Electron-selective contacts for N-type crystalline silicon solar cells: A study on an ultrathin zirconium oxide layer
Elektron-taşıyıcı kontaktlar N-tipi kristal silikon güneş hücreleri için: Ultra ince zirkonyum oksit katmanı üzerine bir çalışma
- Tez No: 764802
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN, PROF. DR. RAŞİT TURAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 111
Özet
Kristal silisyum (c-Si) güneş pillerinin verimliliği yaklaşık %26'ya ulaşmıştır. Shockley-Queisser limitine yaklaşmak ve hatta ötesine geçmek için c-Si güneş hücrelerinin arka kontakt pasifleştirilmesi zorunludur. Hafif katkılı n-tipi c-Si'de Ohmik, düşük dirençli ve ekonomik olarak uygun kontakların oluşumu fermi-seviye pinleme fenomeni tarafından engellenir. Son yirmi yılda yaygın olarak kullanılan silisyum dioksitin (SiO2) yerini alabilecek malzemeleri bulmak için birçok araştırma yapılmıştır çünkü SiO2 mikroelektronik uygulamalarda düşük kalınlıklarda elektriksel kararsızlıklar göstermektedir. Zirkonyum dioksit (ZrO2), yüksek dielektrik sabiti, geniş bant aralığı, çevresel kararlılığı, yüksek servis sıcaklığı, elektron seçici doğası ve Si ile örgü sabiti eşleşmesi nedeniyle potansiyel olarak SiO2'nin yerine geçme potansiyeline sahiptir. Ayrıca, çözelti bazlı teknikler veya vakum sistemleri kullanılarak kolayca biriktirilebilir ve ZrO2 satın alma ve işleme açısında ekonomik olarak uygundur. ZrO2'nin c-Si ile etkileşimini anlamak ve analiz etmek için farklı biriktirme teknikleri ile çalışmalar yapıldı. ZrO2 tabakasının gerekli nano ölçekli kalınlığına ulaşmak, çözelti işleme tekniklerini (döndürerek kaplama ve sprey kaplama gibi) kullanarak zor olsa da, vakuma dayalı biriktirme teknikleri (termal ve elektron ışını buharlaştırma gibi) 1 nm kalınlığında ZrOx katmanını c-Si üzerinde biriktirebildi. 1 nm kalınlığındaki ZrOx pasivasyon katmanının c-Si üzerine başarılı bir şekilde biriktirilmesinin ardından, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), x-ışını kırınımı (XRD), transmisyon elektron mikroskobu (TEM), spektroskopik elipsometrisi (SE) ile derinlemesine karakterize edildi. Daha sonra, farklı kalınlıklardaki farklı özdirençlere sahip n-tipi c-Si (n-Si) levhalar üzerinde için Cox-Strack yöntemi (CSM) ile temas özdirenci (ρc) ölçümleri yapılarak pasivasyonun etkisi araştırılmıştır. ZrOx, oda sıcaklığında e-ışınlı buharlaştırma yöntemi ile biriktirildi. Kontakt direncinin, ZrOx kalınlığına büyük ölçüde bağlı olduğu bulundu. Yalnızca 1 nm kalınlığında ZrOx kullanılarak en düşük 21 mΩ.cm2¬ ρ¬¬C değeri elde edildi Ayrıca, ZrOx'in elektron seçici doğası, n-Si ve alüminyum arasında bir ara katman olarak biriktirildiğinde Ohmik davranış gösterdiği için CSM tarafından kanıtlanmıştır. Konseptin bir kanıtı olarak, ZrOx pasivasyonunun n-Si güneş pilinin performansı üzerindeki etkisini açıklamak için arka kontaktında biriken 1 nm ZrOx ile bir n-Si güneş hücresi üretildi. 1 nm kalınlığında ZrOx arka kontakt pasifleştirilmiş n-Si güneş hücresi, kısa devre akım yoğunluğu (JSC) 33.86 mA/mm2, açık devre voltajı (VOC) 600.0 mV, doldurma faktörü (FF) %79,1 ve toplam verimlilik (η) %16,1 ile önemli performans gösterdi. Bu değerler, hafif katkılı n-Si gofretler için ortaya çıkan elektron seçici katman teması olarak ZrOx'un kullanımını başarılı bir şekilde göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Crystalline silicon (c-Si) solar cell efficiencies have peaked at around 26%. To get closer and even go beyond the Shockley-Queisser Limit, passivation of the rear contact of c-Si solar cells is mandatory. Formation of ohmic, low-resistance and economically feasible contacts is impeded by the fermi-level pinning phenomenon in lightly doped n-type c-Si (n-Si). Over the past two decades, much research has been done to find materials that can replace the commonly used silicon dioxide (SiO2) as it showed electrical instabilities at low thicknesses in microelectronic applications. Zirconium dioxide (ZrO2) is potentially capable of succeeding SiO2 due to its high dielectric