Simulació 2D/3D de cèl.lules solars de silici de contactes posteriors
Authors:   , Carrió Díaz David 
Published: August 2023

In order to optimize photovoltaic conversion efficiency, various solar cell architectures based on monocrystalline silicon (c-Si) have emerged in the past. Solar cells with interdigitated back contacts IBC (Interdigitated Back-Contacted cell), by placing the contacts on the back, allow greater absorption of light, and improve the integration of the cells in the module. Throughout the thesis, various designs and types of c-Si IBC cells will be studied, some of them finally manufactured in the laboratory of the Micro and MNT Nanotechnologies of the UPC. After studying the state of the art in this type of structures in chapter 1 of the thesis, an introduction will be made to the physical models used in the simulation in chapter 2. In addition, the concept of unitary cell and minimum cell will introduced in order to reduce time and memory resources during simulations. Periodic repetition of the unit cell in the X and Y axes reproduces the total solar cell electrical behavior by current scaling. In chapter 3, IBC structures with back point contacts with constant unit cell are studied. This type of contact structure is suitable for the laser technology available to the MNT group for the manufacture of solar cells. In this case, by lasing dielectric layers containing aluminum and phosphorus, p+ and n+ contacts are achieved, respectively. The simulations will allow determining the optimal distance or pitch between contacts, as well as the efficiency potential that can be achieved through this concept, considering the recombination speed of the base contact. In chapter 4, alternatives of greater complexity are analyzed to mitigate the effect of poor passivation of the base contacts, either using point contacts or structures based on more conventional techniques based on doped regions in strips, for example. In this chapter, an important and novel geometric parameter is defined, such as the emitter coverage factor (FE). This parameter takes into account the weight of the emitter contacts/regions in the performance of the device, and it should be the higher as possible to mitigate the pernicious effect of having a base contact with poor passivation. In addition, various strategies will be discussed, either keeping the unit cell constant or increasing using either point contacts or using large doped regions (large emitter coverage strategy). Thanks to the concepts used in this chapter, the MNT group has been able to develop solar cells with laser point contacts in collaboration with the Laser Center of the Polytechnic University of Madrid (UPM) with efficiencies over 20 %. In chapter 5, the effect of the series resistance of the metallization grid and contacts is analyzed, as well as how to include it in the simulations. In chapter 6, simulations will allow dimensioning and studying the best geometry to apply to IBC solar cells with black silicon (b-Si) nanostructures on the front surface. Thanks to the simulations, photolithography masks have been designed for manufacturing of IBC b-Si solar cells, in collaboration with the Finnish University of Aalto, achieving efficiencies beyond 22 %, which are the highest achieved to date. by combining an IBC structure with front b-Si. Also, as a result of the simulations, photolithography masks have been designed for the manufacture of a black minimodule in collaboration with the Finnish company Valoe. Finally, in chapter 7, the potential offered by IBC solar cells for low and medium concentration applications is explored.
Amb la finalitat d’optimitzar l’eficiència de conversió fotovoltaica, diverses arquitectures
de cèl·lules solars basades en silici monocristal·lí (c-Si) han sorgit al llarg del temps. Les cèl·lules solars de contactes posteriors interdigitats IBC (Interdigitated Back-Contacted cell), en disposar els contactes a la part posterior, permeten una major absorció de llum, i milloren la integració de les cèl·lules al mòdul. Al llarg de la tesi s’estudiaran, mitjançant l’eina de simulació comercial de dispositius semiconductors 2D/3D Sentaurus Synopsis TCAD, diversos dissenys i tipologies de cèl·lules IBC de c-Si, alguna d’elles, fabricades finalment al laboratori del grup de Micro i Nanotecnologies MNT de la UPC.
Després d’estudiar l’estat de l’art en aquest tipus d’estructures al capítol 1 de la tesi, es farà una introducció als models físics utilitzats a la simulació al capítol 2. A més, s’introduirà el concepte de cèl·lula unitària i cèl·lula mínima de simulació amb la finalitat de reduir el temps i els recursos de memòria de les simulacions. La repetició periòdica de la cèl·lula unitària als eixos X i Y reprodueix la cèl·lula solar total mitjançant escalat de corrent.
Al capítol 3, s’estudien estructures IBC amb contactes puntuals posteriors amb cel·la
unitària constant. Aquest tipus d’estructura de contactes s’adequa a la tecnologia làser
de què disposa el grup MNT per a la fabricació de cèl·lules solars. En aquest cas, lasejant capes dielèctriques amb contingut d’alumini i de fòsfor s’aconsegueixen els contactes p+ i n+ respectivament. Les simulacions permetran determinar la distància òptima o pitch entre contactes, així com el potencial d’eficiència que es pot aconseguir mitjançant aquest concepte atenent a la velocitat de recombinació del contacte de base.
Al capítol 4, s’analitzen alternatives de mes complexitat per mitigar l’efecte d’una mala passivació dels contactes de base, ja sigui utilitzant contactes puntuals o bé estructures basades en tècniques mes convencionals fent servir regions dopates en tires, per exemple. En aquest capítol es defineix un paràmetre geomètric important i nou com és el factor de cobertura d’emissor (FE). Aquest paràmetre sospesa el pes dels contactes/regions d’emissor a les prestacions del dispositiu, interessant que sigui elevat, per a mitigar l’efecte perniciós de tenir un contacte de base amb mala passivació. A mes, es discutiran diverses estratègies, ja sigui o bé mantenint la cel·la unitària constant o be augmentant-la tant a contactes puntuals com utilitzant regions dopates extenses (large emitter coverage strategy).
