Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

Figure 8.10
Illustration of the structure of a STAR cell. The
µ
c-Si I-layer is typically 2 to 3
µ
m
in thickness
Table 8.3
Measured
I–V
parameters of STAR cells of different
film thickness. The efficiencies are measured as the
Aperture effi-
ciency
, which includes metallization, and
inside efficiency
, which
excludes metallization area
Cell
thickness
J
SC
[mA/cm
2
]
V
OC
[mV]
FF
[%]
Total area
efficiency
[%]
Active area
efficiency
[%]
1.5
22.9
526
77.2
9.3
–
2.5
24.39
510
75.5
9.4
9.8
3.5
26.12
480
74.8
9.4
9.8
of about 10
15
to 10
16
/cm
3
. This layer is followed by depositions of a
p
-type Si film, a
layer of ITO and an Ag-grid electrode. Some of the results obtained on the STAR devices
are given in Table 8.3. This approach has shown astounding progress, manifested in a cell
of about 10.4% efficiency, in a very short time. Initial theoretical calculations indicate
that 16 to 18% cell efficiencies are possible with moderate grain size and some novel
cell designs. It is important to note that the main part of the device uses an intrinsic
material based on an nip structure. As pointed out earlier, the drift field within the
i
-layer
can greatly increase the effective minority-carrier lifetime. However, because GBs exist
within this region, the structure is prone to shunting effects that can limit the
V
OC
and
FF
. It is interesting to note that although the
J
SC
values increase with thickness, the
V
OC
values of the STAR cells decrease with increasing thickness. This behavior was explained
in the previous section in Figures 8.1 and 8.2.
A novel approach for obtaining high
V
OC
could be to use thin-film material con-
sisting of a mixture of a-Si and
µ
c-Si. Although the physics of the
µ
c-Si phase within an
a-Si matrix is only beginning to be studied, it is likely that properties of such a composite
phase can be tailored to exhibit behavior of either species. Thus, an a-Si-rich phase in
the I-region can display higher
V
OC
, whereas a
µ
c-Si-rich phase can yield higher
J
SC
.
Indeed, there appears to be some evidence of this behavior. Researchers from Institut fur

---

A REVIEW OF CURRENT THIN-FILM SI CELLS
323
Photovoltaic have fabricated TF-Si solar cells with a
V
OC
=
600 mV and an efficiency of
10.2%, using a two-phase material with a ratio of a-Si:
µ
c-Si of 4:6 [47, 48].
Recently, a new structure has been proposed at the National Renewable Energy
Laboratory (NREL) that integrates several processing advantages in the cell design and
overcomes many of the substrate problems [49–51]. Figure 8.11 is a sketch of the cell,
which consists of a
p
-type Si film, about 10
µ
m thick, deposited on a metal-coated glass
substrate. An
n
-type junction can be made by any conventional method, followed by an
AR coating and front metallization. As illustrated in the figure, the cell has texture on
both the back (Si-metal) interface and the front surface. Some other important features of
the cell are: (1) the thickness of the Si film is about 10
µ
m, with a preferred grain size
in the range of 10 to 50
µ
m; (2) it is double-side textured with an AR coating on the
front side, and the texture height is about 1
µ
m; and (3) the substrate material is low-cost
glass, which is isolated by a metal layer from the Si layer. The back metal (at the Si-glass
interface) has multiple functions – it serves as an optically reflecting back-electrode, a
gettering medium, and an interface layer to relieve the stress resulting from thermal
mismatch between the glass and Si.
Many cell designs use textured interface(s) and a reflecting back-electrode that is
directly located on the thin cell. A disadvantage of the reflecting metallic or conducting
oxide back-electrode is that it can lead to significant losses due to optical absorption.
However, this loss decreases with an increase in the film thickness. The mechanism of
metallic loss is discussed in detail later in Section 8.3.
Light
Glass substrate
Aluminum (back-contact reflector)
p
-type silicon (10 
µ
m)
n
-type silicon (0.2 
µ
m)
Antireflection coating