本文介绍了一种制备高性能GaP/Si异质结太阳能电池的方案，该电池具有较高的Si少子寿命。
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本文内容
摘要
摘要
为了使硅基太阳能电池的效率超越其肖克利-奎伊瑟极限，最佳途径是将其与III-V族化合物太阳能电池集成。在本研究中，我们展示了高性能的GaP/Si异质结太阳能电池，其实现得益于高少数载流子寿命的硅材料以及高质量外延GaP层的晶体质量。研究表明，在分子束外延（MBE）过程中，通过在硅衬底中引入磷（P）扩散层并使用SiNx 层，可有效保持硅中少数载流子的寿命。通过调控生长条件，可在富磷的硅表面生长出高质量的GaP晶体。薄膜质量通过原子力显微镜和高分辨率X射线衍射进行表征。此外，采用MoOx作为空穴选择性接触层，显著提高了短路电流密度。所实现的GaP/Si异质结太阳能电池的高性能，为进一步提升硅基光伏器件的性能提供了可行路径。
引言
为了提高太阳能电池的整体效率，人们一直在持续努力实现晶格失配的不同材料之间的集成1,2。III-V族材料与硅（Si）的集成有望进一步提升现有硅基太阳能电池的效率，并在多结太阳能电池应用中以硅衬底替代昂贵的III-V族衬底（如GaAs和Ge）。在所有III-V族二元材料体系中，磷化镓（GaP）是实现这一目标的理想候选材料之一，因其与硅的晶格失配最小（约0.4%），且具有较高的间接带隙。这些特性有助于实现GaP与硅衬底之间的高质量集成。理论研究表明，GaP/Si异质结太阳能电池可借助GaP与Si之间独特的能带偏移（∆Ev ~1.05 eV，∆Ec ~0.09 eV），提升传统钝化发射极背接触硅太阳能电池的效率3,4。这使得GaP成为硅太阳能电池中一种极具前景的电子选择性接触材料。然而，要实现高性能的GaP/Si异质结太阳能电池，需要具备高的硅体寿命以及高质量的GaP/Si界面。
在硅衬底上通过分子束外延（MBE）和金属有机气相外延（MOVPE）生长III-V族材料的过程中，已广泛观察到硅材料少子寿命显著下降的现象5,
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方案
警告：操作化学品前，请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。进行太阳能电池制备时，请遵循所有适当的安全操作规程，包括使用通风橱和个人防护装备（安全眼镜、手套、实验服、长裤、封闭式鞋履）。
1. 硅片清洗
- 在 Piranha 溶液（H2O2/2SO4在 110 °C 下。
- 配制 Piranha 溶液时，将15.14 L的H2SO4 (96%)，然后加入1.8 L的H2O2 (30%).
- 等待溶液温度稳定在 110 °C。
- 将4英寸直径、区熔（FZ）、n型、双面抛光的Si晶圆放入洁净的4英寸晶圆盒（聚丙烯材质，以下简称晶圆盒）中，并将晶圆盒置于Piranha溶液中清洗10分钟。
- 用去离子水冲洗10分钟。
- 在74 °C下使用RCA清洗液清洗硅片。
- 配制稀释的 HCl 溶液：2O2. 向酸浴中加入 13.2 L 去离子水2O 和 2.2 L HCl。向溶液中加入 2.2 L H2O2 并打开加热器。 <....
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结果
对GaP/Si结构进行了原子力显微镜（AFM）成像和高分辨率X射线衍射（XRD）扫描，包括在(004)衍射峰附近的摇摆曲线以及在(224)衍射峰附近的倒易空间图（RSM）（图1）。利用AFM表征分子束外延（MBE）生长的GaP表面形貌，利用XRD分析GaP层的晶体质量。测量了GaP/Si结构和Si体材料的有效少子寿命，以评估本研究中所采用的寿命保持方法的有效性。收集了GaP/Si最终器件的外量子效率（EQE）、表面反射率、伪光照J-V（Suns-Voc）以及光照J-V特性（图2）。内量子效率（IQE）由经反射率校正后的EQE数据计算得到。光照和伪光照J-V参数列于表1中。结构A和结构B分别实现了13.1%和14.1%的效率，对应的开路电压（Voc）分别为618 mV和598 mV。结构B中采用MoOx层作为空穴选择性接触，其性能优于结构A中使用的a-Si:H层。
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讨论
通过分子束外延（MBE）在富P的Si表面外延生长了一层标称厚度为25 nm的GaP层。为了在Si衬底上生长出更高品质的GaP层，宜采用相对较低的V/III（P/Ga）比。高质量的GaP晶体对于实现高导电性以及低密度的复合中心至关重要。原子力显微镜（AFM）测得的GaP表面均方根（RMS）粗糙度约为0.52 nm，表明表面平整且无凹坑，说明晶体质量高，穿通位错密度低（图1a）。此外，从ω-2θ摇摆曲线中观察到 Pendellosung 干涉条纹（图1b），表明界面平滑。通过三晶ω摇摆曲线测得的GaP峰半高宽（FWHM）约为14弧秒，计算得到的穿通位错密度约为~2×106 cm-2。GaP/Si样品在（224）衍射点附近的倒易空间图（RSM）（图1c）显示GaP与Si的衍射峰相干，表明GaP完全应变地生长在Si衬底上，且具有良好的晶体质量。
实现高性能硅基太阳能电池.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢L. Ding和M. Boccard在本研究中对太阳能电池的加工与测试所做出的贡献。作者感谢美国能源部（合同编号DE-EE0006335）以及国家科学基金会工程研究中心项目和能源部能源效率与可再生能源办公室（NSF合作协定编号EEC-1041895）提供的资助。 太阳能电力实验室的Som Dahal部分得到了国家科学基金会合同ECCS-1542160的支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 过氧化氢，30% | Honeywell | 10181019 | |
| 硫酸，96% | KMG electronic chemicals, Inc. | 64103 | |
| 盐酸，37% | KMG electronic chemicals, Inc. | 64009 | |
| 缓冲氧化物刻蚀液 10:1 | KMG electronic chemicals, Inc. | 62060 | |
| 氢氟酸，49% | Honeywell | 10181736 | |
| 乙酸 | Honeywell | 10180830 | |
| 硝酸，69.5% | KMG electronic chemicals, Inc. | 200288 |
参考文献
- 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).
- Vadiee, E., et al. AlGaSb-Based Solar Cells Grown on GaAs: Structural investigation and device performance. IEEE Journal of Photovoltaics. , (2017).
- Wagner, H., et al. A numerical simul....
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重印与许可
