Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0073;F - Photovoltaik
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das am IMT entworfene Konzept der mikromorphen Solarzelle findet weltweit und zunehmend auch seitens der Industrie grosses Interesse. Mit dem vorliegenden Projekt soll das am IMT entwickelte Know-how für strategische Schlüsselfragen im Zusammenhang mit einer industriellen Umsetzung weiter vorangetrieben werden.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Der vorliegende Bericht beschreibt die zweijährige Forschungsperiode 2003-04 des Laboratoriums für Dünnfilmsilizium und Solarzellentechnologie am Institut für Mikrotechnik (IMT) der Universität Neuchâtel. Diese 2 Jahre stellten eine Uebergangsperiode dar von einer mehr grundsätzlichen Forschungsarbeit hin zu konkreten Fragen der Industrialisierung, sowie auch eine markante Uebergangsperiode in der Forschungsgruppe: Ankunft eines neuen Professors und viele Aenderungen im Forschungspersonal.
Während diesen 2 Jahren wurden die folgenden Hauptresultate erzielt: - Alle Grundtechniken für die Herstellung von hochentwickelten Solarzellen in der p-i-n Konfiguration auf Glasssubstraten wurden von einem völlig neuen Forschungsteam übernommen (die ganze frühere Forschungsgruppe des IMT, welche in diesem Sektor arbeitete, ist zum Industrielabor der UNAXIS SOLAR transferiert worden, samt dem ganzen zugehörigen technologischen Know How). Dabei musste am IMT eine Kontinuität aufrecht erhalten werden für die Herstellung von amorphen und mikrokristallinen Einzelzellen und von mikromorphen Tandemzellen. Spezifische Fortschritte wurden erzielt bei der Quantifizierung der Gewinne in Kurzschlusstrom und Wirkungsgrad durch „light trapping“: sowohl durch die Lichtstreuung am ZnO Frontkontakt, wie auch durch einen ZnO Zwischenreflektor in der Tandemzelle. Ebenso wurden sehr ermutigende Resultate erreicht durch eine Kombination vom „High Pressure Depletion“ und VHF-Plasma: intrinsische mikrokristalline Schichten mit Solarzellenqualität wurden bei 2.5 nm/s abgeschieden. - Neue Techniken wurden eingeführt im Sektor der n-i-p Solarzellen auf billigen, flexiblen Substraten. Besonders erfolgreich war das für Solarzellen, welche auf Polyethylenteraphtalat (PET) Substraten mit einem periodischen Diffraktionsgitter abgeschieden wurden. Hier wurden Rekordwirkungsgrade erzielt. 7% für mikrokristalline Einfachzellen und 8.3% stabil für mikromorphe Tandemzellen. - Die transparenten Kontaktschichten aus Zinkoxid (ZnO), welche am IMT durch Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LP-CVD) abgeschieden werden, wurden auf systematische Weise untersucht und optmiert. Die Zusammenhänge zwischen Kristallwachstum, Dotierung und Schichtdicke einerseits, sowie Flächenrauheit und Fähigkeit zur Lichtstreuung anderseits, wurden abgeklärt. Die Stabilitätsprobleme verschiedener Arten von LP-CVD ZnO-Schichten wurden gegenüber Feuchtigkeit und Hitze untersucht. Verschiedene neue Wege, um bessere transparente Kontaktschichten zu erhalten, wurden sondiert. - Die Schlüsselrolle des Substrats bei der Nukleation und Wachstum von Schichten aus mikrokristallinem Silizium wurde aufgezeigt; es geht dabei um die chemische Natur und die Oberflächenrauhigkeit des Substrats. Diese Faktoren beeinflussen wesentlich die Eigenschaften der darauf deponierten mikrokristallinen Solarzellen. Neue Methoden zur Charakterisierung und für die Diagnostik von mikrokristallinen Siliziumzellen wurden aufgebaut, und an mehreren Serien von Solarzellen getestet. Im Gegensatz zu früheren Erwartungen konnte das IMT aufzeigen, dass die lichtinduzierte Degradation (auch „Staebler-Wronski Effekt, SWE“ genannt) ebenfalls in mikrokristallinen Solarzellen vorhanden sein kann, allerdings in einer sehr „milden“ Form. Immerhin ist dieser Effekt, bei der heutigen Abscheidetechnik, kein wesentlicher Faktor für die mikrokristalline Einzelzellen, und ganz vernachlässigbar bei der mikrokristallinen „Bottomzelle“ innerhalb der mikromorphen Tandemzelle.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Shah,A.