Method Article

تطوير الخلايا الشمسية هيتيروجونكشن الفجوة/سي عالية الأداء

DOI:

10.3791/58292

⸱

November 16th, 2018

 ,  ,  ,  , 
1School of Electrical, Computer, and Energy Engineering, Arizona State University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقدم هنا، بروتوكول لتطوير الخلايا الشمسية هيتيروجونكتيون الفجوة/سي عالية الأداء مع عمر أقلية-ناقل Si عالية.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لتحسين كفاءة الخلايا الشمسية على أساس سي تتجاوز حد شوكلي-قيصر، الطريق الأمثل دمجها مع الخلايا الشمسية الثالث-الخامس-تعتمد. في هذا العمل، نحن نقدم عالية الأداء الفجوة/Si هيتيروجونكشن الخلايا الشمسية مع عمر الأقلية-الناقل Si عالية والكريستال عالية الجودة الفوقي الفجوة طبقات. ويتضح أنه بتطبيق الفوسفور (P)-طبقات نشرها إلى الركيزة Si وطبقةالعاشر خطيئة، عمر الناقل الأقلية الاشتراكية يمكن أن تكون عليها بشكل جيد أثناء نمو الفجوة في تنضيد الحزمة الجزيئية (MBE). عن طريق التحكم في ظروف النمو، يزرع جودة عالية كريستال الفجوة على سطح سي ف الغنية. جودة الفيلم يتسم مجهر القوة الذرية وحيود الأشعة السينية ذات الدقة العالية. وباﻹضافة إلى ذلك، موx نفذ كجهة اتصال ثقب انتقائي التي أدت إلى زيادة كبيرة في الدائرة القصيرة الكثافة الحالية. أداء الجهاز عالية يتحقق من الخلايا الشمسية هيتيروجونكشن الفجوة/سي يحدد مساراً لزيادة تعزيز أداء الأجهزة الضوئية المستندة إلى الاشتراكية.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

كان هناك جهد مستمر على إدماج مواد مختلفة مع عدم التطابق شعرية من أجل تعزيز كفاءة الخلايا الشمسية الإجمالية1،2. التكامل الثالث-الخامس/سي لديها إمكانات لزيادة كفاءة الخلايا الشمسية Si الحالية واستبدالها ركائز ثالثا-V غالية (مثل GaAs وجنرال الكتريك) ركيزة Si لتطبيقات الخلايا الشمسية مولتيجونكشن. بين جميع الثالث إلى الخامس ثنائي نظم المواد، فوسفيد الغاليوم (الفجوة) مرشح جيد لهذا الغرض، كما أنها أصغر شعرية-عدم التطابق (~ 0.4 في المائة) مع الاشتراكية الدولية وباندجاب غير مباشرة عالية. يمكن تمكين هذه الميزات التكامل عالية الجودة من الفجوة مع الركازة Si. فقد ثبت من الناحية النظرية أن الفجوة/Si هيتيروجونكتيون الخلايا الشمسية يمكن أن تعزز كفاءة الخلايا الشمسية Si الخلفية التقليدية باعث تخميلها3،4 بالاستفادة من الفرقة فريدة من نوعها-الإزاحة بين الفجوة والاشتراكية (∆Eالخامس دا ~1.05 و ∆Eج ~0.09 ف). وهذا يجعل الفجوة اتصال إلكترون انتقائية واعدة للخلايا الشمسية السيليكون. ومع ذلك، من أجل تحقيق الأداء العالي الفجوة/Si هيتيروجونكتيون الخلايا الشمسية، عمر الأكبر سي عالية وعالية الجودة واجهة الفجوة/سي مطلوبة.

خلال نمو المواد الثالث إلى الخامس على الركازة Si تنضيد الحزمة الجزيئية (MBE) وتنضيد مرحلة البخار ميتالورجانيك (موفبي)، كبيرة سي عمر قد تم على نطاق واسع ملاحظة انخفاض5،،من67، 8 , 9-واتضح أن تدهور الحياة يحدث أساسا أثناء المعالجة الحرارية لرقائق Si في المفاعلات، ومطلوبة من أجل التعمير أكسيد سطح الامتزاز و/أو السطح قبل النمو الفوقي10. كان يعزى هذا التدهور للخارجية نشر الملوثات التي نشأت من5،7مفاعلات النمو. واقترحت عدة نهج لقمع هذا تدهور الحياة الاشتراكية. في أعمالنا السابقة، لقد أظهرنا طريقتين يمكن التي قمعت سي عمر تدهور إلى حد كبير. وقد تجلى الطريقة الأولى الأخذ بالخطيئةx ك حاجز نشر7 والثانية بإدخال طبقة فنشر ك عامل جيتيرينج11 إلى الركيزة Si.

