Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das Projekt iPRECISE widmet sich der Entwicklung und Integration der nächsten Generation von Passivierungskontakten für Silizium-Solarzellen. Auf der Grundlage eines einzigartigen Fachwissens in den Bereichen CVD-Beschichtung, Solarzellenintegration und -Charakterisierung wird das Projekt innovative Passivierungskontakttechnologien ermöglichen, mit denen die Lernkurve für den Wirkungsgrad weiter gesteigert werden kann im Vergleich zu kommerziellen Solarzellen mit homogenen Übergängen. Letztendlich wird das Projekt zu Komponenten mit einem Leistungs- und Umweltprofil führen, das dem von kommerziellen Solarzellen überlegen ist.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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iPRECISE is devoted to the development and integration of next generation of passivating contacts for silicon solar cells. Based on our unique expertise in CVD deposition and solar cell integration and characterization, the project will enable breakthrough passivating contact technologies capable to extend the efficiency learning curve beyond that of commercial homo-junction solar cells. Eventually, the project will lead to devices with performance and environmental profile superior to that of commercial solar cells.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Le projet iPRECISE est consacré au développement et à l'intégration de la prochaine génération de contacts passivants pour les cellules solaires en silicium. Sur la base d'une expertise unique en matière de dépôt CVD et d'intégration et de caractérisation des cellules solaires, le projet permettra de mettre au point des technologies de contact passivant révolutionnaires capables d'étendre la courbe d'apprentissage de l'efficacité au-delà de celle des cellules solaires homo-jonction commerciales. À terme, le projet conduira à des dispositifs dont les performances et le profil environnemental seront supérieurs à ceux des cellules solaires commerciales.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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F.-J. Haug, A. Morisset, P. Wyss, M. Lehmann, A. Hessler-Wyser, Q. Jeangros, A. Ingenito, C. Ballif, C.N.S. Kumar, S. Eswara, N. Valle, Passivating Poly-silicon Recombination Junctions for Crystalline Silicon Solar Cells, Phys. Status Solidi RRL – Rapid Res. Lett. 15 (2021) 2100272.
https://doi.org/10.1002/pssr.202100272
F.-J. Haug, S. Libraro, M. Lehmann, A. Morisset, A. Ingenito, C. Ballif, Impact of rapid thermal processing on bulk and surface recombination mechanisms in FZ silicon with fired passivating contacts, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 238 (2022) 111647.
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.111647
S. Libraro, M. Lehmann, J.J. Diaz Leon, C. Allebé, A. Descoeudres, A. Ingenito, C. Ballif, A. Hessler-Wyser, F.-J. Haug, Interactions between aluminium and fired passivating contacts during fire-through metallization, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 249 (2023) 112051.
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112051
A. Ingenito, C. Allebé, S. Libraro, C. Ballif, B. Paviet-Salomon, S. Nicolay, J.J. Diaz Leon, 22.8% full-area bifacial n-PERT solar cells with rear side sputtered poly-Si(n) passivating contact, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 249 (2023) 112043.
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2022.112043
A. Morisset, T. Famprikis, F.-J. Haug, A. Ingenito, C. Ballif, L.J. Bannenberg, In Situ Reflectometry and Diffraction Investigation of the Multiscale Structure of p-Type Polysilicon Passivating Contacts for c-Si Solar Cells, ACS Appl. Mater. Interfaces 14 (2022) 14.
https://doi.org/10.1021/acsami.2c01225
S. Libraro, A. Morisset, J. Hurni, E. Genc, L. Antogni-ni, L.J. Bannenberg, T. Famprikis, C. Ballif, A. Hess-ler-Wyser, F.-J. Haug, Understanding and mitigating resistive losses in fired passivating contacts: role of the interfaces and optimization of the thermal budget, Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 263 (2023) 112591.
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112591
C. Allebé, A. Descoeudres, P. Wyss, P. Boillat, N. Pernès, B. Paviet-Salomon, C. Ballif, Sputtering for the formation of Si-based passivating contacts, IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 14, no. 1, pp. 35-40, Jan. 2024,
https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2023.3324998
S. Libraro, L. J. Bannenberg, T. Famprikis, D. Reyes, J. Hurni, E. Genc, C. Ballif, A. Hessler-Wyser, F-J. Haug, and A. Morisset, Development and characterization of N2O-plasma oxide layers for high-temperature passivating contacts
https://doi.org/10.1021/acsami.4c10612
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Das Hauptziel des iPrecise-Projekts war die Vorbereitung der nächsten Generation von Solarzellen auf Basis von kristallinem Silizium (c-Si). Zu diesem Zweck wurde die Entwicklung von Materialien und Prozessen unternommen, um den Wirkungsgrad von c-Si-Solarzellen zu erhöhen und gleichzeitig die Kompatibilität mit einer nachhaltigen und grosstechnischen Fertigung zu gewährleisten.