constant, large band gap, environmental stability, high service temperature, electron-selective nature, and lattice constant match with Si. It can also be easily deposited using solution-based techniques or vacuum systems. ZrO2 is also economically viable to purchase and process. To understand and analyze the interactions between ZrO2 and c-Si, experiments were conducted with different deposition techniques. While reaching the required nanoscale thickness of ZrO2 layer was challenging using solution processing techniques (such as spin coating and spray coating), vacuum-based deposition techniques (such as thermal and electron-beam evaporation) were able to deposit ZrOx layers on c-Si with a thickness of 1 nm. Following successful deposition of the 1 nm thick ZrOx passivation layer on c-Si, it was profoundly characterized by X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-Ray diffraction (XRD) analysis, transmission electron microscopy (TEM) and spectroscopic ellipsometry (SE). Afterwards, the effect of passivation was investigated by conducting contact resistivity (ρc) measurements, using Cox-Strack method (CSM), for different thickness on n-Si wafers with different resistivities. ZrOx was deposited through e-beam evaporation at room temperature. The contact resistivity was found to be highly dependent on the ZrOx thickness. The lowest ρc obtained using only 1 nm thick ZrOx was 21 mΩ.cm2. Moreover, the electron-selective nature of ZrOx was proven by CSM as it showed ohmic behavior when it was deposited as an interlayer between n-Si and aluminum (Al). As a proof of concept, an n-Si solar cell was fabricated with 1 nm ZrOx deposited at its rear contact to elucidate the effect of ZrOx passivation on the performance of n-Si solar cell. 1 nm thick ZrOx rear-contact-passivated n-Si solar cell showed significant performance with a short circuit current density (JSC) of 33.86 mA/mm2, an open circuit voltage (VOC) of 600.0 mV, a fill factor (FF) of 79.1% and an overall efficiency (η) of 16.1%. These values successfully demonstrate the use of ZrOx with Al as an emerging electron-selective layer contact for lightly doped n-Si wafers.
Benzer Tezler
- Development of titanium oxide thin film as electron selective passivating contact in N-type silicon solar cells
N-tipi silikon güneş hücrelerinde elektron seçici pasivasyon temasında titanyum oksit ince filmin geliştirilmesi
NASER BEYRAGHI
Doktora
İngilizce
2024
Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELÇUK YERCİ
PROF. DR. RAŞİT TURAN
- Optimization of novel passivation and carrier selective layers on crystalline silicon solar cell technologies
Kristal silisyum güneş hücresi teknolojilerinde yeni nesil pasivasyon ve taşıyıcı seçici katmanların optimizasyonu
GAMZE KÖKBUDAK BALDAN
Doktora
İngilizce
2023
Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAŞİT TURAN
- Investigation of bias-assisted photoenhanced electrochemical etching for fabrication of self-aligned gallium nitride based bipolar transistors
Kendinden yerleşmeli galyum nitrit tabanlı iki kutuplu transistörlerin fabrikasyonu için potansiyel yardımlı foton katkılı elektrokimyasal aşındırma
EMRE ALPTEKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2006
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR AKTAŞ
- Optimization and characterization of polysilicon fabricated by e-beam evaporation for passivating contact silicon (topcon) solar cells
Pasifleştiren kontaklı silisyum tabanlı güneş hücresi (topcon) uygulamaları için elektron demeti ile üretilmiş polisilisyum yapıların optimizasyonu ve karakterizasyonu
SALAR HABİBPUR SEDANİ
Doktora
İngilizce
2022
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAŞİT TURAN
PROF. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN
- Kuru aşındırma yöntemiyle titanyum silisite seçici kontak aşındırma prosesinin optimizasyonu
Optimization of selective titanium silicide contact hole etching process via dry etching method
TUĞBA BİLGİÇ KELLE
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEGÜL MERİÇBOYU