This thesis investigates back-contacted (IBC) bottom solar cells with passivating and carrier-selectivePOLO contacts with three terminals (3T-POLO-IBC cell). Such cells form thefoundation of monolithic three-terminal tandem solar cells. This novel tandem solar cellenables the use of sub-cells with mismatched photocurrents. Thus, this tandem solar celltechnology platform offers the flexibility with respect to subcell material selection, the easeof fabrication, and a robustness to spectral variations of incident light over the course ofthe day and year. Three building blocks of the 3T POLO IBC bottom solar cell, which arebased on each other, are examined: First, the passivating and carrier-selective POLO contact.Second, the integration of POLO contacts on the rear side of a solar cell. Third, the principleof operation of a bottom cell with three terminals.In the first part, the process of charge carrier extraction at selective contacts to the photoabsorberis theoretically explored. The selectivity of a contact is defined on the basis of(reaction) kinetic considerations at the contact in terms of the rate ratio of desired processesto undesired processes. The extraction efficiency of charge carriers at the contact is derivedas the ratio of the external voltage versus the internal voltage from a thermodynamic point ofview. To emphasize the unifying nature of the definitions in this thesis, the existing literaturedefinitions are calculated from the definitions in this thesis. The extraction efficiency isrelated to the selectivity coefficient of the contact and the limiting efficiency of a silicon solarcell with given contact selectivity is calculated accordingly. After the detailed theoreticalinvestigation on selectivity, the properties of n+ and p+ POLO contacts are examined. Lowsaturation current densities between 2 fA/cm² and 18 fA/cm² and contact resistivities between0.4mOhmcm² and 10mOhmcm² are found at the same time. It is shown that the efficient carriertransport of majority carriers is ensured by pinholes in the interfacial oxide. The resultinglogarithmic selectivity coefficient of POLO contacts is determined to be above 15, which isone of the highest values measured. This makes POLO contacts predestined for solar cellswith the highest efficiencies.POLO contacts are integrated on the rear side of a back-contact cell with POLO contacts forboth polarities. Thereby, the p+ and n+ doped poly-Si on the backside of the solar cell forma parasitic graded p+n+ junction within the defect-rich poly-Si with a carrier lifetime of a fewpicoseconds. The arising recombination limits the achievable efficiency of the POLO-IBC cellto about 18%. For this reason, the parasitic junction is removed during the cell fabricationprocess by wet-chemically introducing a trench between the n+- and p+-doped poly-Si regions.The POLO-IBC cell with isolated n+- and p+ poly-Si regions achieves a certified efficiency of24.25%.For the last part, a third POLO contact is added to the POLO-IBC cell and the 3T-IBCbottom cell is studied in detail using current-voltage measurements. First, the differentrealization options for a 3T tandem solar are sorted and the corresponding nomenclature ispresented. Two different 3T IBC bottom cell architectures are identified. The first one – theunijunction bottom solar cell – contains a single minority carrier contact and two majoritycarrier contacts. The second one – the bipolar junction bottom solar cell – on the other hand,has two minority carrier contacts and a single majority carrier contact.Both 3T bottom cell architectures are fabricated based on a modified POLO-IBC fabricationprocess. The principles of operation and loss mechanisms are elucidated using J-V measurementson illuminated devices and by means of analytical modeling. The experimentsshow that the third contact of a 3T unijunction and bipolar junction bottom cell allows thecollection or injection of additional minority or majority carriers from or into the bottomcell. Ideally, the power output of such a 3T bottom cell is nearly independent of the currentdensity applied by the top cell. Therefore, no current matching of both subcells is required.However, the transport of majority carriers or minority carriers through the unijunctionor bipolar junction bottom cell causes a loss, which, however, can be made negligible by aspecific design of the bottom cell. The design rules are explained in detail. After the detailedinvestigations, a 3T unijunction bottom cell with a textured n+-POLO front contact with anefficiency of 20.3% and a simplified screen-printed PERC-like 3T bipolar junction bottomcell with 14.4% are developed. The latter is an attractive approach to utilize the dominantPERC technology in a low-cost tandem solar cell with maximum energy yield.Finally, the first 3T GaInP//POLO-IBC tandem cell demonstrator is fabricated with anefficiency of 27.3% and a net efficiency gain of 0.9% is demonstrated compared to the 2Toperation of the 3T tandem cell.
