Entwicklung von Hochleistungs-Lücke/Si Heterojunction Solarzellen

Verbesserung der gesamten Solarzelle Wirkungsgrad^1,2gab es Bemühungen zur Integration von unterschiedlichen Materialien mit Gitter Fehlanpassungen. Die Integration von III-V/Si hat das Potenzial, weiter die aktuelle Si Solarzelle Effizienz und ersetzen die teuren III-V-Substraten (z. B. GaAs und Ge) mit einem Si-Substrat für Mehrfachsolarzellen Solarzelle Anwendungen. Unter allen III-V binäre Materialsysteme ist Gallium-Phosphid (GaP) ein guter Kandidat für diesen Zweck, da es die kleinste Gitterfehlanpassung (~ 0,4 %) mit Si und eine hohe indirekte Bandlücke hat. Diese Funktionen können qualitativ hochwertige Integration der Lücke mit Si-Substrat. Es hat theoretisch gezeigt, dass GaP/Si Heterojunction Solarzellen die Effizienz der konventionellen passivierte Emitter hinteren Si Solarzellen^3,4 steigern könnte, um in den Genuss des einzigartigen Band-Offset zwischen GaP und Si (∆E_v ~1.05 eV und ∆E_c ~0.09 eV). Dies macht Lücke einen vielversprechenden Elektron selektive Kontakt für Silizium-Solarzellen. Um Hochleistungs Lücke/Si Heterojunction Solarzellen zu erreichen, sind jedoch eine hohe Si Bulk Lebensdauer und hochwertige Lücke/Si-Schnittstelle erforderlich.

Während des Wachstums der III-V-Materialien auf einem Si-Substrat Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) und metallorganischen Vapor Phase Epitaxy (MOVPE) hat bedeutende Verminderung der Si-Lebensdauer weit^5,6,7, beobachtet ^{8 , 9}. es zeigte sich, dass die Lebensdauer Abbau geschieht hauptsächlich während der thermischen Behandlung von Si-Wafern in den Reaktoren was für Oberfläche Oxid Desorption und/oder Oberfläche Wiederaufbau vor der epitaktische Wachstum¹⁰erforderlich ist. Dieser Abbau wurde die extrinsische Diffusion von Verunreinigungen stammten aus den Wachstum Reaktoren^5,7zugeschrieben. Verschiedene Ansätze sind vorgeschlagen worden, um dieser Si-Lebensdauer-Abbau zu unterdrücken. In unserer bisherigen Arbeit haben wir zwei Methoden gezeigt, in denen der Si-Lebensdauer-Abbau deutlich unterdrückt werden kann. Die erste Methode zeigte sich durch die Einführung von SiN_x als eine Diffusion Barrier⁷ und die zweite durch die Einführung der P-Diffusionsschicht als ein Gettern Agent¹¹ an das Si-Substrat.

In dieser Arbeit haben wir bewiesen, Hochleistungs-Lücke/Si-Solarzellen auf der Grundlage der genannten Ansätze um Silizium Bulk Lebensdauer Abbau zu mildern. Die Techniken, die Si-Lebensdauer zu bewahren haben breite Anwendungen in Mehrfachsolarzellen Solarzellen mit aktiven Si unteren Zellen und elektronische Geräte wie hochmobile CMOS. In diesem ausführlichen Protokoll werden die Verarbeitungsdetails der Lücke/Si Heterojunction Solar Zellen, einschließlich Si Wafer Reinigung, P-Diffusion in den Ofen, Lücke Wachstum und Verarbeitung, Lücke/Si-Solarzellen vorgestellt.

Achtung: Bitte konsultieren Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor dem Umgang mit Chemikalien. Nutzen Sie alle entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen bei der Durchführung einer Solarzelle Herstellung einschließlich der Abzugshaube und persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Kittel, in voller Länge Hose, geschlossene Schuhe).

(1) Si-Wafer Reinigung

1. Si-Wafer in Piranha-Lösung reinigen (H₂O2/h₂SO₄) bei 110 ° C.
   1. Um Piranha Lösung zu erzeugen, füllen das Säurebad (High-Density-Polyethylen-Tank und jenseits) mit 15,14 L H₂SO₄ (96 %) und dann 1,8 L H₂O₂ (30 %).
   2. Warten Sie, bis die Temperatur der Lösung zur Stabilisierung auf 110 ° C.
   3. Platz 4-Zoll-Durchmesser, Float-Zone (FZ), n-Typ, und Doppel-Seite-poliert Si-Wafer in einer sauberen 4" Wafer Kassette (Polypropylen und jenseits), und legen Sie das Boot in der Piranha-Badewanne für 10 Minuten.
   4. Spülen für 10 min mit entionisiertem Wasser (DI).
2. Reinigen Sie Si-Wafer mit RCA Reinigungslösung bei 74 ° C.
   1. Vorbereiten einer verdünnten Lösung von HCl:H₂O₂. Füllen Sie das Säurebad mit 13,2 L DI H₂O und 2.2 L HCl. Spike die Lösung mit 2,2 L H₂O₂ und schalten Sie die Heizung.
   2. Warten Sie, bis die Temperatur der Lösung bei 74 ° C vor der Verwendung zu stabilisieren.
   3. Si-Wafer in einer sauberen 4" Wafer-Kassette und stellen Sie Wafer in der RCA-Lösung für 10 Minuten.
   4. Mit VE-Wasser für 10 min spülen.
3. Si-Wafer in gepuffert Oxide Etch (BOE) Lösung zu reinigen.
   1. Gießen Sie 15,14 L BOE Lösung im Säurebad.
   2. Platzieren Sie die 4" Wafer-Kassette im Bad für 3 min.
   3. 10 min mit VE-Wasser spülen.
   4. Trocknen Sie die Wafer durch trockene N₂.