في هذا العمل، وقد أثبتنا الخلايا الشمسية الفجوة/سي عالية الأداء استناداً إلى النهج المذكورة أعلاه التخفيف من حدة تدهور الحياة جل السليكون. التقنيات المستخدمة للحفاظ على عمر سي يمكن أن يكون تطبيقات واسعة النطاق في مولتيجونكشن الخلايا الشمسية مع Si أسفل الخلايا النشطة والأجهزة الإلكترونية مثل CMOS قدرة عالية على الحركة. وترد تفاصيل تصنيع الفجوة/Si هيتيروجونكتيون الخلايا الشمسية، بما في ذلك التنظيف ويفر سي، فنشر في الفرن، والفجوة في النمو، والخلايا الشمسية الفجوة/Si التجهيز، في هذا البروتوكول مفصلاً،.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تنبيه: يرجى استشارة جميع صحائف بيانات السلامة المادية ذات الصلة (MSDS) قبل التعامل مع المواد الكيميائية. الرجاء استخدام جميع ممارسات السلامة المناسبة عند القيام تصنيع خلايا الشمسية بما في ذلك غطاء الدخان ومعدات الحماية الشخصية (سلامة النظارات، قفازات، معطف مختبر، وكامل طول السراويل، أحذية أغلقت تو).

1. سي ويفر التنظيف

  1. تنظيف رقائق Si في حل البيرانا (ح2س2/H2هكذا4) عند 110 درجة مئوية.
    1. لإنتاج حل البيرانا، ملء حمام حمض (خزان البولي إثيلين عالي الكثافة والآخرة) مع 15.14 ل ح2حتى4 (96 في المائة)، ومن ثم ل 1.8 ح2س2 (30%).
    2. الانتظار لدرجة حرارة الحل ليستقر عند 110 درجة مئوية.
    3. وضع 4-بوصة-قطر، منطقة تعويم (FZ)، ن نوع، والجانب مزدوج-مصقول ويفر سي في تنظيف 4 "يفر كاسيت (بولي بروبلين والآخرة)، ثم ضع القارب في حمام البيرانا لمدة 10 دقائق.
    4. شطف لمدة 10 دقائق مع المياه (دي).
  2. تنظيف رقائق Si مع RCA تنظيف الحل في 74 درجة مئوية.
    1. تعد حلاً مخفف من HCl:H2س2. ملء حمام حمض مع 13.2 ل دي ح2س و 2.2 لتر من HCl. سبايك الحل مع 2.2 ل ح2س2 وقم بتشغيل السخان.
    2. انتظر حتى درجة حرارة الحل ليستقر عند 74 درجة مئوية قبل الاستخدام.
    3. وضع الرقائق Si في كاسيت ويفر نظيفة 4 "ووضع الرقائق في الحل RCA لمدة 10 دقائق.
    4. شطف مع الماء دي لمدة 10 دقائق.
  3. تنظيف رقائق Si في حل مخزنة أكسيد أحفر (BOE).
    1. صب ل 15.14 حل بنك إنجلترا في حمام الحامض.
    2. ضع الكاسيت ويفر 4 "في الحمام لمدة 3 دقائق.
    3. شطف لمدة 10 دقائق مع المياه دي.
    4. الجافة الرقاقة الجافة ن2.

2-P-نشر في الفرن نشرها

  1. وضع رقاقة تنظيفها في قارب مرو نشرها.
  2. تحميله في أنبوب كوارتز يحتوي على درجة حرارة أساسية 800 درجة مئوية. منحنى درجة الحرارة الفرن إلى 820 درجة مئوية في البيئة2 ن. في 820 درجة مئوية، يبدأ تدفق الغاز الناقل2 ن أن فقاعات من خلال أوكسيتشلوريدي الفوسفور (بوكل3) في 1000 sccm. وبعد 15 دقيقة، إيقاف الغاز الناقل2 ن ومنحدر درجة الحرارة وصولاً إلى 800 درجة مئوية قبل أخذ العينات.
  3. وضع العينات في حل بنك إنجلترا لمدة 10 دقيقة إزالة الفوسفور سيليكات الزجاج (باريس سان جيرمان)، ثم تنفيذ شطف 10-دقيقة من المياه دي.

