Simulation von Doppelantireflexschichten

Der Füllfaktor ohne Einbeziehung von Widerständen (FF0) wird nach [129] wie folgt berechnet:

Der Wirkungsgrad der simulierten Struktur ergibt sich dann, nach Abzug des durch die Metallisierung abgeschatteten Bereiches von der Kurzschlussstromdichte, nach Formel (1.6).

Da in der Exceldatei bereits Reflexion und IQE angegeben sind, lässt sich leicht eine Externe Quanteneffizienz (EQE) berechnen. Für den Vergleich von zwei Schichtsystemen ergibt sich dadurch der Vorteil, dass ersichtlich ist, in welchem Wellenlängenbereich mit Zugewinnen an Stromdichte und wo mit Verlusten zu rechnen ist. Die Simulation berücksichtigt nicht die in Kapitel 2.4 beobachtete Verbesserung der Oberflächenpassivierung bei dickeren Schichten oder Doppelschichten.

3.3 Simulation von Doppelantireflexschichten

Für die optische Simulation und Optimierung von Schichten und Solarzelldaten mit der beschriebenen Exceldatei ist die Eingabe einiger Parameter notwendig. Für die IQE wird eine eigene Messung einer monokristallinen Cz-Si p-Typ Zelle mit selektivem Emitter (30 /sq und 80 /sq) verwendet (Cz-Si 2 cm, Volumenlebensdauer:

800 µs). Als Abschattungsanteil durch Metallkontakte werden 6% angenommen, was mit aktuellen Siebdruckverfahren möglich ist. Für die Berechnung des Füllfaktors wird ein Serienwiderstand von 0,6  und ein Parallelwiderstand von 5000  eingegeben (mit 2-Diodenmodell gefittete Messwerte von eigener Zelle). Die Textur wird mit zufällig verteilten Pyramiden angenommen und als Beleuchtung wird ein AM1,5g Spektrum bei senkrechtem Lichteinfall verwendet. Als Sättigungsstromdichte wird 400 fA/cm2 eingesetzt.

Abbildung 3.1 stellt in einem Kontourplot die daraus berechneten Effizienzwerte für SiNx:H-Schichtdicken von 0 bis 150 nm und SiO2-Schichtdicken von 0 bis 200 nm für eine Solarzellenstruktur dar. Der Plot, wie auch die in diesem Kapitel folgenden, ist aus 336 Einzelwerten interpoliert. Die SiO2-Schicht liegt dabei auf der SiNx:H-Schicht.

Brechungsindizes und Absorptionswerte der Dielektrika stammen aus eigenen

3 Lichteinkopplung in die Solarzelle

Ellipsometriemessungen der entsprechenden Schichten und werden für die Berechnungen wellenlängenabhängig berücksichtigt. Für die in diesem Kapitel gezeigten Simulationen sind exemplarisch die Brechungsindizes n=1,98 für SiNx:H und n=1,5 für SiO2 bei 630 nm Wellenlänge gewählt.

Abbildung 3.1: Dickenabhängige simulierte Effizienz einer pyramidentexturierten Solarzelle mit DARC bestehend aus SiNx:H (n=1,98) und SiO2 (n=1,5). Die SiO2-Schicht ist auf der SiNx:H-Schicht

aufgebracht. Die Simulation berücksichtigt nicht die Verbesserung der Oberflächenpassivierung.

Entlang der Achsen des Graphs lässt sich die schichtdickenabhängige Effizienz von Einzelschichten (SARC) ablesen. Hier ist deutlich eine starke Abhängigkeit der Effizienz von der Schichtdicke erkennbar. Beispielsweise ergibt eine nur 30 nm dicke SiNx:H-Schicht eine um mehr als 1%abs geringere Effizienz als eine einzelne Schicht optimaler Dicke (75 nm).

Für die Doppelschicht (DARC) ist die Abhängigkeit der Effizienz von der Schichtdicke deutlich geringer. Das zuvor beschriebene Beispiel mit 30 nm Schichtdicke für SiNx:H führt im Fall der Doppelschicht (mit 88 nm SiO2) zu nur 0,15%abs

Wirkungsgradverlust im Vergleich zu einer optimalen DARC. Abbildung 3.1 zeigt diese Insensitivität auch durch den sehr geringen Farbgradienten in der Mitte des Graphen innerhalb der schwarzen 20% Markierung. Bei Verwendung einer DARC ist die Anforderung an die genaue Einhaltung einer bestimmten Dicke und die Dickenhomogenität der Einzelschichten also deutlich geringer.