Zunächst haben wir das Sputtern als Alternative zur Herstellung von n-dotierten polykristallinen Silizi-um (Poly-Si) Passivierungsschichten untersucht, die auf der Rückseite der mittlerweile weit verbreiteten TOPCon-Solarzellenstruktur verwendet werden. Im Vergleich zu herkömmlicheren Herstellungsverfahren auf Basis der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) bietet das Sputtern den Vorteil, dass es gerichtet ist und nicht auf gefährlichen oder giftigen Gasen basiert. Trotz dieser Vorteile war zu Beginn des Projekts nicht klar, ob gesputterte Poly-Si-Materialien die Leistung von Poly-Si, das durch CVD hergestellt wurde, erreichen könnten. Innerhalb dieses Projekts konnten wir sehr hohe Oberflächenpassivierung und elektrische Eigenschaften für gesputterte Poly-Si-Materialien nachweisen, die den mit CVD-abgeschiedenen Poly-Si-Schichten erzielten Eigenschaften entsprechen.
Nach diesen Entwicklungen haben wir gesputterte Poly-Si-Kontakte auf der Rückseite von grossflächigen TOPCon-Solarzellen integriert, was zur Demonstration von Wirkungsgraden von bis zu 22,8 % führte. Zusätzlich haben wir Lösungen für das Strukturieren von Poly-Si-Schichten untersucht, um sie auf der Vorderseite von TOPCon zu integrieren und somit Double Side (DS-)TOPCon-Devices herzustellen. Der erste Ansatz, den wir untersuchten, basierte auf der Verwendung einer Maske während der Abscheidung der Poly-Si-Schicht. Nach der Optimierung der Poly-Si-Struktur und ihres Kontakts mit Metallfingern konnten wir DS-TOPCon-Devices mit kleiner Fläche und Wirkungsgraden von bis zu 21,7 % demonstrieren. Dieses Ergebnis gehörte während des gesamten Projekts zu den besten, die in der Literatur für eine solche Device-Architektur berichtet wurden.
Darüber hinaus haben wir Modellierungen durchgeführt, um das Potenzial von DS-TOPCon als Upgrade gegenüber Standard-TOPCon zu bewerten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Widerstand, der mit dem Poly-Si-Kontakt verbunden ist, gesenkt werden muss, damit DS-TOPCon die Leistung von TOPCon signifikant übertreffen kann, und dies auf Werte, die praktisch schwer zu erreichen sein könnten.
Im Laufe des Projekts wurde die Entwicklung von hocheffizienten c-Si-Geräten durch fortschrittliche Charakterisierungen unterstützt. Zunächst haben wir eine umfassende Studie auf Basis von Elektronenmikroskopie durchgeführt, die es uns ermöglichte, ein Modell zu erstellen, das die Penetration von kommerziellen Al-basierten Pasten durch die SiNx/Poly-Si-Passivierungsschicht auf der Rückseite von TOPCon-Devices beschreibt. Darüber hinaus haben wir eine Methode entwickelt, um die Struktur und Zusammensetzung der nanometrischen SiOx-Schicht an der Poly-Si/c-Si-Grenzfläche zu bewerten, die eine In-situ-Analyse von repräsentativen Proben ermöglicht. Diese Methode unterstützte die Entwicklung von SiOx-Schichten mit verbesserter thermischer Stabilität, was letztendlich die Leistung des Poly-Si-Kontakts verbesserte.
Insgesamt ermöglichte dieses Projekt die Entwicklung neuer technologischer Bausteine für die Herstellung hocheffizienter c-Si-Solarzellen sowie wissenschaftlicher Erkenntnisse über deren Funktionsprinzip. Wichtige Ergebnisse wurden durch die Veröffentlichung von sieben wissenschaftlichen Artikeln und 23 Beiträgen auf internationalen wissenschaftlichen Konferenzen verbreitet. Die im Rahmen von iPrecise gewonnenen Erkenntnisse werden auch die Entwicklungen der nächsten Generation von Perowskit-auf-Silizium-Tandem-Zellen unterstützen.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The primary objective of the iPrecise project was to prepare the next generation of solar cells based on crystalline silicon (c-Si). To do so, the development of materials and processes was undertaken to increase the conversion efficiency of c-Si solar cells while ensuring compatibility with sustainable and large-scale manufacturing.
First, we investigated sputtering as an alternative to fabricate n-type polycrystalline silicon (poly-Si) passivating layers featured on the rear side of the TOPCon solar cell structure, which is becoming mainstream in manufacturing in 2024. Compared to more conventional fabrication methods based on Chemical Vapor Deposition (CVD), sputtering presents the advantage of being more directional and not based on hazardous or toxic gases. Despite these advantages, when the project started, it was not clear if sputtered poly-Si materials could meet the performance of poly-Si fabricated by CVD. Within this project, we could demonstrate very high surface passivation and electrical properties for sputtered poly-Si materials, meeting properties obtained with CV-Deposited poly-Si layers.
Following these developments, we integrated sputtered poly-Si contacts on the rear side of large-area TOPCon solar cells, which led to the demonstration of conversion efficiencies up to 22.8%. Additionally, we investigated solutions for the patterning of poly-Si layers to integrate them on the front side of TOPCon and thus fabricate Double Side (DS-)TOPCon devices. The first approach we investigated was based on the use of a mask during deposition of the poly-Si layer. After optimization of the poly-Si structure and its contacting with metal fingers, we could demonstrate small-area DS-TOPCon devices with efficiencies up to 21.7%. This result remained among the best reported in the literature for such a device structure along the project.
