Ottimizzazione dei contatti passivanti SiOx/Poly-Si per celle solari TOPCon

Over the last decade the total solar electricity generation grew by an average of 30% year-over- year, mainly thanks to massive cost reductions. Today the global photovoltaics (PV) market is dominated by crystalline silicon (c-Si) solar cells and among the various technologies industrial tunnel oxide passivating contact (iTOPCon) solar cells are expected to dominate the market in the near future, overcoming the concept of passivated emitter and rear cell (PERC) which was the mainstream in the last few years. This type of solar cell employs a full-area passivating contacts based on SiOx/poly-Si stacks on the rear side to overcome the main limitation of passivated emitter and rear cell (PERC): recombination at metal/semiconductor interfaces. To access efficiencies beyond the current single-junction technologies, future cell and module designs will likely be based tandem cells where silicon is combined with high-bandgap semi- conductors such perovskites. Currently silicon heterojunction (SHJ) solar cells are often used in the research of tandem cells, but given that TOPCon cells will be the dominant technology in a few years from now, it can be assumed that industrial tandem cells will employ TOPCon technology, likely in the form of double side TOPCon (DS-TOPCon). The first part of this thesis examines oxide layers that are resilient during exposure to long annealing processes. To this end, plasma assisted chemical vapor deposition (PECVD) is used to grow a thin oxide layer at the surface of silicon wafers by exposure to a plasma of N2O and H2. Furthermore, the performance achieved by this layer in combination with different poly-Si layers on top is assessed. The second part of the work addresses the challenge to obtain a good passivation quality on tex- tured and nanotextured wafers. The challenge is to find a SiOx/poly-Si stack that can guarantee an outstanding surface passivation, while not ruining the contact resistivity values. In the last part, proof of concept DS-TOPCon solar cells have been fabricated to demonstrate the feasibility of using this technology as the bottom cell of a tandem device.

Attualmente, il mercato fotovoltaico mondiale (PV) è dominato dalle celle solari in silicio cristallino (c-Si), e si prevede che le celle solari iTOPCon (industrial Tunnelling Oxide Pas- sivated Contacts) prenderanno il sopravvento nei prossimi anni, superando le celle basate su tecnologia a emettitore e retro passivati (PERC), che hanno dominato in passato. Questo tipo di cella solare impiega contatti passivanti che ricoprono l’intera superficie, basati su strati sovrapposti di ossido di silicio e silicio policristallino (SiOx/poly-Si) che vengono posti sul retro della cella con lo scopo di superare la limitazione principale che caratterizza le celle PERC: la ricombinazione alle interfacce metallo/semiconduttore. Per ottenere efficienze che vadano oltre quelle ottenibili con le attuali tecnologie a giunzione singola, le future celle e moduli fotovoltaici saranno probabilmente basati su celle solari tandem in cui una cella a silicio è accoppiata con un’altra cella che impieghi semiconduttori ad alto bandgap, come le perovskiti. Attualmente, le celle solari a eterogiunzione a base di silicio (SHJ) sono le più usate nella ricerca per l’architettura tandem, ma vista la crescita prevista nella pro- duzione delle celle iTOPCon e il loro minor prezzo rispetto allle celle ad eterogiunzione, si può presumere che le celle industriali tandem impiegheranno la tecnologia TOPCon. In particolare, nella configurazione di Double-Side TOPCon (DS-TOPCon), che presenta contatti passivanti sia sul fronte che sul retro della cella solare. In una prima parte, questa tesi esamina nel dettaglio lo strato di ossido dei contatti passivanti con obiettivo quello di trovare un ossido in grado di dare maggiore stabilità durante processi ad alto budget termico. A tal fine, è stato utilizzato un processo di deposizione chimica in fase di vapore assistita da plasma (PECVD) per crescere un sottile strato di ossido sulla superficie dei wafer di silicio mediante esposizione ad un plasma di N2O e H2. Inoltre, è stata valutata la prestazione ottenuta da questo strato di ossido in combinazione con diversi strati di silicio policristallino. La seconda parte della tesi affronta la sfida di ottenere una buona qualità di passivazione su wafer texturizzati e nanotexturizzati. La difficoltà principale consiste nel depositare uno strato SiOx/poly-Si capace di garantire eccellente passivazione, nonostante le presenza delle nanopi- ramidi che rendono più complesso ottenere uno strato di SiOx uniforme, senza comprometterne la resistività di contatto. Infine, l’ultima parte della tesi presenta i risultati della produzione di celle solari DS-TOPCon, dimostrando la possibilità di usarle come "bottom cell" nella cella solare tandem PK/Si.