3-الخطيئةx الطلاء قبل بيكفد

  1. يفر في قارب نظيفة وتراجع ذلك في حمام بنك إنجلترا لمدة 1 دقيقة لإزالة أكسيد الأصلي على السطح.
  2. شطف لمدة 10 دقائق مع المياه دي.
  3. الجاف ليفر بمسدس2 ن جافة.
  4. مكان يفر سي على حاملة Si نظيفة (مم 156 البللورات Si).
  5. تحميل العينة في قاعة ترسب (بيكفد) بخار الكيميائية المعززة البلازما.
  6. إيداع 150 نانومتر سميكة (38.5 s) الخطيئةx في 350 درجة مئوية في الدائرة. إيداع الخطيئةx في الطاقة "الترددات اللاسلكية ث" 300 مع ضغط قاعدة من 3.5 ميلليمتر زئبق و sccm 60 سيح4 كمصدر سليكون و sccm 60 NH3 كمصدر ن (sccm 2000 N2 كمخفف).
    1. تأكيد معدل النمو من الخطيئةx (3.9 نيوتن متر/ثانية) بإيداع الخطيئةx أفلام مع أوقات مختلفة ترسب على رقائق مصقول وقياس سمك من زاوية المتغير ellipsometry الطيفية (زهرية).

4-الفجوة في النمو قبل MBE

  1. بعد ترسبx الخطيئة، تحميل يفر إلى قاعة MBE.
  2. Outgas في الدائرة التمهيدية (180 درجة مئوية، ح 3)، ثم outgas في قاعة المخزن المؤقت (240 درجة مئوية ح 2). تحميل في دائرة النمو والخبز على 850 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.
  3. انخفاض درجة الحرارة إلى 580 درجة مئوية. زيادة Ga انصباب درجة حرارة الخلية لإنتاج ~2.71×10-7 ميلليمتر زئبق شعاع-ما يعادل الضغط (BEP) والرابطة انصباب خلية درجة الحرارة إلى 1250 درجة مئوية.
  4. ضبط ميضعه التكسير المزودة بصمامات فلتحقيق ~1.16×10-6 "بب ميلليمتر زئبق". فتح مصاريع Ga، ف، والاشتراكية، وتنمو 25 نانومتر-ثخين مع أسلوب توقف نمو (10 دورات من 5 s s مفتوحة و 5 مغلقة) تليها 121 ق النمو أونشوتيريد (أي فتح Ga و p مصاريع في وقت واحد).
  5. انخفاض درجة حرارة الركازة إلى 200 درجة مئوية وتفريغ العينة من فراغ الغرفة.

5-إزالة الطبقاتx n + والخطيئة مرة أخرى بالنقش الرطب

  1. وتغطي سطح الفجوة مع شريط واقية لحمايتها من الأضرار ذات التردد العالي.
  2. إعداد ~ 300 مل من محلول HF 49% في كوب بلاستيك.
  3. ضع العينة في الحل التردد لمدة 5 دقائق لإزالة طبقةالعاشر الخطيئة تماما.
  4. إزالة شريط الحماية والشطف بماء دي جاف ن2.
  5. وتغطي سطح الفجوة مع شريط حمائية جديدة.
  6. إعداد حل حنا في كوب بلاستيك (خليط حمض الهيدروفلوريك (HF) (50 مل)، وحمض النيتريك (HNO3) (365 مل)، وأحماض الخليك (CH3COOH) (85 مل)) في درجة حرارة الغرفة.
    تنبيه: ضع بعناية يفر في الحل لتجنب اختراق حنا إلى السطح الفجوة.
  7. وضع العينة في الحل حنا لمدة 3 دقائق.
  8. إزالة شريط الحماية والشطف بماء دي. الجافة من N2-