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The present report describes the 2 year period 2003-04 of research work at the Thin-Film Solar Cell Laboratory of the Institute of Microtechnology (IMT), University of Neuchâtel. These two years marked a transition period, from more fundamentally-oriented research work to concrete industrialization issues, and also a transition within the research team: arrival of a new professor and many changes within the research staff. During these two years, the following main results were obtained: - All the basic techniques for fabricating state-of-the art p-i-n type solar cells on glass were taken over by a fully new team (the whole former IMT research team working in this specific field was transferred – together with the technology – to the industrial laboratory of UNAXIS SOLAR). Hereby, continuity in fabrication know-how has been assured for amorphous, microcrystalline and micromorph tandem solar cells. Specific progress has been achieved in quantifying current and efficiency gains through light trapping by front TCO and ZnO intermediate reflector layers; also, very encouraging results were obtained by a combination of the high-pressure depletion regime with VHF plasma excitation frequencies resulting in device-quality microcrystalline layers deposited at 2.5 nm/s. - New techniques have been introduced in the field of n-i-p solar cells on low-cost flexible substrates; specially successful were cells deposited on polyethylene tetraphtalate (PET) substrates on which periodic diffraction gratings had been embossed. Here, record efficiencies were obtained: 7% for single-junction microcrystalline cells and 8.3% stable for micromorph tandem cells. - IMT’s Zinc oxide (ZnO) layers, that are produced by low-pressure chemical vapour deposition, have been systematically studied and optimized. The relationship between crystal growth, doping and layer thickness, on one side, and layer surface roughness and light scattering capacity, on the other side, has been elucidated. The stability problem of various types of LP-CVD ZnO layers in hot and humid atmosphere has been investigated; various novel avenues with a potential for improving TCO properties have been explored. - The key role of substrate chemistry and roughness in the nucleation and growth of microcrystalline silicon layers has been established; these factors, thus, also decisively influence microcrystalline silicon solar cell performance. New characterization/diagnostic tools for analyzing microcrystalline silicon solar cells have been set-up and tested on full series of solar cells. The light-induced degradation effect (also called Staebler-Wronski Effect, SWE) has been shown to be present in a mild form in microcrystalline silicon solar cells, contrary to earlier expectations. However, with present deposition technology, SWE is not a matter of concern for microcrystalline single-junction solar cells and is certainly not important at all for the microcrystalline bottom cell within the micromorph tandem.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Shah,A.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le présent rapport décrit les résultats obtenus pendant la période de travail 2003-2004 par le Laboratoire de recherche « silicium en couches minces et technologie photovoltaique » de l’Institut de Microtechnique (IMT) de l’Université de Neuchâtel. Les résultats présentés ont été obtenu grâce au fiancement de l’OFEN (Office Fédéral de l’Energie). La période décrite a été, pour le laboratoire, une période de transition entre une phase (antérieure) de recherche plus fondamentale et la phase actuelle de transfert technologique vers l’industrie, avec tous les problèmes concrets qu’elle implique. Cette période a également représenté une phase de transition au niveau du personnel de l’équipe de recherche (arrivée d’un nouveau professeur, départ de certains chercheurs expérimentés). Ainsi, un transfert important de la technologie de fabrication des cellules p-i-n sur verre a dû être assuré. L'ancien groupe de collaborateurs qui s’occupait de ce secteur à l'IMT a été transféré en bloc, avec tout son savoir-faire, chez Unaxis Solar. Il s’est agit pour l'IMT d'assurer la continuité du savoir-faire pour les cellules pin (amorphes, microcristallines et micromorphes) à une nouvelle équipe de jeunes chercheurs.
