Atomic layer deposited alumina on black silicon: passivation, electrical properties and application to high-efficiency solar cells

Thumbnail Image

Files

isbn9789526075495.pdf (6.33 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-09-15
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2017

Department

Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Department of Electronics and Nanoengineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

121 + app. 49

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 144/2017

Abstract

The term ’black silicon’ (bSi) refers to a particular silicon texture with surface features smaller than the wavelength of light in the ultraviolet to near-infrared range, which results in a reflectance close to zero. This material is consequently highly considered for solar cells applications. In those structures, carrier recombination can be critical due to the large surface area, and eventually affects the solar cell performance. This thesis proposes ways to improve control and understanding of recombination mechanisms in bSi. This work first introduces atomic layer deposition (ALD) processes for Al2O3 growth that rely on ozone to improve the standard water-based process. Significantly higher passivation quality is obtained with ozone-based processes and is shown to depend on ozone concentration. This can be explained by definite improvements in terms of electrical interface characteristics, which are studied in detail and discussed in relation with the chemical composition of the silicon/dielectric interface. While the quality of the dielectric film is essential for bSi passivation, bSi geometry also plays a decisive role. A relationship between bSi surface recombination velocity and surface charge is determined empirically; it indicates that the electric field in bSi is significantly stronger than in planar substrates. As a result, one type of charge carriers is efficiently repelled from the bSi surface, and surface recombination velocities below 7 cm/s are obtained in lowly-doped n-type bSi passivated by Al2O3. Such performance is typically relevant for interdigitated back-contact (IBC) solar cells, which rely on a lowly-doped and well-passivated front surface. IBC cells of nand p polarities are fabricated, and an external quantum efficiency close to 95 % is obtained in most of the sunlight spectrum due to low reflectance and effective surface passivation. This results in an excellent bSi solar cell efficiency of 22.1 %. Finally, recombination mechanisms are studied in highly-doped bSi for applications in front contact solar cells. This work shows that the excessive recombination often encountered in diffused emitters can be avoided by ion implantation, which enables strict control of dopant dose while preserving the low bSi reflectance, and by Al2O3 passivation. High-efficiency solar cells with front side emitter can thus also be envisaged.

Musta pii kostuu piinanorakenteista ja vähentää huomattavasti valon heijastusta pinnalta. Musta pii onkin tullut viimeisinä vuosikymmeninä suosituksi tutkimuskohteeksi aurinkokennosovelluksissa. Mustassa piissä varauksenkuljettajien rekombinaatio kuitenkin lisääntyy suuremman pinta-alan takia, mikä heikentää aurinkokennon hyötysuhdetta. Tässä väitöskirjassa tutkitaan mustan piin rekombinaatioilmiöitä ja esitetään menetelmiä niiden vähentämiseksi. Työssä tutkitaan ensin atomikerroskasvatettuja aluminaohutkalvoja (Al2O3), joissa on käytetty otsonia lähtöaineena. Otsonipohjaisella prosessilla saavutetaan merkittävästi parempi passivointikyky kuin vesipohjaisella prosessilla. Tehokkaamman passivointikyvyn todettiin johtuvan piipinnan sähköisten ominaisuuksien paranemisesta, ja sen havaittiin riippuvan otsonipitoisuudesta. Väitöstutkimuksen perusteella Si/Al2O3-rajapinnan kemialliset ominaisuudet riippuvat hapetin-tyypistä ja vaikuttavat ohutkalvon passivoinnin tehokkuuteen. Lisäksi työssä kehitetään empiirinen kaava pinnan nanorakenteiden dimensioiden vaikutuksesta passivointitehokkuuteen, joka yhdistää pintarekombinaationopeuden ja pintavarauksen suuruuden. Al2O3-ohutkalvolla päällystetyn mustan piin pintavaraus aiheuttaa erittäin voimakkaan sähkökentän, mikä johtaa alle 7 cm/s pintarekombinaationopeuksiin heikosti seostetussa n-tyypin piissä. Tuloksia hyödynnetään takakontaktiaurinkokennoissa, jotka vaativat heikon etupinnan seostuksen ja tehokkaan pintapassivoinnin. Mustasta piistä valmistetuissa n- ja p-tyypin takakontaktikennoissa saavutetaan lähes 95 % ulkoinen kvanttihyötysuhde suurimmalla osalla auringonvalon spektrialuetta. Tämä vastaa 22.1 % kokonaishyötysuhdetta. Lopuksi tutkitaan boorilla seostetun mustan piin rekombinaatioilmiöitä. Diffuusiolla tehty seostus, joka on yleinen mikrovalmistustekniikka, aiheuttaa mustaan piihin voimakasta rekombinaatiota. Tässä työssä osoitetaan, että ioni-istutustekniikka mahdollistaa seostusannoksen tarkan kontrollin ja aiheuttaa vähemmän rekombinaatiota. Alumina-ohutkalvo edistää merkittävästi myös seostetun pinnan passivointia. Työssä esitelty menetelmä mahdollistaa siten korkean hyötysuhteen valmistamisen mustasta piistä myös etukontaktiaurinkokennoissa.

Description

Supervising professor

Savin, Hele, Prof., Aalto-University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland

Keywords

atomic layer deposition, black silicon, passivation, solar cells, Al2O3, atomikerroskasvatus, musta pii, passivointi, aurikokennot, alumiinioksidi

Other note

Parts

  • [Publication 1]: G. von Gastrow, S. Li, M. Putkonen, M. Laitinen, T. Sajavaara, H. Savin. Effect of ozone concentration on silicon surface passivation by atomic layer deposited Al2O3. Applied Surface Science, 357, Part B, 2402-2407, October 2015. Post-print / author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201701191166.
    DOI: 10.1016/j.apsusc.2015.09.263 View at publisher
  • [Publication 2]: G. von Gastrow, R. Alcubilla, P. Ortega, M. Yli-Koski, S. Conesa-Boj, A. Fontcuberta i Morral, H. Savin. Analysis of the Atomic Layer Deposited Al2O3 field-effect passivation in black silicon. Solar Energy Materials & Solar Cells, 142, pp. 29-33, May 2015. Post-print / author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201701191104.
    DOI: 10.1016/j.solmat.2015.05.027 View at publisher
  • [Publication 3]: H. Savin, P. Repo, G. von Gastrow, P. Ortega, E. Calle, M. Garín, R. Alcubilla. Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve 22.1% efficiency. Nature Nanotechnology, 10, pp. 624-628, May 2015. Post-print / author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201506013056.
    DOI: 10.1038/nnano.2015.89 View at publisher
  • [Publication 4]: P. Ortega, E. Calle, G. von Gastrow, P. Repo, D. Carrió, H. Savin, R. Alcubilla. High-efficiency black silicon interdigitated back contacted solar cells on p-type and n-type c-Si substrates. Progress in Photovoltaics, 23, pp. 1448-1457, August 2015.
    DOI: 10.1002/pip.2664 View at publisher
  • [Publication 5]: G. von Gastrow, P. Ortega, R. Alcubilla, S. Husein, T. Nietzold, M. Bertoni, H. Savin. Recombination processes in passivated boron-implanted black silicon emitters. Journal of Applied Physics, 121, p.185706, April 2017. Post-print / author accepted version: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201706205649.
    DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4983297 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-7549-5

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC