessen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Siliziumkonzentration auf beiden Seiten der Kontaktöffnungen nicht von der Kontaktfläche abhängig ist, sondern nur von der Feuertemperatur. Die Verteilungsbreite von Silizium in der siebgedruckten Aluminiumschicht kann somit vorausgesagt werden, und verändert sich entsprechend der Feuertemperatur in konstanten Werten von 75, 225, und 375 µm für 750, 850 und 950 °C. Die Entstehung von Hohlräumen anstelle von Al-Si Eutektikumschichten wurde anhand des Kirkendall-Effekts erklärt. Es wurde auch gezeigt, dass die Ausrichtung des Gravitationsfeldes einen starken Einfluss auf die lokale Al-Si Eutektikum Morphologie hat. Das Auftreten von Hohlräumen wurde teilweise durch eine Änderung der Ausrichtung des Gravitätfeldes parallel zur normalen Kristallisierungsrichtung der fest/flüssig-Phase verhindert. Diese Herangehensweise führte zu einer verbesserten Bildung des (lokalen) BSF, das für die Leistung der Solarzelle extrem wichtig ist. Durch Anwendung des hier gewonnen Wissens und bei entsprechender Reduzierung der durch Hohlräume verursachten Probleme, könnten die Serienwiderstandsverluste durch bessere lokale Kontakt-Bildung verringert werden. Außerdem wurden einfache und kostengünstige industrielle Prozesse zur Herstellung von PERC Solarzellen vorgeschlagen, die zu einer industriellen Anwendung von hocheffizienten Solarzellen führen sollen. Am Ende der Arbeit wurde eine PECVD-basierte Rückseitenpassivierung als Alternative zur thermischen Oxidation eingesetzt, die Prozesskosten sparen kann, und das thermische Budget für multikristalline Silizium-Substrate reduziert. Die Verwendung einer industriell zugänglichen Ausstattung und Verarbeitung, wie Siebdruck für die Metallisierung und PECVD für die Abscheidung von Antireflexschichten, zeigten das hohe Potential dieser Konzepte, die zweifelsohne in bestehende industrielle Zelllinien integriert werden können. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeiten können angewendet werden, um den Wirkungsgrad von industriell produzierten Solarzellen zu erhöhen. Die hohen erzielten Wirkungsgrade bestätigen die Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse für den Bereich der Kontaktbildung. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie das Konzept der auf der Rückseite passivierten Solarzellen verbessert und dementsprechend in der industriellen Produktion verwendet werden kann.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
solar cells, silicon alloys, aluminium, alloys, compounds, gravity, sintering, contact resistance, chemical interdiffusion, firing (materials), dielectric thin films, passivation, protective coating, scanning electron microscopy, back-surface-field, voids (solid), kirkendall effect
Konferenz
Rezension
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Zitieren
ISO 690URREJOLA, Elias, 2012. Aluminum-Silicon Contact Formation Through Narrow Dielectric Openings : Application To Industrial High Efficiency Rear Passivated Solar Cells [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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May 23, 2012
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