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Evaluation and microstructure analysis of thick film contacts for industrial silicon solar cells

Evaluierung und Mikrostrukturanalyse von Dickschichtkontakten für industrielle Siliciumsolarzellen
 
: Hönig, R.

:
Fulltext ()

Freiburg, 2014, III, 232 pp. : Ill.
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2014
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-99157
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer ISE ()

Abstract
In this dissertation, screen printed and fired thick film silver contacts for contacting phosphorus-doped emitters of crystalline silicon solar cells are characterized and evaluated. Systematic variations of material and process parameters, in combination with comprehensive microstructural analyses of the contacts, are carried out to identify correlations between the parameters applied, microstructural properties and macroscopic electrical behavior of the contacts.
The focus of the investigations is on losses related to the specific contact resistance between the silver contacts and the phosphorus-doped emitter as well as on recombination losses. Especially the space charge region recombination (SCR-recombination) losses induced by these silver contacts are of interest.
The potential of optimizing material and process parameters is clarified by qualitative and quantitative evaluations of macroscopic electrical properties and respective losses. This allows for advanced optimizations of pastes/inks and contact firing processes for highly efficient thick film silver contacts on phosphorus-doped emitters of industrial silicon solar cells.
The microstructure of the contact interface between silicon and silver, the silicon surface underneath the contacts as well as the contact morphology of screen printed and fired front side silver contacts is extensively studied by means of laser-scanning microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and focused ion beam tomography. Thereby, (high-resolution) imaging as well as quantitative spectroscopic analysis is applied.
Newly developed test structures and measurement methods are presented i) to specify metallization fraction dependent electrical losses (mainly caused by SCR-recombination), ii) to verify non-linear (diodic) electrical components within the contacts and iii) to verify capacitive electrical components within the contacts and to determine the mean glass layer thickness between the contact silver bulk and the silicon surface without extensive microstructural analysis. Based on i) an alternative to the Two Diode Model is proposed.
Potential current transport mechanisms are identified and evaluated by linking the findings of microstructural analysis with modeling results based on numerical calculations.
This thesis was financially supported within the scope of a PhD scholarship of the Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) as well as by the Baden-Württemberg Stiftung, in the context of the research project MikroSol (U23).

 

In dieser Dissertation werden siebgedruckte und gefeuerte Vorderseitensilberkontakte für die Kontaktierung phosphordotierter Emitter von kristallinen Siliciumsolarzellen charakterisiert und bewertet. Systematische Variationen der Prozess- und Materialparameter werden in Kombination mit umfangreichen Mikrostrukturanalysen der Kontakte durchgeführt, um Korrelationen zwischen verwendeten Parametern, mikrostrukturellen Eigenschaften und makroskopischen elektrischen Eigenschaften der Kontakte zu identifizieren.
Schwerpunkt der Untersuchungen liegt dabei sowohl auf Verlusten bezogen auf den spezifischen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den Silberkontakten und dem phosphordotierten Emitter als auch auf Rekombinationsverlusten, im Speziellen Raumladungszonenrekombinationsverluste (RLZ-Rekombinationsverluste), die durch diese Kontakte hervorgerufen werden. Das Optimierungspotential von Material- und Prozessparametern wird durch qualitative und quantitative Evaluierungen makroskopischer elektrischer Eigenschaften und damit verbundenen Verlusten verdeutlicht. Dies ermöglicht fortschrittliche Optimierungen
von Pasten/Tinten und Kontaktfeuerprozessen für hocheffiziente Dickschichtsilberkontakte auf phosphordotierten Emittern industrieller Siliciumsolarzellen.
Die Mikrostruktur der Silicium/Silber-Kontaktgrenzfläche, der Siliciumoberfläche unterhalb der Kontakte sowie der Kontaktmorphologie siebgedruckter und gefeuerter Vorderseitensilberkontakte wird intensiv mittels Laser-Scanning-Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und Focused Ion Beam Tomographie untersucht. Dabei wird sowohl (hochauflösende) Bildgebung als auch quantitative spektroskopische Analyse verwendet.
Es werden neu entwickelte Teststrukturen und Messmethoden vorgestellt, um i) vom Metallisierungsanteil abhängige elektrische Verluste (hauptsächlich RLZ-Rekombination) zu spezifizieren, ii) diodische sowie iii) kapazitive elektrische Komponenten innerhalb der Kontakte zu verifizieren und – ohne umfangreiche Mikrostrukturanalysen – die mittlere Glasschichtdicke zwischen Silberkontaktkörper und Siliciumoberfläche zu bestimmen. Basierend auf i) wird eine Alternative zum Zweidiodenmodell vorgeschlagen.
Durch Verknüpfung der Erkenntnisse aus Mikrostrukturuntersuchungen mit, auf numerischen Berechnungen beruhenden, Simulationsergebnissen werden potentielle Stromtransportmechanismen identifiziert und bewertet.
Diese Doktorarbeit wurde sowohl im Rahmen eines Promotionsstipendiums der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) als auch im Rahmen des Forschungsprojektes MikroSol (U23) der Baden-Württemberg Stiftung finanziell unterstützt.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-389248.html