Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

Table 8.1
Parameters of two types of thin cells and comparison with
a thick cell
Structure
Thickness
[
µ
m]
V
OC
[mV]
J
SC
[mA/cm
2
]
Fill Factor
[%]
Efficiency
[%]
n
+
pp
+
44
643
35.3
75.8
17.2
PERL
47
698
37.9
81.1
21.5
PERL
400
702
41.2
81.2
23.5

---

A REVIEW OF CURRENT THIN-FILM SI CELLS
315
Double layer
antireflection
coating
Finger
“Inverted” pyramids
n
+
p
+
p
+
p
+
p
-silicon
n
Thin oxide
(~200 Å)
Oxide
Rear contact
Figure 8.6
Structure of the test cells whose parameters are given in Table 8.1
due to oxide stress. The third device is also a PERL cell, but was fabricated on a 400-
µ
m
FZ wafer, and its device structure is similar to the 47-
µ
m device. Figure 8.6 shows the
structure of these devices. They include excellent passivation and light-trapping using the
PERL process and inverted pyramids, respectively. The performance of the 44-
µ
m n
+
pp
+
cell is considerably lower than that of the other two cells, primarily due to inadequate
passivation. Chapter 7 further discusses Si wafer–based solar cell technology. The results
shown in Table 8.1 clearly demonstrate the potential of thin Si cells.
The table shows that light-trapping in the 47-
µ
m cell can yield a
J
SC
that is only
3.3 mA/cm
2
lower than that of the 400-
µ
m cell. Comparing the two PERL cells shows
that it is possible to reduce the thickness by a factor of 10, and yet reduce the efficiency
only by 10% (23.5% vs. 21.5%). It is interesting to note that the
J
SC
values of these cells
are very close to the theoretical values, indicating very efficient light-trapping and carrier
collection. From Figure 8.3, it is seen that inverted pyramids can produce
J
SC
values of
38 and 39 mA/cm
2
for cells having thicknesses of 44 and 47
µ
m, respectively. It is also
seen that beyond a 250
µ
m cell thickness, the
J
SC
saturates at about 42 mA/cm
2
.
Another cell that illustrates the high performance capability of thin cells was
fabricated on a crystalline Si film made by zone-melting recrystallization (ZMR) [28].
Figure 8.7 illustrates the structure and processing sequence for ZMR cells. To minimize
substrate issues, a single-crystalline Si wafer was used as a support. A thin layer of SiO
2
was deposited on the Si substrate as a stopping layer for impurity diffusion, and then a
60-
µ
m-thick layer of poly-Si was deposited by a chemical vapor deposition (CVD) tech-
nique. The sample was then heated in vacuum by a line-shaped carbon strip, located just
above the sample, to about 1200
◦
C to recrystallize the poly-Si layer. A (100)-dominated
surface was obtained with a growth speed of 0.2 mm/s, and grain sizes of millimeter to
centimeter were reached. They achieved a high conversion efficiency of more than 14% for
a 10
×
10-cm cell with
V
OC
=
608 mV,
J
SC
=
30 mA/cm
2
, and
FF
=
78
.
1%, and 16%
for a 2
×
2-cm
2
cell with
V
OC
=
608 mV,
J
SC
=
35
.
1 mA/cm
2
, and
FF
=
77
.
1%. These
results are quite impressive for solar cells fabricated on the poly-Si thin film obtained by
ZMR technology.

---

316
THIN-FILM SILICON SOLAR CELLS
Active layer
∼
60 
µ
m
Front
electrode
pn
junction
Substrate
~600 
µ
m
AR coating
textured surface
60 
µ
m
Thin-film Si
Rear
electrode
SiO
2
Si substrate
Oxidation of Si substrate
Polycrystalline Si deposition
Encapsulating layer deposition
Zone-melting recrystallization
BSF/active-layer deposition
Texturing etch
AR coating
Front-electrode formation
Backside etching
H
+
ion implantation
Rear-electrode formation