Recently, several parameters relevant for modeling crystalline silicon solar cells were improved or revised, e.g., the international standard solar spectrum or properties of silicon such as the intrinsic recombination rate and the intrinsic carrier concentration. In this study, we analyzed the influence of these improved state-of-the-art parameters on the limiting efficiency for crystalline silicon solar cells under 1-sun illumination at 25°C, by following the narrow-base approximation to model ideal solar cells. We also considered bandgap narrowing, which was not addressed so far with respect to efficiency limitation. The new calculations that are presented in this study result in a maximum theoretical efficiency of 29.43% for a 110-μm-thick solar cell made of undoped silicon. A systematic calculation of the I-V parameters as a function of the doping concentration and the cell thickness together with an analysis of the loss current at maximum power point provides further insight into the intrinsic limitations of silicon solar cells.

In this work passivated rear contacts are used to replace point contact passivation schemes for high-efficiency n-type crystalline silicon solar cells. Our structure is based on an ultra-thin tunnel oxide (SiO2) and a phosphorus-doped silicon layer, which significantly reduce the surface recombination at the metal–semiconductor interface. The passivation and transport mechanisms of this passivated contact will be addressed within this paper. Particular consideration will be given to the tunnel oxide's impact on interface passivation and on the I–V characteristics of n-type Si solar cells featuring a boron-diffused emitter. It will be shown that the tunnel oxide is a vital part of this passivated contact and that it is required to achieve excellent interface passivation for both open-circuit and maximum power point (MPP) conditions (implied open-circuit voltage iVoc>710 mV and implied fill factor iFF>84%). It will also become clear that the transport barrier arising from the tunnel oxide does not constrict the majority carrier flow. Thus, a low series resistance is obtained, which in conjunction with the high iFF enables FFs well above 82%. Investigations on cell levels lead to an independently confirmed conversion efficiency of 23.0% for n-type cells with a boron-diffused emitter and the herein developed passivated rear contact, in which the efficiency is not limited by the electrical properties of our passivated contacts.

In this work, the efficiency of n-type silicon solar cells with a front side boron-doped emitter and a full-area tunnel oxide passivating electron contact was studied experimentally as a function of wafer thickness W and resistivity ρb. Conversion efficiencies in the range of 25.0% have been obtained for all variations studied in this work, which cover 150 µm to 400 µm thick wafers and resistivities from 1 Ω cm to 10 Ω cm. We present a detailed cell analysis based on three-dimensional full-area device simulations using the solar cell simulation tool Quokka. We show that the experimental variation of the wafer thickness and resistivity at device level in combination with a detailed simulation study allows the identification of recombination induced loss mechanisms. This is possible because different recombination mechanisms can have a very specific influence on the I-V parameters as a function of W and ρb. In fact, we identified Shockley-Read-Hall recombination in the c-Si bulk as the source of a significant FF reduction in case of high resistivity Si. This shows that cells made of high resistivity Si are very sensitive to even a weak lifetime limitation in the c-Si bulk. Applying low resistivity 1 Ω cm n-type Si in combination with optimized fabrication processes, we achieved confirmed efficiency values of 25.7%, with a VOC of 725 mV, a FF of 83.3% and a JSC of 42.5 mA/cm2. This represents the highest efficiency reported for both-sides contacted c-Si solar cells. Thus, the results presented in this work demonstrate not only the potential of the cell structure, but also that a variation of the wafer thickness and resistivity at device level can provide deep insights into the cell performance.

Recently, n-type Si solar cells featuring a passivated rear contact, called TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) were reported. The high conversion efficiency of 24.4% and very high FF>82% demonstrates that the efficiency potential of this full-area passivated rear contact is as good as or even better than that of partial rear contact (PRC) schemes like PERL (passivated emitter and rear locally diffused) and in addition avoids complex structuring steps and features a 1D carrier transport. Likewise, a boron-doped passivated rear contact for p-type solar cells (p-TOPCon) is proposed as an alternative to p-PRC cells. The optimum device design of PRC cells has to account for two opposing effects: a low-loss 3D carrier transport requires a high base doping but Shockley–Read–Hall (SRH) recombination within the base due to the formation of boron–oxygen complexes in standard Cz silicon calls for a low base doping level. This conflict might be overcome by p-TOPCon because its performance is less sensitive to base doping. This will be discussed on the base of experimental results. It is shown that its high implied fill factor (iFF) of 84% combined with the 1D carrier transport in the base translates into a higher FF potential. First investigations on planar solar cells prove the good performance of the p-TOPCon with respect to passivation and carrier transport. A Voc of 694 mV and a FF of 81% underline the efficiency potential of this rear contact.

Upconversion (UC) of subband-gap photons is a promising possibility to enhance solar cell efficiency by making also the subband-gap photons useful. For this application, we investigate the material system of trivalent erbium doped sodium yttrium fluoride (NaYF4:20%Er3+), which shows efficient UC suitable for silicon solar cells. We determine the optical UC efficiency by calibrated photoluminescence measurements. Because these data are free from any influence of losses associated with the application of the upconverter to the solar cell, the obtained values constitute the upper limit that can be achieved with an optimized device. Subsequently, we compare the results of the optical measurements with the results obtained by using solar cells as detectors on which the upconverter material is applied. We find an optical UC quantum efficiency of 5.1% at a monochromatic irradiance of 1880 W m−2 (0.27 cm2 W−1) at 1523 nm. The device of silicon solar cell and applied upconverter showed an external quantum efficiency of 0.34% at an irradiance of 1090 W m−2 (0.03 cm2 W−1) at 1522 nm. The differences are explained by the optical losses occurring in the upconverter solar cell device, which are dominated by the transmission of the solar cell and the incomplete absorption of the upconverting layer, and the nonlinear behavior of the upconverter.