Die vorliegende Arbeit untersucht Rückkontakt-Bottomsolarzellen mit passivierenden undladungsträger-selektiven POLO-Kontakten mit drei Anschlüssen (3T-POLO-IBC-Bottomzelle).Sie bilden das Fundament monolithischer Tandemsolarzellen mit drei Anschlüssen. Dieseneuartigen Tandemsolarzelle erlaubt die Verwendung von Subzellen, dessen Fotoströmefehlangepasst sind. Damit bietet diese Tandemsolarzellen-Technologie Flexibilität bei derMaterialauswahl der Subzellen, einfache Herstellbarkeit und Robustheit gegenüber spektraler Änderung des einfallenden Lichts im Tages- und Jahresverlauf. Es werden drei aufeinander aufbauende Bausteine der 3T-POLO-IBC-Bottomsolarzelle untersucht: Erstens, der passivierende und ladungsträger-selektive POLO-Kontakt. Zweitens, die Integration vonPOLO-Kontakten auf der Rückseite der Solarzelle. Drittens, die Funktionsweise einer Bottomzelle mit drei Anschlüssen.Im ersten Teil wird der Prozess der Ladungsträgerextraktion an selektiven Kontakten zumFotoabsorber theoretisch ergründet. Die Selektivität eines Kontaktes wird auf der Grundlagevon (reaktions-) kinetischen Betrachtungen am Kontakt als das Ratenverhältnis gewollterProzesse zu ungewollten Prozessen definiert. Die Extraktionseffizienz von Ladungsträgern am Kontakt wird als das Verhältnis der externen Spannung gegenüber der internen Spannung aus thermodynamischen Gesichtspunkten abgeleitet. Um den vereinheitlichenden Charakter der Definitionen in dieser Arbeit hervorzuheben, werden die bestehenden Literatur-Definitionen aus den Definitionen in dieser Arbeit berechnet. Die Selektivität und Extraktionseffizienz werden miteinander korreliert und daraus der Wirkungsgrad einer Solarzelle mit vorgegebener Kontaktselektivität errechnet. Nach der detaillierten theoretischen Untersuchung der Selektivität werden die Eigenschaften von n+ und p+ POLO-Kontakten untersucht. Es werden niedrige Sättigungsstromdichten zwischen 2 fA/cm² und 18 fA/cm² und gleichzeitig Kontaktwiderstände zwischen 0,4 mOhmcm² und 10 mOhmcm² ermittelt. Es wird gezeigt, dass der effiziente Ladungsträgertransport der Majoritäten durch Pinholes im Grenzflächenoxid sichergestellt wird. Der resultierende logarithmische Selektivitäts-Koeffizient von POLO-Kontakten wird auf über 15 bestimmt. Damit gehören POLO-Kontakte zu den Kontakten mit der höchsten Selektivität und sind für Solarzellen mit höchsten Effizienzen prädestiniert. Die POLO-Kontakte werden auf der Rückseite einer Rückkontaktzelle mit POLO-Kontaktenfür beide Polaritäten integriert. Dabei formt das p+ und n+ dotierte Poly-Si auf der Rückseiteder Solarzelle einen parasitären, gradierten p+n+-Übergang im defektreichen Poly-Si miteiner Ladungsträgerlebensdauer von wenigen Pikosekunden. Die resultierende Rekombination limitiert die erreichbare Effizienz der POLO-IBC-Zelle auf etwa 18%. Aus diesem Grund wird der parasitäre Übergang während des Zellherstellungsprozesses entfernt, indem ein Graben zwischen die n+- und p+-dotierten Poly-Si-Regionen nasschemisch eingebracht wird. Die POLO-IBC-Zelle mit isolierten n+- und p+-Poly-Si-Gebieten erzielt einen zertifizierten Wirkungsgrad von 24,25%.Für den letzten Baustein wird die POLO-IBC-Zelle um einen dritten POLO-Kontakt ergänztund die 3T-IBC-Bottomzelle mittels Strom-Spannungsmessungen im Detail untersucht. Zuerstwerden die unterschiedlichen Realisierungsmöglichkeiten für eine 3T-Tandemsolar einsortiert und die dazugehörige Nomenklatur vorgestellt. Dabei werden zwei verschiedene 3T-IBC-Bottomzellen-Architekturen unterschieden. Eine Unijunction-Bottomsolarzelle enthält einen einzigen Minoritätsladungsträgerkontakt und zwei Majoritätsträgerkontakte. Eine Bipolar-Junction-Bottomsolarzelle hingegen hat zwei Minoritätsladungsträgerkontakte und einen einzigen Majoritätsladungsträgerkontakt. Beide 3T-Bottomzell-Architekturen werden auf Basis eines modifizierten Herstellungsprozesses für POLO-IBC-Solarzellen realisiert. Das Funktionsprinzip und die Verlustmechanismen werden mit Hilfe von J-V -Messungen an beleuchteten Bauelementen und mit Hilfe analytischer Modellierung untersucht. Die Experimente zeigen, dass der dritte Kontakt einer 3T-Unijunction- und Bipolar-Junction-Bottomzelle das Sammeln oder Injizieren von zusätzlichen Minoritäts- oder Majoritätsladungsträgern aus der oder in die Bottomzelle ermöglicht.Im Idealfall ist die Leistungsabgabe einer solchen 3T-Bottomzelle nahezu unabhängig vonder Stromdichte, die von der Topzelle angelegt wird. Daher ist keine Stromanpassung beiderSubzellen erforderlich. Allerdings verursacht der Transport von Majoritätsladungsträgernbzw. Minoritätsladungsträgern durch die Unijunction- bzw. Bipolar-Junction-Bottomzellehindurch einen Verlust, welcher jedoch durch eine gezielte Auslegung der Bottomzelle vernachlässigbar klein ausfallen kann. Die Auslegung wird im Detail erläutert. Schließlich wird eine 3T-Unijunction-Bottomzelle mit einem texturierten n+-POLO-Frontkontakt mit einem Wirkungsgrad von 20,3% und eine vereinfachte siebgedruckte PERC-ähnliche 3T-Bipolar-Junction-Bottomzelle mit 14,4% entwickelt. Letztere ist ein attraktiver Ansatz, um diedominierende PERC-Technologie in einer kostengünstigen Tandemsolarzelle mit maximalerEnergieausbeute zu nutzen.Abschließend wird der erste 3T-GaInP//POLO-IBC-Tandemzellen-Demonstrator mit einemWirkungsgrad von 27,3% hergestellt und ein Netto-Wirkungsgradgewinn von 0,9% im Vergleich zum 2T-Betrieb der 3T-Tandemzelle demonstriert.