Dependence of open circuit voltage in a-Si:H and μc-Si:H solar cells on defect density in absorber layer varied by 2 MeV electron bombardment

Abstract

Theoretically predicted values of the open circuit voltage (V OC ) for a-Si:H or c-Si:H based solar cells are substantially higher than the values achieved in of state-of-the-art devices. Fundamentally, open circuit voltage is determined by generation-recombination kinetics, where recombination is often controlled by the defect density in the absorber layer of a solar cell. The latter aspect is the focus of the paper. The relation between the V OC and the bulk recombination in the absorber layer is addressed in experiment by varying the defect density. The absorber layer defect density (spin density, N S , monitored with ESR) in a-Si:H and c-Si:H solar cells was varied over two orders of magnitude using a 2 MeV electron bombardment and successive stepwise annealing. The results of the electron bombardment experiment are analyzed with respect to the illumination intensity dependency of the V OC , measured for the same set of a-Si:H and c-Si:H solar cells. We find that the V OC of a-Si:H solar cells is not limited by defects in the bulk of the absorber layer, even at relatively high defect density up to 3-5 × 10 16 cm −3 and, therefore, other limiting mechanisms have to be identified to improve voltage in these devices. In contrast, c-Si:H solar cells show nearly classical V OC -N S relation. The bulk defect density in c-Si:H absorber layer is thus likely the key limiting factor for V OC in these devices at present status of material quality (N S of 3-7 × 10 15 cm −3 ). Further optimization of c-Si:H in terms of bulk defect density is highly relevant for V OC improvement in solar cells. PACS Nos.: 88.40.jj, 72.20.Jv, 61.80.Fe.Résumé : Les valeurs théoriques prédites pour le voltage en circuit ouvert (V OC ) de cellules solaires basées sur du a-Si : H ou du c-Si : H sont substantiellement plus élevées que celles que l'on obtient dans les dispositifs à la fine pointe. Fondamentalement, le voltage en circuit ouvert est contrôlé par la cinétique de la génération-recombinaison, où la recombinaison est souvent déterminée par la densité de défauts dans la couche absorbante de la cellule solaire. Ce dernier point est le sujet principal de cette publication. Nous étudions la relation entre V OC et la recombinaison en volume dans la couche absorbante en variant la densité de défauts. Par bombardement avec des électrons de 2 MeV, suivi de recuits successifs, nous varions sur deux ordres de grandeur la densité de défauts dans la couche absorbante (densité de spin, N S , vérifié par ESR) dans des cellules solaires de a-Si : H et de c-Si : H. Les résultats du bombardement électronique sont analysés en fonction de la dépendance de V OC sur l'intensité du bombardement, mesuré pour deux ensembles de cellules solaires a-Si : H et c-Si : H. Nous trouvons que V OC dans les cellules a-Si : H n'est pas limité par les défauts en volume de la couche absorbante, même à relativement grande densité jusqu'à 3-5 × 10 16 cm -3 et, par conséquent, d'autres mécanismes limitatifs doivent être identifiés pour améliorer le voltage dans ces dispositi...

Impact of transparent conductive oxide front side texture on the open‐circuit voltage of a‐Si:H solar cells

“…However, it improves to a certain extent with increasing i‐layer thickness for solar cells deposited on HF etched ZnO and LPCVD ZnO. Reduction of V oc can have different reasons such as increase of i‐layer defect density or formation of shunts Refs. due to nano‐cracks formed during the deposition on top of a front texture with very steep features.…”