Advanced c-Si solar cell structures: application of laser processes and optical nanostructures
Authors:   , Coll Valentí Arnau 
Published: June 2024

(English) This thesis works towards efficient and cost-effective methods to improve the performance of thin silicon solar cells. Focusing on two principal objectives, the Thesis develops novel techniques to enhance the production of colloidal crystals and the possibility to apply these crystals to improve the light trapping efficiency, as well as creating a unique structure for lased doped solar cells. Both advancements focus on improving the production solar cells using low-temperature processes and thin wafers, thus circumventing the dependences of high temperature procedures, while bolstering light trapping capabilities. This approach is motivated by the restarting trend to reduce silicon wafer thickness, therefore this work is pushed by the need to overcome the actual technical and physical constrains. The initial part of the Thesis focuses on the implementation of an electrospray system for the creation of colloidal crystals. These colloidal crystals are intended for application as photonic light trapping structures in solar cells. Afterwards, these structures are tested within a laser firing process to double check the viability to be used within the laser firing technique commonly used in solar cell fabrication.The main achievements within the electrospray deposition technique are the development of polystyrene and SiO2 colloidal crystals with areas in the range of 1-2cm2 and up to 17 layers of ordered particles while keep good optical quality. These layers are created at room temperature and with a process that could be adapted to batch processing and parallelized to increase the area. The technique has also been adapted to be used in non-even surfaces like C-Si pyramids or black silicon. At the same time, these structures had been used to create inverse colloidal crystals from Al2O3 and Al2O3 /TiO2 shells while getting rid of polystyrene nanoparticles. The final Al2O3 /TiO2 structure obtains high reflectivity values up to 98.2%. Finally, these inverse opals are created on top of Al2O3 passivated C-Si wafers. These structures are able to withstand a laser firing process while keeping the passivation, demonstrating the capability to be used with in the solar cells fabrication process.The second part of the thesis focuses in the creation of a process to achieve low temperature solar cells by means of highly-doped regions that are punctually defined through laser processed dielectric films. This technique call “DopLaCell” stand for doped by laser solar cell. In the initial stages of the process and as a proof of concept, 1x1 cm2 solar cells were created on both p- and n-type substrates with efficiencies of 11.6% and 12.8% respectively. In a second step, 1x1 cm2 n-type c-Si solar cells are created using the “cold” p+ emitters used in the “DopLaCell” structure. This second batch of solar cells uses a Heterojunction with Intrinsic Thin layer (HIT) in the front face. This approach avoids the use of Transparent Conductive Oxide (TCO) on the back side of the cell thus improving the reflectivity especially with IR photons. These cells reach efficiencies up to 18.1%. Finally the process is being improved towards a pure texturized “DopLaCell”. In this final step, totally “cold” 2x2 cm2 solar cells are fabricated with and efficiency up to 17.0 % .This work represents a one big step forward towards a future path of thin silicon solar cells fabrication, addressing the actual technology limitations and enabling the possibility to overcome the principal issues. This research lays the ground towards thin, affordable and efficient solar cells improving the path towards a more viable and eco-friendly energy future.
(Català) El focus de la tesi es la creació de mètodes eficients i rendibles per millorar l’eficiència de les cèl·lules solars de silici prim. Centrant-se en dos objectius principals, la tesi desenvolupa tècniques noves per millorar la producció de cristalls col·loïdals i la possibilitat d'aplicar-los per millorar l'eficiència capturant llum, així com la creació d'estructures úniques per a cèl·lules solars dopades amb làser. Ambdós avanços es centren a millorar la producció de cèl·lules solars utilitzant processos de baixa temperatura i làmines primes, evitant així les dependències dels processos d'alta temperatura, mentre reforcen les capacitats de captura de llum. Aquest enfocament està motivat per la tendència de reiniciar la reducció del gruix de la oblea de silici, per tant, aquest treball es impulsat per la necessitat de superar les restriccions tècniques i físiques actuals.
La part inicial de la tesi es centra en la implementació d'un sistema d'electrospray per a la creació de cristalls col·loïdals. Aquests cristalls estan destinats a ser aplicats com a estructures de captura de llum en cèl·lules solars. Posteriorment, aquestes estructures es proven dins d'un procés de làser per tal de verificar la viabilitat de ser adaptades a la tècnica de dispar làser utilitzada en la fabricació de cèl·lules solars.
Els principals assoliments dins de la tècnica de dipòsit per electrospray són el desenvolupament de cristalls col·loïdals de poliestirè i SiO2 amb àrees en el rang de 1-2 cm2 i fins a 17 capes de partícules ordenades mantenint una bona qualitat òptica. Aquestes capes es creen a temperatura ambient i amb un procés que podria fer-se en cadena i paral·lelitzat per augmentar l'àrea. La tècnica també s'ha adaptat per ser utilitzada en superfícies no uniformes com piràmides de C-Si o silici negre. Al mateix temps, aquestes estructures s'han utilitzat per crear cristalls col·loïdals inversos d'Al2O3 i Al2O3/TiO2 eliminant les nanopartícules de poliestirè. L'estructura final d'Al2O3/TiO2 obté valors de reflectivitat alts de fins a 98,2%. Finalment, aquests òpals inversos es creen sobre oblies de C-Si passivades amb Al2O3. Aquestes estructures són capaces de suportar un procés de dispar làser mantenint la passivació, demostrant la possibilitat de ser utilitzades en el processos de fabricació de cèl·lules solars.