6-حفرة انتقائية تشكيل جهات الاتصال على الجانب Si العارية

  1. تنشق يفر بقلم الماس إلى أربعة أرباع.
  2. دقة تنظيف العينات في خزان مياه دي.
  3. تنظيف العينات في بنك إنجلترا حمام لمدة 30 ثانية لإزالة أكسيد أصلية من على سطح الأرض.
  4. شطف في الرقائق في المياه دي والجاف ثم ن2.
  5. إيداع من 50 نانومتر سميكة سي: ح من بيكفد في أحد النماذج للتحقق من عمر الرابطة.
    1. إيداع سي: طبقة ح في 60 "ث الترددات اللاسلكية" السلطة بضغط عربة 3.2 و sccm 40 سيح4 كمصدر السليكون (sccm 200 من ح2 كمخفف).
    2. التأكد من أن معدل النمو في سي: ح (1.6 نيوتن متر/ثانية) بإيداع الأفلام في سي مع أوقات مختلفة ترسب على رقائق مصقول وقياس السمك مع زهرية.
  6. الإيداع (ط) سي (9 نانومتر) و (p +) سي (16 شمال البحر الأبيض المتوسط) على الجانب (الجبهة) محفوراً من عينة Si منفصلة قبل بيكفد.
    1. إيداع طبقة سي فالكتابه في 37 "ث الترددات اللاسلكية" السلطة بضغط عربة 3.2 و sccm 40 سيح4 كمصدر السليكون و sccm 18 ب [CH3]3 كما يستعمل البورون (sccm 197 ح2 كمخفف).
    2. تأكيد معدل النمو من نوع p في سي (2.0 نيوتن متر/ثانية) بإيداع الأفلام في سي مع أوقات مختلفة للنمو على رقائق مصقول وقياس السمك مع زهرية.
  7. إيداع طبقة سميكة نانومتر مو 9x في درجة حرارة الغرفة بالتبخر الحرارية من مصدر مو3 (99.99%) بمعدل ترسيب 0.5/s.

7. تكوين الاتصال الخارجية

  1. إيداع 75 نانومتر سميكة أكسيد القصدير إنديوم (إيتو) (2س3/SnO2 = 95/5 (الوزن في المائة)، 99.99 ٪) طبقات الجانب فجوة من العينات بالترددات اللاسلكية اﻷخرق (طاقة RF 1 كيلوواط والضغط من 5 ميلليمتر زئبق) مع معدل تدفق الأوكسجين 2.2 sccm.
  2. تحميل العينات وتسليمهم. ثم استخدم قناع الظل ميسا على العينات لترسب ميسا إيتو.
  3. إيداع 75 نانومتر سميكة إيتو بالترددات اللاسلكية اﻷخرق. إيداع 200 نانومتر سميكة فضية (طاقة RF 1 كيلوواط وضغط 8 ميلليمتر زئبق) للأصابع يغطي قناع الظل الإصبع. إيداع 200 نانومتر سميكة فضية الجانب الفجوة للعينات كجهة الاتصال مرة أخرى.
  4. يصلب العينات في فرن تحت الضغط الجوي عند 220 درجة مئوية.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

