Interdigitated back-contacted(IBC) c-Si solar cells based on laser processed dielectric layers
Authors:   , López Rodríguez Gema 
Published: August 2023

The goal of this thesis is the fabrication of high-efficiency interdigitated back-contact (IBC) c-Si solar cell at low temperature and low-cost manufacturing technology. This thesis proposes a new concept and at the same time a simple and elegant fabrication process that has been fully developed and culminated with the fabrication of a "cold" IBC solar cell as a proof-of-concept.
To carry out this proposal, we focus our research on the study and application of low-temperature processes such as Atomic Layer Deposition (ALD) and Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) to deposit dielectric layers. A process based on laser techniques was also developed to be applied on these dielectric layers to form p+ and n+ regions into the c-Silicon sample. The laser highly-doped regions are formed in a point-like structure avoiding the classical high-temperature diffusion process. The dielectrics used, Al2O3 and a-SiCx (n) stack , play the role of aluminum and phosphorous dopant sources respectively. A detailed study has been accomplished to find the best laser parameters and obtain the optimal p++ and n++ junction. At the same time, these layers work as excellent surface passivating films and improves the front and the rear reflectance. To get the film which better fulfills these tasks, an extensive investigation has been performed to optimize the deposition and post-deposition processes in terms of temperature, time and layer thickness.

In order to fabricate the "cold" IBC cell, we firstly developed a IBC cell performed on p-type FZ c-Si with a conventional phosphorous diffusion. The SiCx(n) stack passivated the n region interface as well as provided phosphorous atoms to create n++ regions or selective emitter structures after laser processing. The aluminium atoms supplied by the Al2O3 layer formed a p++ region or Back-surface field (BSF) after the laser processing and simultaneously passivated the p region interface. A promising efficiency of 18.7% (Jsc= 39.1 mA/cm2, Voc= 638 mV, FF= 75.3%) was obtained as a result of this new concept.
The first "cold" IBC cell was obtained after elimination of conventional phosphorous diffusion and rearrangement of the fabrication steps in order to reduce the thermal budget and the complex photolithographic steps. The laser employed is a pulsed Nd-YAG lamp-pumped working at 1064 nm in nanosecond regime. The efficiency achieved was 18.0% (Jsc = 39.2 mA/cm2, Voc= 647mV, FF= 71.1%) on 280 micras thick 2.5 Ohmcm n-type FZ Si with a designated area of 9 cm2. The final efficciency achieved of the final "Cold" IBC cell was 20% (Jsc= 40.5 mA/cm2, Voc = 650 mV and FF = 76.4%)) using a pulsed Nd:YVO4 Laser operating at 355 nm (UV). The total fabrication process was carried out at low temperatures (below 400 ºC) avoiding the high-temperature difussion processes.

El objetivo de este trabajo de tesis es el de la fabricación de células solares de alta eficiencia de tipo IBC (interdigitadas y contactadas en la parte posterior) a baja temperatura y bajo coste. En esta tesis se propone un nuevo concepto de fabricación simple y elegante que se ha llevado a cabo de manera exitosa resultado en la fabricación de dichas células como prueba de concepto.Para llevar a cabo este propósito, la investigación se ha focalizado en el estudio y aplicación de procesos a baja temperatura como la técnica de depósito de capas a nivel atómico (ALD) y el depósito químico en fase vapor con plasma (PECVD). También se ha desarrollado un proceso basado en el dopado láser utilizando capas dieléctricas para formar regiones dopadas p+ y n+ en el sustrato de silicio cristalino. Estas regiones altamente dopadas, están formadas siguiendo una estructura de puntos y utiliza Al2O3 y a-SiCx (n) como fuente de aluminio y fósforo respectivamente. Se ha realizado un estudio detallado con la finalidad de encontrar los parámetros del láser que proporcionen el mejor comportamiento eléctrico de las uniones p+/n y n+/p formadas. Para obtener las capas dieléctricas que mejor cumple con estas finalidades se ha realizado un estudio exhaustivo que optimiza el depósito de Al2O3 en términos de temperatura, tiempo y grosor de la capa.Con la finalidad de fabricar las células de tipo IBC "frías", primero se has desarrollado las primeras células solares de tipo IBC sobre c-Si (FZ) de tipo p realizando una difusión convencional de fósforo en horno a alta temperatura y se ha combinado con el dopado con láser . Se ha utilizado un "stack n" formado por a-SiCx(i)/a-Si(n)/a-SiCx para pasivar la superficie previamente difundida y como fuente de átomos de fósforo para formar regiones puntuales fuertemente dopadas n++ (emisores selectivos) después del procesado láser. Por otro lado un "stack p" formado por Al2O3/ a-SiCx provee de átomos de aluminio para crear las regiones puntuales p++ a la vez que pasiva la superficie del silicio. Como resultado se ha obtenido una eficiencia del 18.7% (Jsc= 39.1 mA/cm2, Voc= 638 mV, FF= 75.3%) .La primera célula IBC "fria" se ha obtenido después de eliminar la difusión convencional de fósforo y reestructurar los pasos de fabricación con la finalidad de eliminar procesos a alta temperatura y reducir pasos fotolitográficos que añaden complejidad al proceso. Para la realización de los contactos de emisor y base se ha utilizado un láser pulsado de 1064 nm (Nd-YAG en régimen de nanosegundos) . Se ha obtenido una eficiencia de 18% (Jsc = 39.2 mA/cm2, Voc= 647mV, FF= 71.1%) en c-Si tipo n (FZ) de 280µm, 2.5 Ocm y un área de 9 cm2. Finalmente, la realización de los contactos de la célula utilizando un láser de 355 nm (Nd:YVO4) ha permitido conseguir células solares IBC con eficiencias del 20% (Jsc= 40.5 mA/cm2, Voc = 650 mV and FF = 76.4%) . La técnica de dopado láser, junto con los depósitos de capas dieléctricas a baja temperatura a demostrado ser viable para la fabricación de células solares de tipo IBC de alta eficiencia a bajas temperaturas ( <400 C) y bajo coste.