Uudentyyppinen metallikontakti III–V-puolijohdeaurinkokennojen hyötysuhteen parantamiseksi

Abstract

Puolijohdeaurinkokennot ovat toistaiseksi lupaavin menetelmä tuottaa sähkövirtaa aurinkoenergian avulla. Suurin hyötysuhde on saavutettu III-V-puolijohteista valmistetulla moniliitoskennolla keskitetyn auringonvalon avulla. Hyötysuhdetta heikentää kuitenkin aurinkokennon metallisen etukontaktin varjostusefekti, sillä se aiheuttaa aurinkokennolle saapuvan valon takaisinheijastumista. Tässä diplomityössä valmistettiin moniliitosaurinkokennon etukontakti uudella tavalla siten, että merkittävä osuus kontaktin pinta-alasta siirrettiin kennon aktiivisen osan eli mesarakenteen ulkopuolelle varjostusefektin pienentämiseksi. Etukontaktin muotoilu tehtiin kolmelle rinnakkaiselle näytteelle, joihin valmistettiin mesarakenteet. Rakenteiden reunoille kasvatettiin eristekerros reunan yli kulkevien johtimien alle kennokomponenttien oikosulun estämiseksi. Eristeen rakenteeksi valikoitui yhdistelmä piidioksidia (300 nm) ja piinitridiä (300 nm). Mesarakenteen päälle jätetyn eristeen leveys mesarakenteen reunalta oli joko 5 µm, 10 µm tai 20 µm. Kontaktien metallointi sekä heijastuksenestopinnoite tehtiin elektronisuihkuhöyrystyksellä. Valmiit kennokomponentit eroteltiin toisistaan ja niiden toimintaa karakterisoitiin virta-jännitemittausten avulla. Eristeen leveyden ollessa 10 µm tai 20 µm, parhaiden kennojen oikosulkuvirrat ja tyhjäkäyntijännitteet ylsivät lähes referenssikennon tasolle, täytekerrointen ja hyötysuhteiden jäädessä kuitenkin alhaisemmiksi. Kennojen toiminta viittasi mahdolliseen ongelmaan takakontaktissa, jossa havaittiin heikko adheesio prosessin öljyjäämistä johtuen. Takakontaktin johtavuutta lisättiin liittämällä kennot johtavaan alustaan, mikä paransi kennojen toimintaa. Eristeen leveyden ollessa puolestaan 5 µm, kennojen virta-jännitekäyttäytyminen viittasi oikosulkuun. Tämä on todennäköisesti seurausta eristävän alueen epäonnistuneesta kohdistamisesta mesarakenteen suhteen. Täten voidaan todeta, että 5 µm:n erotus mesarakenteen ja eristekuvion välillä on liian pieni. Pienentämällä kennoa varjostavaa osuutta poistamalla tarpeeton eristekerros mesarakenteen päältä, hyötysuhdetta voitaisiin parantaa edelleen. Poistoa kokeiltiin sekä kuiva- että märkäetsaamalla. Kuivaetsaus irrotti etukontaktin metallit ja myös märkäetsaus heikensi merkittävästi kennon toimintaa verrattaessa etsaamattomiin näytteisiin. Sopiva etsausresepti vaatii siten vielä jatkotutkimuksia. Lisäksi tulevaisuudessa prosessia on suositeltavaa muuttaa siten, että takametalli höyrystetään jo prosessin aikaisemmassa vaiheessa adheesio-ongelman välttämiseksi ja eristeen leveys tulisi olla vähintään 10 µm kennojen toiminnan takaamiseksi. Työn lopputuloksena voidaan todeta, että tutkitulla menetelmällä on mahdollista valmistaa toimivia aurinkokennoja.

Semiconductor solar cells are the most promising technique for generating current from solar energy. The best conversion efficiency has been achieved with a III-V semiconductor based multijunction solar cell under concentrated sunlight. However, the shadowing effect caused by the front contact grid decreases the conversion efficiency since the sunlight reflects back at the contact sites. The aim of this thesis was to decrease the shadowing effect by fabricating a novel front contact grid for multijunction solar cells. The busbar of the grid was placed outside the mesa structure, i.e., the active area of the solar cell. Mesa structures were fabricated on three parallel samples. Due to changes regarding the grid design, a dielectric layer was deposited between the mesa structure and the metal contact grid in order to avoid short circuit. Sufficient composition of the dielectric layer was studied resulting in a structure consisting of 300 nm of SiO2 and 300 nm of SiNX. The offset of the dielectric layer on top of the mesastructure was either 5 µm, 10 µm, or 20 µm. Metal contacts and antireflective coating were deposited by electron beam evaporation, and the solar cell components were then separated from each other. The performance of the solar cells was characterized by current-voltage measurements. Open circuit voltage and short circuit current values of the cells with the offset of 10 µm and 20 µm reached nearly the level of the reference sample. However, the fill factor and conversion efficiency values were still lower than expected. The performance of the cells indicated that the back contact was of inferior quality, resulting from poor adhesion due to oil remains. When the conductivity was enhanced by bonding the cell components on a submount, the cell performance was improved. The cells with the offset of 5 µm were short circuited. This implies that the alignment of the dielectric structure on top of the mesa structure was not successful. It can therefore be stated, that the offset of 5 µm is too small. In order to further enhance the conversion efficiency, the shadowing effect could be reduced by removing the extra dielectric on top of the mesa structure. For this, both dry etching and wet etching methods were studied. Dry etching damaged the metal grid, while the performance of the wet etched cells was very poor compared to the cells without the etching step. In the future, a closer examination of the etching recipe is required. In addition, it is recommended that the back contact metal is deposited at the early stage of the fabrication in order to avoid the problem with adhesion. The offset between the dielectric pattern and the edge of the mesa structure should be at least 10 µm to preserve the electric performance of the cells. As a conclusion of the thesis it can be stated that the studied concept is suitable for solar cell fabrication.