صور مجهرية (فؤاد) القوة الذرية ومسح حيود الأشعة السينية ذات الدقة العالية (زرد)، بما في ذلك المنحنى هزاز محيط الانعكاس (004) وخريطة المساحة المعاملة بالمثل (RSM) محيط انعكاس (224)، وجمعت للفجوة/سي هيكل (الشكل 1). فؤاد كان يستخدم لتمييز مورفولوجية سطح الفجوة ازدادت MBE واستخدمت زرد لفحص جودة الكريستال طبقة الفجوة. تم قياس عمر الناقل الأقلية فعالة على الهيكل الفجوة/سي سي جل دراسة فعالية عمر الحفاظ على الأساليب المستخدمة في هذا العمل. الكفاءة الخارجية الكم (آق)،...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ابيتاكسيالي كان نمت القيمة اسمية 25 نانومتر سميكة طبقة فجوة على سطح سي ف غنية عن طريق MBE. لتنمو بنوعية أفضل من طبقة الفجوة على ركائز Si، ثالثا الخامس منخفضة نسبيا نسبة (P/Ga) الأفضل. جودة كريستال جيدة من طبقة الفجوة ضروري لتحقيق موصلية عالية ومنخفضة الكثافة من مراكز جزئ. فؤاد الجذر-يعني-المربع (RMS) على سطح الفجوة من شمال البحر الأبيض المتوسط ~0.52 عرض سطح أملس مع لا حفر، يدل على الكريستال عالية الجودة مع انخفاض كثافة تفكك خيوط (الشكل 1a). علاوة على ذلك، لوحظت هامش بينديلوسونج من ω 2θ هزاز ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الكتاب يود أن يشكر دينغ لام وم. بوككارد لمساهماتها في تجهيز واختبار الخلايا الشمسية في هذه الدراسة. الكتاب الاعتراف بتمويل من "وزارة الطاقة الأميركية" تحت العقد دي-EE0006335، وبرنامج مركز البحوث الهندسية من المؤسسة الوطنية للعلوم، ومكتب لكفاءة الطاقة والطاقة المتجددة لوزارة الطاقة تحت رقم اتفاق تعاوني جبهة الخلاص الوطني الجماعة الاقتصادية الأوروبية-1041895. داهال سوم في "معمل الطاقة الشمسية" وأيد، في جزء منه، عقد جبهة الخلاص الوطني ECCS-1542160.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
بيروكسيد الهيدروجين ، 30٪هانيويل10181019
حامض الكبريتيك ، 96٪كيماويات KMG الإلكترونية ، Inc.64103
حمض الهيدروكلوريك ، 37٪كيماويات KMG الإلكترونية ، Inc.64009
أكسيد مخزن 10: 1KMG للكيماويات الإلكترونية، Inc.62060
حمض الهيدروفلوريك ، 49٪هانيويل10181736
حمض الخليكهانيويل10180830
حمض النيتريد ، 69.5٪كيماويات إلكترونية KMG ، Inc.200288
حفر

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Friedman, D. J. Progress and challenges for next-generation high-efficiency multijunction solar cells. Current Opinion in Solid State & Materials Science. 14, 131-138 (2010).
  2. Vadiee, E., et al. AlGaSb-Based Solar Cells Grown on GaAs: Structural investigation and device performance. IEEE Journal of Photovoltaics. , (2017).
  3. Wagner, H., et al. A numerical simulation study of gallium-phosphide/silicon heterojunction passivated emitter and rear solar cells. Journal of Applied Physics. 115, 044508(2014).
  4. Limpert, S., et al. Results from coupled optical and electrical sentaurus TCAD models of a gallium phosphide on silicon electron carrier selective contact solar cell. 2014 IEEE 40th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC). , 836-840 (2014).
  5. Ding, L., et al. On the source of silicon minority-carrier lifetime degradation during molecular beam heteroepitaxial growth of III-V materials. 2016 IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). , IEEE. 2048-2051 (2016).
  6. Ding, L., et al. Silicon minority-carrier lifetime degradation during molecular beam heteroepitaxial III-V material growth. Energy Procedia. 92, 617-623 (2016).
  7. Zhang, C., Kim, Y., Faleev, N. N., Honsberg, C. B. Improvement of GaP crystal quality and silicon bulk lifetime in GaP/Si heteroepitaxy. Journal of Crystal Growth. 475, 83-87 (2017).
  8. García-Tabarés, E., et al. Evolution of silicon bulk lifetime during III-V-on-Si multijunction solar cell epitaxial growth. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 24, 634-644 (2016).
  9. Varache, R., et al. Evolution of bulk c-Si properties during the processing of GaP/c-Si heterojunction cell. Energy Procedia. 77, 493-499 (2015).
  10. Ishizaka, A., Shiraki, Y. Low temperature surface cleaning of silicon and its application to silicon MBE. Journal of The Electrochemical Society. 133, 666(1986).
  11. Zhang, C., Vadiee, E., King, R. R., Honsberg, C. B. Carrier-selective contact GaP/Si solar cells grown by molecular beam epitaxy. Journal of Materials Research. 33, 414-423 (2018).
  12. Battaglia, C., et al. Hole Selective MoOx Contact for Silicon Solar Cells. Nano Letters. 14, 967-971 (2014).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

GaP Si HeterojunctionSilicon Bulk LifetimeMolecular Beam EpitaxyPhosphorus DiffusionSilicon Nitride DepositionMolybdenum Oxide ContactAtomic Force MicroscopyHigh Resolution X ray DiffractionIndium Tin Oxide DepositionSilver Back Contact

Related Articles