Gracies als conceptes utilitzats en aquest capítol, el grup MNT ha pogut desenvolupar
cèl·lules solars amb contactes puntuals làser en col·laboració amb el centre làser de la
Universitat Politècnica de Madrid (UPM) amb rendiments superiors al 20 %.
Al capítol 5, s’analitza l’efecte de la resistència sèrie del grid de metal·lització i dels contactes, com incloure’l a les simulacions.
Al capítol 6, les simulacions permetran dimensionar i estudiar la millor geometria per aplicar-la a cèl·lules solars IBC amb nanotexturització black silicon (b-Si) a la superfície frontal. Gràcies a les simulacions, s’han dissenyat les màscares de fotolitografia per a la fabricació de cèl·lules solars IBC b-Si fruït d’una col·laboració amb la Universitat finlandesa d’Aalto, aconseguint-se rendiments per sobre del 22 %, que són els mes grans aconseguits fins la data combinant una estructura IBC amb b-Si frontal. També, fruït de les simulacions, s’han dissenyat les màscares de fotolitografia per fabricar un minimòdul black en col·laboració amb l’empresa finlandesa Valoe. Finalment, al capítol 7, s’explora el potencial que ofereixen les cèl·lules solars IBC per a aplicacions de baixa i mitjana concentració.
Con la finalidad de optimizar la eficiencia de conversión fotovoltaica diversas arquitecturas de células solares basadas en silicio monocristalino (c-Si) han surgido a lo largo del tiempo. Las células solares de contactos traseros interdigitados IBC (Interdigitated Back-Contacted cell), al disponer los contactos en la parte trasera, permiten una mayor absorción de luz, y mejoran la integración de las células en el módulo. A lo largo de la tesis se estudiarán, mediante la herramienta de simulación comercial de dispositivos semiconductores 2D/3D Sentaurus Synopsis TCAD, diversos diseños y tipologías de células IBC de c-Si, alguna de ellas, fabricadas finalmente en el laboratorio del grupo de Micro y Nanotecnologías MNT de la UPC. Después de estudiar el estado del arte en este tipo de estructuras en el capítulo 1 de la tesis, se hará una introducción a los modelos físicos utilizados en la simulación en el capítulo 2. Además, se introducirá el concepto de célula unitaria y célula mínima de simulación con la finalidad de reducir el tiempo y los recursos de memoria de las simulaciones. La repetición periódica de la célula unitaria en los ejes X y Y reproduce la célula solar total mediante escalado de corriente. En el capítulo 3, se estudian estructuras IBC con contactos puntuales traseros con celda unitaria constante. Este tipo de estructura de contactos se adecua a la tecnología láser que dispone el grupo MNT para la fabricación de células solares. En este caso, laseando capas dieléctricas con contenido de aluminio y de fosforo se consiguen los contactos p+y n+ respectivamente. Las simulaciones permitirán determinar la distancia óptima o pitch entre contactos, así como el potencial de eficiencia que se puede conseguir mediante este concepto atendiendo a la velocidad de recombinación del contacto de base. En el capítulo 4, se analizan alternativas de mayor de complejidad para mitigar el efecto
de una mala pasivación de los contactos de base, ya sea utilizando contactos puntuales o bien estructuras basadas en técnicas más convencionales usando regiones dopadas en tiras, por ejemplo. En este capítulo se define un parámetro geométrico importante y novedoso como es el factor de cobertura de emisor (FE). Este parámetro sopesa el peso de los contactos/regiones de emisor en las prestaciones del dispositivo interesando que sea elevado para mitigar el efecto pernicioso de tener un contacto de base con mala pasivación. Además, se discutirán varias estrategias, ya sea o bien manteniendo la celda unitaria constante o bien aumentando la misma tanto en contactos puntuales como utilizando regiones dopadas extensas (large emitter coverage strategy). Gracias a los conceptos utilizados en este capítulo el grupo MNT ha podido desarrollar células solares con contactos puntuales láser en colaboración con el centro laser de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) con rendimientos superiores al 20 %. En el capítulo 5, se
analiza el efecto de la resistencia serie del grid de metalización y de los contactos, y como incluirlo en las simulaciones. En el capítulo 6, las simulaciones permitirán dimensionar y estudiar la mejor geometría para aplicarla a células solares IBC con nanotexturización black silicon (b-Si) en la superficie frontal. Gracias a las simulaciones, se han diseñado las máscaras de fotolitografía para la fabricación de células solares IBC b-Si fruto de una colaboración con la Universidad finlandesa de Aalto, consiguiéndose rendimientos por encima del 22 %, que son los mayores conseguidos hasta la fecha combinando una estructura IBC con b-Si frontal. También, fruto de las simulaciones, se han diseñado las máscaras de fotolitografía para la fabricación de un minimódulo black en colaboración con la empresa finlandesa Valoe. Finalmente, en el capítulo 7, se explora el potencial que ofrecen las células solares IBC para aplicaciones de baja y media concentración.