Desarrollo de tecnologías de baja temperatura para la fabricación de células solares de heterounión de silicio
Authors:   , Morales Vilches Ana Belén 
Published: August 2023

El desarrollo de la tecnología fotovoltaica de silicio cristalino ha llegado al punto en que la mejora de los dispositivos pasa, no tanto por un aumento de la eficiencia, como por la reducción del coste de fabricación. En este tipo de dispositivos el coste más importante se debe al propio sustrato de silicio cristalino. De manera que una reducción en el grosor de la oblea se reflejaría directamente en costes de producción más bajos, al disminuir la cantidad de material utilizado como sustrato. No obstante, al reducir el grosor de las obleas aparecen simultáneamente varios problemas que dificultan la fabricación de buenas células solares. La tecnología de alta temperatura utilizada para la difusión de las uniones p-n en las células solares de silicio tradicionales presenta serios inconvenientes. Los ciclos de alta temperatura pueden causar curvaturas, típicamente al realizar el contacto posterior de aluminio, que pueden acabar en roturas de los dispositivos. Otro problema muy importante son las pérdidas de eficiencia asociadas a la recombinación superficial, puesto que conforme se reduce el grosor de los sustratos esta recombinación se hace mucho más relevante. Por estos motivos la tecnología de células solares de heterounión aparece como una alternativa muy interesante para el futuro de la industria fotovoltaica basada en obleas de silicio cristalino. Las células solares fotovoltaicas de heterounión de silicio se basan en una estructura de uniones p-n formadas por un sustrato de silicio cristalino y capas de silicio amorfo hidrogenado dopado. Entre la capa dopada y la oblea de silicio se deposita habitualmente una capa muy delgada de silicio amorfo intrínseco, que tiene la función de mejorar la interfaz para reducir la recombinación superficial. Esta estructura fue propuesta originalmente por Sanyo con el nombre de HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer). El proceso de depósito de las capas de silicio amorfo se realiza a baja temperatura, reduciéndose el estrés térmico que sufren los sustratos y permitiendo el uso de obleas más delgadas sin riesgo de curvatura o rotura. En este trabajo se ha optimizado la estructura de las células de heterounión utilizando tecnología de baja temperatura e incorporando un nuevo proceso de fabricación asistido por láser para la creación de los contactos posteriores puntuales de aluminio (LFC). Durante el desarrollo de esta tesis se han estudiado las propiedades de las distintas capas que forman tanto el emisor como la cara posterior de los dispositivos. Se ha analizado con detalle el efecto de la temperatura, tanto en el depósito como en tratamientos posteriores, estudiando las propiedades pasivantes y estructurales de las capas de a-Si, y del óxido conductor transparente (TCO) utilizado como electrodo frontal. En referencia a la estructura del contacto trasero primero se optimizó la estructura bicapa pasivante y reflector posterior. Se desarrollaron dos estructuras alternativas, una de a-SiCx:H con dos concentraciones de carbono diferentes y otra que combina alúmina y a-SiCx:H. Se realizaron medidas de tiempo de vida efectivo de portadores minoritarios en precursores con las distintas estructuras, obteniendo buenas pasivaciones en ambos casos (~1ms). Y para la optimización de los contactos puntuales desarrollados mediante láser se han estudiado distintas alternativas para cada una de estas estructuras, variando la fuente dopante de aluminio, la energía del láser y la longitud de onda del mismo. En todas estas propuestas se han optimizado los procesos láser para obtener un buen contacto lo menos resistivo posible. A lo largo de todo el trabajo se evidencia la importancia de la pasivación superficial para la obtención de buenas células solares de heterounión de silicio con contactado trasero láser. Las distintas propuestas para mejorar estos procesos han servido para obtener dispositivos con eficiencias de conversión fotovoltaica superiores al 18% y tensión en circuito abierto de 680mV.
Nowadays, in the development of the crystalline silicon photovoltaic technology the enhancement of the devices depends more on reducing the manufacturing costs than on increasing the efficiency of the devices. In these technology the cost of the silicon wafers can amount to almost the half of the finished photovoltaic modules. To this extent, a reduction on the wafer thickness would directly reduce the final manufacturing costs. However, when reducing the wafer thickness, various problems appear simultaneously, challenging the manufacturing of good devices. The high temperature technology used for the diffusion of pn junctions in traditional silicon solar cells has serious drawbacks. High-temperature cycles, typically employed to make the aluminum back contact, can cause curvature on the wafers which can lead to breakage of the devices. Another important problem is the efficiency losses associated with surface recombination, because as the thickness of the substrate is reduced this recombination becomes much more relevant. For these reasons, the technology of heterojunction solar cells appears as an exciting alternative for the future of the photovoltaic industry based on crystalline silicon wafers.
The heterojunction photovoltaic solar cells are basically a silicon pn junction formed by a crystalline silicon substrate and layers of doped hydrogenated amorphous silicon. Typically, a very thin layer of intrinsic amorphous silicon is deposited between the doped layer and the silicon wafer, in order to improve the interface reducing the surface recombination. This structure was originally proposed by Sanyo, named as HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer). The amorphous silicon layers are deposited at low temperature, reducing the thermal stress experienced by the substrate and allowing the use of thinner wafers without risk of bending or breaking.
In this thesis, the structure of silicon heterojunction solar cells has been optimized using low temperature technology and incorporating a new laser process in order to locally create rear contacts firing a laser through aluminum layers (LFC).
Additionally, the properties of the different layers of the emitter and the rear contact are also studied in this thesis. The passivating and structural properties of the a-Si and the transparent conductive oxide (TCO), used as front electrode, were analyzed varying the temperature both during the deposition and the subsequent treatments. Regarding the back contact, two alternatives were taken into account, an a-SiCx:H structure with two different carbon concentrations and another combining alumina and a-SiCx:H. Minority carrier effective lifetime measurements were obtained for each structure, obtaining good passivation values in both cases (~1ms). For each structure, different conditions of the laser treatment were optimized in order to locally contact the cells in the rear surface. Different alternatives of this process were studied, varying the doping source together with variations of the laser energy and laser wavelength. In all these approaches, the laser processes were optimized in order to be the least resistive.
Throughout the entire thesis, the relevance of the surface passivation to obtain excellent silicon heterojunction solar cells with rear laser-fired contacts is evidenced. The different proposals to enhance the processes have clearly improved the photovoltaic conversion efficiency values above 18% and open circuit voltages of 680 mV.