Modeling and characterization of materials and nanostructures for photovoltaic applications.

Abstract

Research in photovoltaics aims at lowering the price per watt of generated electrical power. Substantial efforts aim at searching for new materials and designs which can push the limits of existing solar cells. The recent development of complex materials and nanostructures for solar cells requires more effort to be put into their characterization and modeling. This thesis focuses on optical characterization, modeling, and design optimization of advanced solar cell architectures.

Optical measurements are used for fast and non-destructive characterization of textured samples for photovoltaic applications. Surface textures enhance light-trapping and are thus desired to improve the solar cell performance. On the other hand, these textures make optical characterization more challenging and more effort is required for both, the optical measurement itself and subsequent modeling and interpretation of obtained data. In this work, we demonstrate that we are able to use optical methods to study the widely used pyramidal textures as well as very challenging randomly oriented silicon nanowire arrays.

At first, we focused on the optical study of various pyramidal surfaces and their impact on the silicon heterojunction solar cell performance. We have found that vertex angles of pyramids prepared using various texturing conditions vary from the theoretical value of 70.52◦ expected from crystalline silicon. This change of the vertex angle is explained by regular monoatomic terraces, which are present on pyramid facets and are observed by atomic resolution transmission electron microscopy. The impact of a vertex angle variation on the thicknesses of deposited thin films is studied and the consequences for resulting solar cell efficiency are discussed. A developed optical model for calculation of the reflectance and absorptance of thin film multi-layers on pyramidal surfaces enabled a solar cell design optimization, with respect to a given pyramid vertex angle.

In-situ Mueller matrix ellipsometry has been applied for monitoring the silicon nanowire growth process by plasma-enhanced vapor-liquid-solid method. We have developed an easy-to-use optical model, which is to our knowledge a first model fitting the experimental ellipsometric data for process control of plasma-assisted vapor-liquid-solid grown nanowires. The observed linear dependence of the silicon material deposition on the deposition time enables us to trace the fabrication process in-situ and to control material quality.

Cílem výzkumu v oblasti fotovoltaiky je snížit cenu za watt vyrobené elektrické energie. Značné úsilí se věnuje hledání nových materiálů a struktur, které umožní posunout hranice stávajících solárních článků. Neustálý pokrok ve vývoji materiálů a nanostruktur pro solární články zvyšuje nároky také na jejich charakterizaci a modelování. Tato práce se zaměřuje na optickou charakterizaci, modelování a optimalizaci návrhů pokročilých struktur solárních článků.

Optické metody jsou vhodné k rychlé a nedestruktivní charakterizaci texturovaných vzorků pro fotovoltaické aplikace. Povrchové textury, které umožňují lepší zachycení světla a jsou proto žádoucí pro zlepšení účinnosti solárních článků, bohužel znesnadňují optickou charakterizaci. Je tedy zapotřebí většího úsilí jak pro realizaci samotných optických měření, tak pro následné modelování a interpretaci získaných dat. V této práci demonstrujeme, že jsme schopni použít optické metody ke studiu široce používaných pyramidálních textur, tak i méně obvyklých, na charakterizaci náročných, náhodně orientovaných křemíkových nanodrátků.

Nejprve jsme se zaměřili na optické studium různých pyramidálních povrchových textur a jejich vlivu na účinnost solárních článků s křemíkovým heteropřechodem. Zjistili jsme, že vrcholové úhly pyramid připravených různými texturovacími procesy se liší od teoretické hodnoty 70.52◦ vycházející z krystalografie křemíku. Tuto změnu vrcholového úhlu vysvětlujeme přítomností pravidelných monoatomických teras na stěnách pyramid, které jsme pozorovali pomocí transmisní elektronové mikroskopie s atomovou rozlišovací schopností. Provedli jsme studii vlivu změny vrcholového úhlu na tloušťky nanesených tenkých vrstev a diskutovali jsme možné důsledky pro výslednou účinnost solárních článků. Vyvinuli jsme optický model pro výpočet odrazivosti a absorpce tenkovrstevných systémů na pyramidách, jenž nám umožnil optimalizaci vrstev na povrchu solárních článků s ohledem na vrcholový úhel daných pyramid.

In-situ elipsometrie Muellerovy matice byla použita pro sledování růstu křemíkových nanodrátků metodou plasma-assisted vapor-liquid-solid. Vyvinuli jsme snadno použitelný optický model, který je, pokud víme, prvním modelem pro analýzu ellipsometrických dat měřených přímo v reaktoru během růstu náhodně orientovaných křemíkových nanodrátků. Pozorovaná lineární závislost depozice křemíku na čase nám umožňuje in-situ monitorování výrobního procesu a kontrolu kvality materiálu.