Hole-selective contacts by RF magnetron sputtering for silicon heterojunction solar cell structures

Abstract

Research in photovoltaic devices is focusing towards cost-effective technologies to compete with traditional energy sources. In this sense, silicon heterojunction (SHJ) solar cells have excelled owing to their high efficiency and low-temperature processing. Nevertheless, manufacture of conventional SHJ solar cells requires complex deposition systems that involve the use of hazardous gases. Recently, alternative materials have demonstrated good charge-carrier selectivity on silicon. Concretely, oxides of transition metals such as tungsten, molybdenum or vanadium are very effective hole-selective contacts. Furthermore, these materials can be easily deposited by thermal evaporation or sputtering. Several studies have reported successful performance of thermal evaporated transition metal oxides (TMO's) acting as selective contacts. However, a parametrizable deposition technique such as sputtering is more suitable for industrial applications. For this reason, research is needed to be carried out for sputtered TMO's. In this project, molybdenum oxide layers have been deposited by sputtering on crystalline silicon wafers. These layers have been characterized, focusing on composition, structure, and optoelectronic properties. Additionally, solar cell test devices have been fabricated and characterized in order to evaluate the performance of these layers.

Actualmente, la investigación en dispositivos fotovoltaicos se centra en el desarrollo de tecnologías que sean económicamente rentables para poder competir con las fuentes de energía tradicionales. En este sentido, las células solares de heterounión basadas en silicio han destacado por su alta eficiencia y baja temperatura de fabricación. No obstante, la producción de células solares de heterounión de silicio requiere el uso sistemas de depósito complejos en los que se utilizan gases peligrosos. Recientemente, algunos materiales alternativos han demostrado tener buenas propiedades de selectividad de portadores de carga en silicio. En concreto, los óxidos de metales de transición como el tungsteno, el molibdeno o el vanadio son muy efectivos en el papel de contactos selectivos de huecos. Además, estos materiales pueden ser depositados fácilmente por evaporación térmica o pulverización catódica (sputtering). Diferentes estudios han demostrado la buena selectividad de portador de carga de los óxidos de metales de transición depositados por evaporación térmica. Sin embargo, la pulverización catódica es una técnica de depósito mucho más adecuada para aplicaciones industriales debido a su parametrizabilidad. Per este motivo, es necesario investigar el funcionamiento de los óxidos de metales de transición depositados por pulverización catódica actuando como contactos selectivos. En este proyecto, se han depositado capas de óxido de molibdeno por pulverización catódica en obleas de silicio cristalino. La composición, estructura y propiedades optoelectrónicas de estas capas finas han sido caracterizadas. Adicionalmente, se han fabricado i caracterizado células solares de test para evaluar el funcionamiento de estas capas.

Actualment, la recerca en dispositius fotovoltaics es centra en el desenvolupament de tecnologies econòmicament rentables per tal de poder competir amb les fonts d'energia tradicionals. En aquest sentit, les cèl·lules solars d'heterojunció basades en silici han destacat per la seva alta eficiència i baixa temperatura de fabricació. Malauradament, la fabricació de cèl·lules d'heterojunció de silici requereix sistemes de dipòsit complexes en què s'utilitzen gasos perillosos. Recentment, alguns materials alternatius han demostrat tenir bones propietats de selectivitat de portadors de càrrega en silici. En concret, òxids de metalls de transició com el tungstè, el molibdè o el vanadi són molt efectius com a contactes selectius de forats. A més, aquests materials es poden dipositar fàcilment amb evaporació tèrmica i polvorització catòdica (sputtering). Diferents estudis han demostrat un bon comportament de selectivitat de portador de càrrega amb òxids de metalls de transició dipositats evaporació tèrmica. Tot i això, la polvorització catòdica és una tècnica de dipòsit molt més aplicable a la indústria a causa de la seva parametritzabilitat. Per aquest motiu, cal dur a terme recerca per estudiar el funcionament dels òxids de metalls de transició dipositats per polvorització catòdica com a contactes selectius. En aquest projecte, s'han dipositat capes d'òxid de molibdè per polvorització catòdica en oblies de silici cristal·lí. La composició, estructura i propietats optoelectròniques d'aquestes capes fines s'han caracteritzat. Addicionalment, s'han fabricat i caracteritzat cèl·lules solars de prova per avaluar el funcionament d'aquestes capes.