Des progrès scientifiques spécifiques à ce secteur ont été : - La quantification des gains en courant et en rendement que l'on peut obtenir par piègeage de la lumière grâce aux couches de ZnO utilisées comme contact électrique transparent ainsi que comme réflecteur intermédiaire dans les tandems micromorphes. - Le dépôt rapide de couches microcristallines : des résultats très encourageants ont été obtenus pour le dépôt rapide de couches de silicium microcristallin par la combinaison du régime « High Pressure Depletion, HPD » avec celui du plasma VHF : des couches de qualité suffisante pour être incorporées dans de futures cellules solaires ont été déposées avec un taux de 2.5 nm/s. Les résultats scientifiques principaux qui ont été atteints dans les autres secteurs de recherche sont résumés ci-dessous : - Introduction de substrat plastique pour la fabrication de cellules solaires de silicium en couches minces. Avec l'utilisation de substrat en polyethylènetetraphtalate (PET) pour des cellules de type n-i-p, l'IMT a emporté un succès remarquable en fabricant de bonnes cellules sur ce substrat flexible, disponible à un prix très raisonnable. - Afin d'améliorer le rendement de conversion des cellules sur PET, le susbstrat a été nanostructuré avec des réseaux périodiques. Ceci permet de pièger la lumière par diffraction à l’intérieur des couches de silicium. Ainsi, l'IMT a obtenu les rendements de conversion records de 7% pour une cellule simple microcristalline, et de 8.3 % (stable) pour une cellule tandem micromorphe. - Les couches transparentes conductrices en oxyde de zinc (ZnO) dévelopées à l'IMT ont été optimisées. Ces couches sont déposées par la méthode de dépôt physique en phase vapeur à basse pression (LP-CVD). Elles servent de contact électrique transparent sur les deux faces des cellules. Ces couches ont été systématiquement étudiées, et le lien entre la nano-rugosité de la surface et la croissance cristalline, le dopage et l'épaisseur de la couche a été établi. Par ailleurs, le lien entre la nano-rugosité de la surface et les propriétés diffusantes pour la lumière a aussi été établi. Ce dernier permet d'optimiser le choix de la couche de ZnO en fonction du type de contact électrique recherché. - Les problèmes de stabilité des propriétés optiques et conductrices des couches de ZnO plongées dans une atmosphère chaude et humide ont été évalués. - Différentes voies nouvelles pour améliorer les caractéristiques et la stabilité des couches de ZnO ont été explorées et certaines ont montré un potentiel prometteur. - Le rôle majeur joué par le susbtrat sur la nucléation et la croissance des couches en silicium microcristallin a été dévoilé. En particulier, nous avons pu montrer que la nature chimique du susbtrat est un paramètre majeur de contrôle de la nucléation. La rugosité du susbtrat, quant à elle, joue un rôle sur la croissance des couches. Ces facteurs ont donc également une influence décisive sur les performances des cellules solaires. - De nouvelles techniques de caractérisation et de diagnostique de la qualité du matériau et des performances des cellules solaires ont été mise en place. Leur application à des séries de cellules solaires choisies a permis d'interpréter les améliorations observées des performances des cellules solaires. - L'effet de la dégradation induite par la lumière (appelé aussi effet Staebler-Wronski) a été observé dans certaines cellules solaires microcristallines. Une étude systématique a permis de montrer que les observations antérieures de la stabilité du silicium microcristallin étaient liées à la grande cristallinité des couches étudiées. Dans les meilleures couches actuelles, qui sont moins cristallines qu’initialement, on retrouve une forme très réduite de dégradation, qui ne devrait guère poser de problèmes pour l'application de ces couches dans des cellules simples microcristallines. Quant aux cellules tandem micromorphes, on peut estimer que la stabilité de la cellule microcristalline est certainement assurée avec les couches actuelles.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Shah,A.
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