Silizium-Flüssigphasenepitaxie (LPE) : dünne Schichten auf kostengünstigen Si-Substraten und neuartige Metallisierungskonzepte für photovoltaische Anwendungen
Silizium-Flüssigphasenepitaxie (LPE) : dünne Schichten auf kostengünstigen Si-Substraten und neuartige Metallisierungskonzepte für photovoltaische Anwendungen
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2002
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Kopecek, Radovan
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Title in another language
Liquid phase epitaxy (LPE) of silicon,thin layers on cost effective Si-substrates and novel metallisation concepts for photovoltaic applications
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Dissertation
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Abstract
Within this work the epitaxial solution growth of thin silicon (Si)-layers on cost effective
Si-substrates was investigated. The properties of these layers were adapted to the processing
of thin film solar cells. This technology could help to decrease the shortage of pure Si for
photovoltaic applications in the future.
In the course of this study a broad spectrum of growth parameters were varied in order to
investigate their influence on the quality of the epitaxial layer. It was shown that the use of
the melt back technique is necessary and in addition the growth rate has to be lower than
0.5 µm/min to obtain continuous Si-layers.
In order to still enable an industrial application of the LPE technique regarding such low growth
rates, a new stack procedure was applied where several substrates were dipped into the growth
solution at once. Using thin layers grown with this technique the efficiency of industrially
processed solar cells was essentially improved compared to fast, single grown layers. Open
circuit voltages of nearly 600 mV and fill factors of up to 76.4 % led to a record efficiency
of 10.0 %. Simulations showed that efficiencies above 13 % are possible.
During LPE experiments with microscopically grooved substrates an interesting observation
led to the idea to take advantage of the wetting properties of the tin solvent in order to metallise
the solar cell. This novel contacting technique is based on the so called Buried Contact Solar
Cell (BCSC) technology. The cells showed excellent contact properties. Finger resistances of
500 mOhm/cm, specific contact resistances in the range of 0.1 mOhm-cm2 and fill factors of up to
78 % are comparable with parameters obtained by industrial BCSCs.
Si-substrates was investigated. The properties of these layers were adapted to the processing
of thin film solar cells. This technology could help to decrease the shortage of pure Si for
photovoltaic applications in the future.
In the course of this study a broad spectrum of growth parameters were varied in order to
investigate their influence on the quality of the epitaxial layer. It was shown that the use of
the melt back technique is necessary and in addition the growth rate has to be lower than
0.5 µm/min to obtain continuous Si-layers.
In order to still enable an industrial application of the LPE technique regarding such low growth
rates, a new stack procedure was applied where several substrates were dipped into the growth
solution at once. Using thin layers grown with this technique the efficiency of industrially
processed solar cells was essentially improved compared to fast, single grown layers. Open
circuit voltages of nearly 600 mV and fill factors of up to 76.4 % led to a record efficiency
of 10.0 %. Simulations showed that efficiencies above 13 % are possible.
During LPE experiments with microscopically grooved substrates an interesting observation
led to the idea to take advantage of the wetting properties of the tin solvent in order to metallise
the solar cell. This novel contacting technique is based on the so called Buried Contact Solar
Cell (BCSC) technology. The cells showed excellent contact properties. Finger resistances of
500 mOhm/cm, specific contact resistances in the range of 0.1 mOhm-cm2 and fill factors of up to
78 % are comparable with parameters obtained by industrial BCSCs.
Summary in another language
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das epitaktische Wachstum von dünnen Silizium (Si)-Schichten
aus einer Wachstumslösung auf Si-Substraten untersucht. Die Schichtbeschaffenheit und
-qualität wurde an die Herstellung von Solarzellen aus dünnen Si-Schichten auf kostengünstigen
Si-Substraten angepasst. Diese Technologie kann in der Zukunft zur Entschärfung des Mangels
an reinem Si in der Photovoltaik-Industrie beitragen.
Im Laufe der Arbeit wurde ein breites Spektrum von Wachstumsparametern variiert und deren
Einfluss auf die Schichtqualität untersucht. Es wurde gezeigt, dass die Anwendung eines melt
back vor der Epitaxie notwendig ist, um unterbrechungsfreie Schichten herstellen zu können.
