Silicon solar cells: methods for experimental study and evaluation of material parameters in advanced structures

Abstract

Tato práce se zabývá vývojem fotoelektrických charakterizačních metod pro potřeby výzkumu v oblasti tenkovrstvých solárních článků na bázi křemíku. Abychom získali relevantní výsledky je nutné aplikovat fotovodivostní spektroskopii a měření voltampérových křivek, přímo na reálné struktury, které však mohou být mnohovrstvé, vícepřechodové a s nanostrukturovanými rozhraními. Jak analytické tak numerické optické modely jsou použity pro studium absorpce světla a výpočet absorpčního koeficientu křemíkových vrstev v oblasti pod absorpční hranou. Podle sklonu absorpční hrany a absorpce na dně zakázaného pásu pak lze posuzovat uspořádanost a množství poruch v materiálu. Na základě studia elektrické interakce dvou částí dvoupřechodového solárního článku byly vyvinuty metody pro měření fotovodivostních spekter a voltampérových křivek přímo těchto jednotlivých částí bez nutnosti jejich přímého kontaktování. Použitelnost Fourierovské fotovodivostní spektroskopie jakožto robustní metody pro měření fotovodivosti amorfního křemíku je zde podrobně analyzována. Detailně je řešena otázka frekvenční závislosti a je provedeno srovnání s fototermální deflekční spektroskopií.

This work concerns with today's challenges of photoelectrical characterization methods in the research and development of thin film silicon solar cells. Relevant results are obtained only when photocurrent spectroscopy and measurement of current-voltage characteristics, are applied on the real structures that can however be multi-layered, multi-junction devices with nanostructured interfaces. Analytical and numerical optical models comprising light scattering are used for analysis of light absorption and for evaluation of optical absorption coefficient of silicon layers in sub-gap region. The slope of absorption edge and residual absorption in mid-gap indicate material disorder and defect density. Based on the investigation of electrical interaction between sub-cells in the dual-junction solar cell we developed new methods of evaluation of photocurrent spectra and current-voltage characteristics individually for each sub-cell with no need to contact them directly. Usability of Fourier Transform Photocurrent Spectroscopy as a robust method for photocurrent spectroscopy of amorphous silicon is thoroughly analyzed here. The issues of frequency dependence are addressed in detail and comparison with photothermal deflection spectroscopy is made.