Für eine optimale DARC ergibt die Simulation mit einer Kurzschlussstromdichte von 38,6 mA/cm² und einer Effizienz von 20,14% einen Vorteil von 0,33 mA/cm² (+ 0,84% relativ) für die Stromdichte und 0,17%abs (+ 0,85% relativ) für die Effizienz im Vergleich zu einer optimalen SARC.

In Abbildung 3.2 ist eine Simulation der wellenlängenabhängigen Reflexion von Siliziumsubstraten mit unterschiedlichen Oberflächen und Doppel- sowie Einzelanti-reflexschichten aufgetragen. Die Grafik veranschaulicht den großen über den gesamten Wellenlängenbereich wirkenden Einfluss der Textur auf die Reflexion. Für die

20,00

0 40 80 120 160 200

0 20 40 60 80 100 120 140

Dicke SiO₂ [nm]

Dicke SiNx:H [nm]

18,23 18,61 18,99 19,38 19,76 20,15 Effizienz [%]

Schichtdicken der dargestellten SARC und DARC werden die zuvor als jeweiliges Optimum ermittelten Werte verwendet. Der Vorteil der DARC zeigt sich bei kurzen und langen Wellenlängen durch eine geringere Reflexion während um 550 nm eine leicht höhere Reflexion vorliegt.

Abbildung 3.2: Simulation der wellenlängenabhängigen Reflexion von Siliziumsubstraten mit

unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit und Einfach- (SARC) bzw. Doppelantireflexschicht (DARC).

Es ist ein unendlich dickes Substrat angenommen (Rückseitenreflexion nicht berücksichtigt).

Abbildung 3.3 macht die wellenlängenabhängigen Unterschiede von einer optimierten Einzel- und Doppelschicht anhand einer simulierten externen Quanten-effizienz (EQE) deutlich.

Abbildung 3.3: Simulierte EQEs und deren Differenz sowie Transmission von optimaler Einfach- (SARC) und Doppelantireflexschicht (DARC) im Vergleich.

Während bei kurzen und langen Wellenlängen ein deutlicher Gewinn an Kurzschlussstromdichte durch verringerte Reflexion bei der DARC im Vergleich zur

400 600 800 1000 1200

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Reflexion

Wellenlänge [nm]

Si poliert Si texturiert Si texturiert SARC Si texturiert DARC Si poliert SARC

400 600 800 1000 1200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

EQE, Transmission

Wellenlänge [nm]

Transmission SARC Transmission DARC EQE SARC

EQE DARC Gewinn EQE Verlust EQE

3 Lichteinkopplung in die Solarzelle

SARC erwartet werden kann, sind zwischen 440 nm und 610 nm leichte Einbußen durch mehr Reflexion und damit weniger Transmission zu verzeichnen.

Die in Abbildung 3.1 dargestellte Grafik der berechneten Solarzelleffizienzwerte in Abhängigkeit von DARC-Schichtdicken ist in Abbildung 3.4 auf Solarzellenmodullevel, also für eine Verkapselung in Ethylenvinylacetat (EVA) gezeigt. Das EVA ist dabei als beliebig dünn angenommen, es wird also keine Absorption im EVA berücksichtigt.

Ebenso werden elektrische Änderungen und Widerstandsverluste vernachlässigt.

Abbildung 3.4: Dickenabhängige simulierte Effizienz einer pyramidentexturierten Solarzelle verkapselt in EVA mit DARC bestehend aus SiNx:H (n=1,98) und SiO2 (n=1,5) unter EVA. Die SiO2-Schicht ist auf der SiNx:H-Schicht aufgebracht. Die Simulation berücksichtigt nicht die Verbesserung der

Oberflächenpassivierung.

Da der Brechungsindex von EVA dem von SiO2 sehr ähnlich ist (1,52 zu 1,50 bei 630 nm [97]), ist der Einfluss der SiO2-Schichtdicke sehr gering. Durch den minimal höheren Brechungsindex von EVA ergibt sich durch die nicht optimale Lichteinkopplung vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium wegen mehr Reflexion eine leichte Verringerung der Effizienz mit Zunahme der SiO2-Schichtdicke.