Development of metal oxide thin films as carrier selective contacts for silicon heterojunction solar cells / Entwicklung von Metalloxid-Dünnfilmen als trägerselektive Kontakte für Silizium-Heteroübergangssolarzellen

The main focus of this thesis is on metal oxide layers and their possible implementation as carrier selective contacts in silicon heterojunction (SHJ) solar cells. The dominant topics in this work are the development of deposition processes for such metal oxide layers and their further analysis, covering layer composition, layer properties and their interface with perovskite, crystalline silicon (c-Si), or amorphous hydrogenated silicon (aSi:H). Their implementation in solar cell devices, as well as their impact on solar cell performance, were also assessed. Chapters 4 and 5 focus on electron-transport layers for SHJ solar cells deposited by atomic layer deposition (ALD). Additionally, a discussion of a post-treatment process for spin-coated tin oxide (SnO2) layers for perovskite solar cells is presented in chapter 4. Chapter 6 gives a brief overview of metal oxides as electron-selective contacts and discussed the possibilities and issues of implementing high work function transition metal oxide (TMO) layers in SHJ devices. Furthermore, it presented a general outlook for ALD in SHJ and perovskite solar cells. Chapter 4 summarizes an investigation of PEALD SnO2 layers. This chapter covers the development of the deposition process, and the correlation of deposition parameters and layer composition to the opto-electrical properties of SnO2 layers. It was shown that, for SnO2 layers deposited by PEALD, residuals from the precursor, such as carbon and nitrogen species, are present at the surface and in the bulk. These residuals are especially prominent for low temperature depositions and have a direct influence on the refractive index and optical band gap of SnO2 layers. Moreover, this chapter discusses the evolution of the interface between n aSi:H and SnO2 layers at different stages of SnO2 layer growth. The formation of intermediate SiOx and SnOx phases was observed during the first stages of the deposition. Additionally, the apparent conduction band offset for this interface was calculated to be 0.55±0.15 eV. However, this value represents not only the offset between the fully formed SnO2 layer and the n-aSi:H bulk, but also includes the band bending in the SnO2 film towards the interface, and not the direct interface. Such offset is higher than for comparable metal oxides that can be used as electron-transport layers. This was reflected in the performance of solar cells with implemented PEALD SnO2 layers, which exhibited a drop in fill factor in comparison to reference SHJ solar cells. This raised concerns for PEALD SnO2 layers as electron-selective contacts in SHJ solar cells. Furthermore, in a broader overview of SnO2 layer and surface properties, a post-treatment with oxygen plasma for spin-coated SnO2 layers was investigated with a focus on implementation in perovskite solar cells. It was demonstrated that, with oxygen plasma exposure, it is feasible to eliminate reduced surface states and contamination at the SnO2 film surface. Moreover, by introducing the oxygen plasma treatment, an improvement in the band alignment between SnO2 and perovskite layer can be achieved. This was mirrored by the improved efficiency and decreased hysteresis behaviour of such perovskite solar cells. Chapter 5 describes the layer properties and device implementation of ALD magnesium oxide (MgO) layers as passivating electron-selective contacts for SHJ solar cells. It was observed that MgO layers do not provide good passivation by themselves on c-Si wafers. Therefore, an intermediate passivation layer was needed to maintain a high VOC in solar cells with MgO layers. In this work, i-aSi:H layers were considered as a passivating buffer layer. The low MgO deposition temperatures (< 200 °C) ensured compatibility with i-aSi:H layers. Regarding layer and interface properties, the main varied and analyzed parameters in this chapter were: MgO layer thickness, the metallization scheme for the rear side at the MgO layer interface, and the deposition temperature for the MgO layers. Using flat wafers with rear side MgO layers, it was possible to achieve efficiencies of 16.4 % for solar cells with a c-Si/MgO interface, and 17.3 % with an i aSi:H/MgO interface. Therefore, the ALD MgO layers, presented in this thesis, can be considered as a suitable building block for further development in c-Si based devices. Finally, chapter 6 discusses current and future topics for research in relation to the results of this thesis. Perspectives and issues regarding implementation are discussed for TMO high work function layers as hole-selective contacts, and low work function metal oxides as electron-selective contacts, for SHJ solar cells. Moreover, an overview of the prospects for metal oxides and ALD in the context of SHJ and perovskite solar cells is presented. / Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Metalloxidschichten und ihrer möglichen Implementierung als ladungsträgerselektive Kontakte in