Weiter wurde beobachtet, dass ausschließlich bei einer Wachstumsrate von unter 0,5 µm/min
unterbrechungsfreie LPE-Schichten abgeschieden werden können.
Um trotz geringer Wachstumsraten die LPE-Methode für die industriellen Anwendung interessant
zu machen, wurde ein Stapel-Verfahren entwickelt, bei dem mehrere Substrate gleichzeitig
beschichtet werden können. Der Wirkungsgrad der mit industriellen Techniken hergestellten
Solarzellen aus solchen LPE-Schichten wurde im Vergleich zur bisherigen Herstellungstechnik
mit schnellen Wachstumsraten wesentlich verbessert. Offene Klemmenspannungen von nahezu
600 mV und Füllfaktoren bis zu 76,4 % führten zu einem Rekordwirkungsgrad von 10,0 %.
Simulationen zeigten, dass ein Wirkungsgrad von über 13 % möglich ist.
Durch eine Beobachtung bei LPE-Abscheidungen auf vorstrukturierten Substraten entstand die
Idee, die benetzende Eigenschaft der Zinn-Wachstumslösung zur Kontaktierung von Buried
Contact Solarzellen (BCSC) auszunutzen. Die prozessierten Solarzellen zeigten sehr gute
Kontakteigenschaften. Fingerwiderstände von 500 mOhm/cm, spezifische Kontaktwiderstände
im Bereich von 0,1 mOhm-cm2 und Füllfaktoren bis zu 78 % sind mit den Parametern von
industriellen BCSCs vergleichbar.
aus einer Wachstumslösung auf Si-Substraten untersucht. Die Schichtbeschaffenheit und
-qualität wurde an die Herstellung von Solarzellen aus dünnen Si-Schichten auf kostengünstigen
Si-Substraten angepasst. Diese Technologie kann in der Zukunft zur Entschärfung des Mangels
an reinem Si in der Photovoltaik-Industrie beitragen.
Im Laufe der Arbeit wurde ein breites Spektrum von Wachstumsparametern variiert und deren
Einfluss auf die Schichtqualität untersucht. Es wurde gezeigt, dass die Anwendung eines melt
back vor der Epitaxie notwendig ist, um unterbrechungsfreie Schichten herstellen zu können.
Weiter wurde beobachtet, dass ausschließlich bei einer Wachstumsrate von unter 0,5 µm/min
unterbrechungsfreie LPE-Schichten abgeschieden werden können.
Um trotz geringer Wachstumsraten die LPE-Methode für die industriellen Anwendung interessant
zu machen, wurde ein Stapel-Verfahren entwickelt, bei dem mehrere Substrate gleichzeitig
beschichtet werden können. Der Wirkungsgrad der mit industriellen Techniken hergestellten
Solarzellen aus solchen LPE-Schichten wurde im Vergleich zur bisherigen Herstellungstechnik
mit schnellen Wachstumsraten wesentlich verbessert. Offene Klemmenspannungen von nahezu
600 mV und Füllfaktoren bis zu 76,4 % führten zu einem Rekordwirkungsgrad von 10,0 %.
Simulationen zeigten, dass ein Wirkungsgrad von über 13 % möglich ist.
Durch eine Beobachtung bei LPE-Abscheidungen auf vorstrukturierten Substraten entstand die
Idee, die benetzende Eigenschaft der Zinn-Wachstumslösung zur Kontaktierung von Buried
Contact Solarzellen (BCSC) auszunutzen. Die prozessierten Solarzellen zeigten sehr gute
Kontakteigenschaften. Fingerwiderstände von 500 mOhm/cm, spezifische Kontaktwiderstände
im Bereich von 0,1 mOhm-cm2 und Füllfaktoren bis zu 78 % sind mit den Parametern von
industriellen BCSCs vergleichbar.
Subject (DDC)
530 Physics
Keywords
Metallisierung,Buried-Contact-Technologie,solar cell,thin film solar cell,epitaxy,metallisation,buried contact technology
Conference
Review
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Cite This
ISO 690
KOPECEK, Radovan, 2002. Silizium-Flüssigphasenepitaxie (LPE) : dünne Schichten auf kostengünstigen Si-Substraten und neuartige Metallisierungskonzepte für photovoltaische Anwendungen [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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Examination date of dissertation
November 13, 2002