La segona part de la tesi es centra en la creació d'un procés per aconseguir cèl·lules solars de baixa temperatura mitjançant regions altament dopades que estan definides puntualment a través de pel·lícules dielèctriques processades amb làser. Aquesta tècnica anomenada "DopLaCell" significa cèl·lula solar dopada per làser. En les etapes inicials del procés i com a prova de concepte, es van crear cèl·lules solars de 1x1 cm2 en substrats tant p com n, amb eficiències del 11,6% i 12,8%, respectivament. En un segon pas, es van crear cèl·lules solars de Si tipus n de 1x1 cm2 utilitzant els emissors p+ "freds" com els utilitzats en l'estructura "DopLaCell". Aquest segon lot de cèl·lules solars utilitza una Heterojunció amb Capa Fina Intrínseca (HIT) a la cara frontal. Aquest enfocament evita l'ús d'òxid conductor transparent (TCO) al costat posterior de la cèl·lula, millorant així la reflectivitat especialment per als fotons infrarojos i aconseguint eficiències de fins al 18,1%. Finalment, el procés es va millorant cap a una "DopLaCell" texturitzada pura. En aquest últim pas, es van fabricar cèl·lules solars totalment "fredes" de 2x2 cm2 amb una eficiència de fins al 17,0%.
Aquest treball representa un gran avanç cap a un futur de fabricació de cèl·lules solars de silici prim, abordant les limitacions tecnològiques actuals i permetent la possibilitat de superar els problemes principals. Aquesta investigació estableix les bases per la creació de cèl·lules solars primes, assequibles i eficients, millorant el camí cap a un futur energètic més viable i respectuós amb el medi ambient.
(Español) El foco de la tesis es la creación de métodos eficientes y rentables para mejorar el rendimiento de las células solares de silicio delgadas. Centrándose en dos objetivos principales, el desarrollo de técnicas novedosas para mejorar la producción de cristales coloidales y la posibilidad de aplicar estos mismos para mejorar la eficiencia de atrapamiento de luz, así como la creación de estructuras únicas para células solares dopadas con láser. Ambos avances se centran en mejorar la producción de células solares utilizando procesos de baja temperatura y láminas delgadas, evitando así las dependencias de los procesos de alta temperatura, al tiempo que refuerzan las capacidades de atrapamiento de luz. Este enfoque está motivado por la tendencia de reiniciar la reducción del grosor de la oblea de silicio, por lo tanto, este trabajo se impulsa por la necesidad de superar las restricciones técnicas y físicas actuales.La parte inicial de la tesis se centra en la implementación de un sistema de electrospray para la creación de cristales coloidales. Estos cristales están destinados a ser aplicados como estructuras de atrapamiento de luz en células solares. Posteriormente, estas estructuras se prueban dentro de un proceso de disparo láser para verificar la viabilidad de ser utilizadas con la técnica de disparo láser comúnmente utilizada en la fabricación de células solares.Los principales logros dentro de la técnica de depósito por electrospray son el desarrollo de cristales coloidales de poliestireno y SiO2 con áreas en el rango de 1-2 cm2 y hasta 17 capas de partículas ordenadas manteniendo una buena calidad óptica. Estas capas se crean a temperatura ambiente y con un proceso que podría hacerse en cadena y paralelizado para aumentar el área. La técnica también se ha adaptado para ser utilizada en superficies no uniformes como pirámides de C-Si o silicio negro. Al mismo tiempo, estas estructuras se han utilizado para crear cristales coloidales inversos de Al2O3 y Al2O3/TiO2 eliminando las nanopartículas de poliestireno. La estructura final de Al2O3/TiO2 obtiene valores de reflectividad altos de hasta 98.2%. Finalmente, estos opalos inversos se crean encima de obleas de C-Si pasivadas con Al2O3. Estas estructuras son capaces de soportar un proceso de disparo láser manteniendo la pasivación, demostrando la posibildad de ser utilizadas en el proceso de fabricación de células solares.La segunda parte de la tesis se centra en la creación de un proceso para lograr células solares de baja temperatura mediante regiones altamente dopadas que están definidas puntualmente a través de películas dieléctricas procesadas con láser. Esta técnica llamada "DopLaCell" significa célula solar dopada por láser. En las etapas iniciales del proceso y como prueba de concepto, se crearon células solares de 1x1 cm2 en sustratos tanto p como n, con eficiencias del 11.6% y 12.8%, respectivamente. En un segundo paso, se crearon células solares de Si tipo n de 1x1 cm2 utilizando los emisores p+ "fríos" como los utilizados en la estructura "DopLaCell". Este segundo lote de células solares utiliza una Heterounión con Capa Fina Intrínseca (HIT) en la cara frontal. Este enfoque evita el uso de óxido conductor transparente (TCO) en el lado posterior de la célula, mejorando así la reflectividad especialmente para fotones de IR y alcanzando eficiencias de hasta el 18.1%. Finalmente, el proceso se está mejorando hacia una "DopLaCell" texturizada pura. En este último paso, se fabricaron células solares totalmente "frías" de 2x2 cm2 con una eficiencia de hasta el 17.0%.Este trabajo representa un gran avance hacia un futuro de fabricación de células solares de silicio delgado, abordando las limitaciones tecnológicas actuales y permitiendo la posibilidad de superar los problemas principales. Esta investigación sienta las bases para células solares delgadas, asequibles y eficientes, mejorando el camino hacia un futuro energético más viable y respetuoso con el medio ambiente.