Additionally, we performed modelling to assess the potential of DS-TOPCon as an upgrade to standard TOPCon. Our results indicate that the resistance associated to the poly-Si contact should be lowered for DS-TOPCon to significantly overcome the performance of TOPCon, and this, to values that may be challenging to achieve practically.
Along the project, the development of high-efficiency c-Si devices was supported with advanced characterizations. First, we performed a comprehensive study based on electron microscopy, which allowed us building a model describing the penetration of Al-based commercial pastes through the SiNx/poly-Si passivating stack located on the rear side of TOPCon devices. Additionally, we developed a method to evaluate the structure and composition of the nanometric SiOx layer located at the poly-Si/c-Si interface allowing for in-situ analysis of representative samples. This method supported the development of SiOx layers featuring improved thermal stability, which eventually enabled enhancing the performance of the poly-Si contact.
Overall, this project allowed for the development of new technological bricks for the fabrication of high-efficiency c-Si solar cells along with scientific insights into their working principle. Key achievements were disseminated through the publication of seven scientific articles and twenty-three contributions to international scientific conferences. The insights gained in iPrecise will also benefit the developments of next-generation perovskite-on-silicon tandem devices.
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Schlussbericht
(Französisch)
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L'objectif principal d'iPrecise était de préparer la prochaine génération de cellules solaires à base de silicium cristallin (c-Si). Pour ce faire, le développement de matériaux et de procédés a été entrepris afin d’augmenter l’efficacité de conversion des dispositifs solaires en c-Si tout en garantissant la compatibilité avec une fabrication durable et à grande échelle.
Nous avons tout d’abord étudié la pulvérisation cathodique comme alternative à la fabrication de la couche passivante à base de silicium polycristallin (poly-Si) présente sur la face arrière de la structure de cellule solaire TOPCon, qui devient majoritaire dans l’industrie en 2024. Par rapport aux méthodes de fabrication plus conventionnelles basées sur le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), la pulvérisation cathodique présente l'avantage d'être plus directionnelle et de ne pas nécessiter de gaz dangereux ou toxiques. Malgré ces avantages, au début du projet, il n'était pas clair si les matériaux poly-Si pulvérisés pourraient égaler les performances du poly-Si fabriqué par CVD. Dans le cadre de ce projet, nous avons pu démontrer des propriétés électriques et de passivation pour les matériaux poly-Si pulvérisés égalant les propriétés obtenues avec des couches poly-Si fabriquées par CVD.
A la suite de ces développements, nous avons intégré les contacts poly-Si pulvérisés à l'arrière de cellules solaires TOPCon de surface industrielle, ce qui a permis de démontrer des rendements de conversion allant jusqu'à 22,8 %. De plus, nous avons étudié des solutions pour la structuration des couches de poly-Si afin de les intégrer en face avant de dispositifs TOPCon double face (DS-TOPCon). La première approche que nous avons étudiée était basée sur l'utilisation d'un masque lors du dépôt de la couche de poly-Si. Après optimisation de la structure de la couche et de sa mise en contact avec des doigts métalliques, nous avons pu démontrer des dispositifs DS-TOPCon de petite surface avec des rendements allant jusqu'à 21,7 %. Ce résultat est resté parmi les meilleurs rapportés dans la littérature pour une structure DS-TOPCon tout au long du projet.
De plus, nous avons effectué des modélisations pour évaluer le potentiel de la structure DS-TOPCon par rapport à la TOPCon standard. Nos résultats indiquent que la résistance de contact associée au contact poly-Si devrait être réduite pour que la structure DS-TOPCon dépasse significativement les performances de la TOPCon standard, et ce, à des valeurs qui pourraient être difficiles à atteindre en pratique.
Tout au long du projet, le développement de dispositifs solaires c-Si à haut rendement a été soutenu par des caractérisations avancées. Tout d’abord, nous avons réalisé une étude approfondie basée sur des analyses de microscopie électronique. Cela nous a permis de construire un modèle pour décrire la pénétration des pâtes commerciales à base d’aluminium à travers l’empilement passivant SiNx/poly-Si situé à l’arrière de la structure TOPCon. De plus, nous avons développé une méthode pour évaluer la structure et la composition de la couche nanométrique de SiOx située à l'interface poly-Si/c-Si. Cette méthode a permis le développement de couches de SiOx présentant une meilleure stabilité thermique, ce qui a permis d'améliorer les propriétés des contacts poly-Si.
Globalement, ce projet a permis le développement de nouvelles briques technologiques pour la fabrication de cellules solaires en c-Si à haut rendement ainsi que de meilleures connaissances scientifiques sur leur principe de fonctionnement. Les résultats marquants du projet ont été diffusés à la communauté scientifique grâce à la publication de sept articles et de vingt-trois contributions à des conférences internationales. Les connaissances acquises durant le projet iPrecise bénéficieront également aux développements de dispositifs tandem pérovskite-sur-silicium de nouvelle génération.
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