Silizium Heterokontaktsolarzellen (SHJ – Silicon heterojunction). Das Hauptthema der Arbeit ist die Entwicklung von Abscheidungsbedingungen für solche Metalloxidschichten und die weitere Analyse ihrer Schichtzusammensetzung, Eigenschaften und Grenzflächeneigenschaften in Kombination mit Perowskit, kristallinem Silizium (c Si) oder hydrogeniertem amorphem Silizium (a Si:H). Es werden weiterhin ihre Implementierung in Solarzellen sowie ihr Einfluss auf die Effizienz der Solarzellen diskutiert. Kapitel 4 und 5 beschreiben die Elektronentransportschichten für SHJ-Solarzellen, die durch Atomlagenabscheidung (ALD) oder Plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung (PEALD) abgeschieden wurden. Zusätzlich wird in Kapitel 4 ein Nachbehandlungsprozess für spin-beschichtete Zinnoxidschichten (SnO2) für Perowskitsolarzellen erörtert. Kapitel 6 gibt einen kurzen Überblick über Metalloxide als elektronenselektive Kontakte und erläuterte die Möglichkeiten und Probleme der Implementierung von Übergangsmetalloxidschichten (TMO – transition metal oxide) mit hoher Austrittsarbeit in SHJ Solarzellen. Darüber hinaus wird ein allgemeiner Ausblick für ALD in SHJ- und Perowskitsolarzellen gegeben. Kapitel 4 fasst die Untersuchung von PEALD SnO2 Schichten zusammen. Dieses Kapitel behandelt die Entwicklung des Abscheidungsprozesses und die Korrelation von Abscheidungsparametern und Schichtzusammensetzung mit den opto-elektronischen Eigenschaften von SnO2 Schichten. Es wurde gezeigt, dass bei durch PEALD abgeschiedenen SnO2 Schichten Reste des Precursor, wie Kohlenstoff und Stickstoffspezies, an der Oberfläche und im Bulk vorhanden sind. Diese Rückstände sind besonders markant für Niedertemperaturabscheidungen und haben direkten Einfluss auf den Brechungsindex und die optische Bandlücke von SnO2 Schichten. Darüber hinaus wird in diesem Kapitel die Entwicklung der Grenzfläche zwischen n-aSi:H- und SnO2 Schichten in verschiedenen Stadien des SnO2 Schichtwachstums erörtert. Die Bildung von SiOx- und SnOx Zwischenphasen wurde in den ersten Stadien der Abscheidung beobachtet. Zusätzlich wurde der Leitungsbandversatz für diese Grenzfläche mit der Bandverbiegung an der Grenzfläche zu 0.55 ± 0.15 eV berechnet. Dieser Versatz ist höher als bei vergleichbaren Metalloxiden, die als Elektronentransportschichten verwendet werden können. Dies spiegelte sich in der Leistungsfähigkeit von Solarzellen mit implementierten PEALD SnO2 Schichten wider, die im Vergleich zu Referenz SHJ Solarzellen einen geringeren Füllfaktor aufwiesen. Dies wirft Bedenken hinsichtlich PEALD SnO2 Schichten als elektronenselektive Kontakte in SHJ-Solarzellen auf. Darüber hinaus wurden in einem breiteren Überblick die Eigenschaften von SnO2 Schichten und -Oberflächen eine Nachbehandlung mit Sauerstoffplasma für SnO2-Schichten aus Schleuderbeschichtung (spincoating) untersucht, wobei der Schwerpunkt auf der Implementierung in Perowskitsolarzellen lag. Es wurde gezeigt, dass es mit Sauerstoffplasmaexposition möglich ist, reduzierte Oberflächenzustände und Verunreinigungen an der SnO2 Filmoberfläche zu beseitigen. Darüber hinaus kann durch Einführung der Sauerstoffplasmabehandlung eine Verbesserung der Energiebandausrichtung zwischen SnO2- und Perowskitschichten erreicht werden. Dies wurde durch den verbesserten Wirkungsgrad und das verringerte Hystereseverhalten solcher Perowskitsolarzellen widergespiegelt. Kapitel 5 beschreibt die Schichteigenschaften und die Solarzellenimplementierung von ALD-Magnesiumoxidschichten (MgO) als passivierende elektronenselektive Kontakte für SHJ Solarzellen. Es wurde beobachtet, dass MgO-Schichten selbst keine gute Passivierung auf c-Si Wafern bereitstellen. Daher wurde eine Zwischenpassivierungsschicht benötigt, um eine hohe Leerlaufspannung (VOC) in Solarzellen mit MgO-Schichten zu erhalten. In dieser Arbeit wurden i-aSi:H Schichten als passivierende Schicht verwendet. Die niedrigen MgO-Abscheidungstemperaturen (<200 °C) stellten die Verträglichkeit mit i-aSi: H-Schichten sicher. In Bezug auf Schicht und Grenzflächeneigenschaften waren die wichtigsten variierten und analysierten Parameter in diesem Kapitel folgende: MgO-Schichtdicke, Metallisierungsschema für die Rückseite an der MgO Schichtgrenzfläche und Abscheidungstemperatur für die MgO Schichten. Mit polierten Wafern und mit rückseitigen MgO-Schichten konnten Effizienz von 16.4% für Solarzellen mit einer c Si/MgO-Grenzfläche und 17.3% mit einer i-aSi:H/MgO-Grenzfläche erzielt werden. Daher können die in dieser Arbeit vorgestellten ALD-MgO-Schichten als geeigneter Baustein für die Weiterentwicklung von Bauelementen auf der Basis von c-Si angesehen werden. Schließlich wurden in Kapitel 6 aktuelle und zukünftige Forschungsthemen im Zusammenhang mit den Ergebnissen dieser Arbeit behandelt. Perspektiven und Aspekte der Implementierung wurden für TMO-Schichten mit hoher Austrittsarbeit als lochselektive Kontakte und Metalloxide mit niedriger Austrittsarbeit als elektronenselektive Kontakte für SHJ-Solarzellen diskutiert. Darüber hinaus wurde ein Überblick über die Perspektiven für Metalloxide und ALD im Zusammenhang mit SHJ- und Perowskitsolarzellen gegeben.