Polycrystalline Silicon Passivating Contacts for High-Efficiency Silicon Solar Cells

Promovendus/a: Meriç Firat

Promotor(en): Prof. dr. ir. Jozef Poortmans, Dr. María Recamán Payo

Er bestaat een brede wetenschappelijke consensus dat het voldoen aan de groeiende vraag naar energie met behulp van fossiele brandstoffen geen haalbare optie is om een duurzame toekomst tot stand te brengen. Integendeel, er moet tegen 2050 worden overgeschakeld op een wereldwijd energiesysteem op basis van hernieuwbare energiebronnen met een netto-uitstoot van nul broeikasgassen, om de gemiddelde opwarming van de aarde te beperken tot 1,5-2°C en de negatieve gevolgen van de klimaatverandering te verzachten. Fotovoltaïsche energie (PV) is een technologie die het mogelijk maakt zonne-energie, de meest overvloedige hernieuwbare energiebron, rechtstreeks in elektriciteit om te zetten. Hoewel fotovoltaïsche zonne-energie al de goedkoopste bron van elektriciteit is geworden, moet de markt voor fotovoltaïsche zonne-energie snel groeien en tegen 2050 een jaarlijkse productiecapaciteit van ~3 TW bereiken, wat aanzienlijk meer is dan de huidige capaciteit van ~0,2 TW per jaar. Dit vereist een verdere verlaging van de kosten van fotovoltaïsche apparatuur, en de meest doeltreffende strategie hiervoor is het verhogen van het rendement van de zonnecellen en -modules, zonder de complexiteit en de productiekosten aanzienlijk te verhogen.

Het huidige hoofdproduct van de PV-industrie, de zogenaamde p-PERC silicium zonnecel, lijkt zijn limiet te hebben bereikt, met 24% als het maximaal haalbare gemiddelde rendement bij massaproductie. De komende n-TOPCon zonneceltechnologie bevat een passiveringscontact, dat het verlies in rendement van p-PERC zonnecellen vermindert ten gevolge van de recombinatie van elektrische ladingsdragers die door de absorptie van zonne-energie worden gegenereerd. Als gevolg daarvan leveren n-TOPCon-zonnecellen een hoger rendement op dan p-PERC, tot 26%. Niettemin vereist de fabricage van n-TOPCon zonnecellen extra processtappen in vergelijking met p-PERC, wat leidt tot vergelijkbare kosten voor de twee technologieën.

In dit proefschrift werden twee benaderingen bestudeerd om de complexiteit en de kosten van de fabricage van n-TOPCon zonnecellen te verminderen: (i) het gebruik van een vereenvoudigd (in situ) doteringsproces en (ii) het weglaten van een thermische gloei. Door de ontwikkeling van het in situ-doperingsproces werd een slankere fabricagevolgorde voor n-TOPCon-zonnecellen vastgesteld. Met deze aanpak werd experimenteel een hoog rendement van 23% aangetoond, en er werd een stappenplan opgesteld om het rendement op te voeren tot 25,5% door verdere ontwikkelingen. Hoewel het weglaten van de thermische gloei zou kunnen leiden tot een verdere vereenvoudiging van de fabricage, konden met deze methode geen zeer efficiënte zonnecellen worden aangetoond als gevolg van hoge recombinatieverliezen. De onderliggende redenen voor deze verliezen werden onderzocht en mogelijke verbeteringen werden voorgesteld.

Naast de vereenvoudiging van het fabricageproces werd ook een geavanceerd karakteriseringsonderzoek van de passiveringscontacten in n-TOPCon zonnecellen uitgevoerd om dergelijke toestellen nauwkeuriger te kunnen beschrijven en modelleren. Dit resulteerde in de eerste experimentele demonstratie van dopingafwijkingen grenzend aan de passiverende contacten, wat het begrip van het werkingsprincipe van n-TOPCon zonnecellen kan verbeteren.