2. P-Diffusion in die Diffusion Furnace

1. Legen Sie einen gereinigten Wafer in einer Diffusion Quarzboot.
2. Laden Sie es in einem Quarzrohr, die eine Grundtemperatur von 800 ° C. Rampe die Ofentemperatur auf 820 ° C in der N-₂ -Umgebung. Fließen Sie bei 820 ° C die N₂ Trägergas durch Phosphor Magnesiumoxychlorid (POCl₃) bei 1000 Sccm sprudelt. Schalten Sie nach 15 min das Trägergas N₂ und Rampe die Temperatur auf bis zu 800 ° C vor der Entnahme der Proben.
3. Legen Sie die Proben in einer BOE-Lösung für 10 min bis zum Phosphor-Silikat Glas (PSG) zu entfernen und führen Sie dann eine 10-min-Spülen in VE-Wasser.

(3) siN_X Beschichtung durch PECVD

1. Setzen Sie die Wafer in einem sauberen Boot und Tauchen sie in eine BOE-Bad für 1 min um die native Oxidschicht auf der Oberfläche zu entfernen.
2. 10 min mit VE-Wasser spülen.
3. Trocknen des Wafers mit einem trockenen N-₂ -Gewehr.
4. Ort der Si-Wafer auf einem sauberen Si-Träger (156 mm monokristallinen Si).
5. Laden Sie die Probe in der Plasmakammer verbesserte chemical Vapor Deposition (PECVD).
6. Kaution 150 nm dicken (38,5 s) SiN_X bei 350 ° C in der Kammer. SiN_X bei 300 W HF-Leistung mit einem Basisdruck von 3,5 mm Hg und 60 Sccm SiH₄ als Silizium Quelle und 60 Sccm NH₃ als N-Quelle zu hinterlegen (2000 Sccm N₂ diente als ein Verdünnungsmittel).
   1. Die Wachstumsrate von SiN_X (3,9 nm/s) durch die Hinterlegung von SiN_X Filme mit unterschiedlichen Ablagerung Mal auf polierte Wafer zu bestätigen und die dicken Variable Winkel spektroskopischen Ellipsometrie (VASE) messen.

(4) Lücke Wachstum von MBE

1. Laden Sie nach Sünde_X Absetzung die Wafer in der MBE-Kammer.
2. Ausgasen in der einleitenden Kammer (180 ° C für 3 h), dann Ausgasen in die Sperrkammer (240 ° C für 2 h). Laden der Wachstums-Kammer und bei 850 ° C für 10 min backen.
3. Verringerung der Temperatur bis 580 ° C. Erhöhung der Ga Erguss Zellentemperatur herstellen ~2.71×10^-7 Torr Strahl-Äquivalent Druck (BEP) und Si Erguss Zelltemperatur bis 1250 ° C.
4. Passen Sie den p-geschlossenen Cracker Stellungsregler um ~1.16×10^-6 Torr BEP zu erreichen. Öffnen Sie die Ga, P und Si Fensterläden und wachsen 25 nm-Abstand dick mit einer unterbrochenen Wachstum-Methode (10 Zyklen von 5 s offen und 5 s geschlossen) gefolgt von 121 s hauptsächlich Wachstum (d. h. zu öffnen, Ga und p Rollläden gleichzeitig).
5. Substrattemperatur auf 200 ° C verringern und die Probe aus der Vakuumkammer zu entladen.

5. Entfernen Sie zurück n + und Sünde_X Schichten von Nassätzen

1. Bedecken Sie die Lücke Oberfläche mit einer Schutzfolie gegen die HF-Schäden zu schützen.
2. ~ 300 mL 49 % HF-Lösung in einem Kunststoffbecher vorzubereiten.
3. Legen Sie die Probe in der HF-Lösung für 5 min um die Sünde_X Schicht vollständig zu entfernen.
4. Entfernen Sie die Schutzfolie mit VE-Wasser abspülen und Trocknen von N₂.
5. Bedecken Sie die Lücke Oberfläche mit einer neuen Schutzfolie.
6. HNA-Lösung in einem Kunststoffbecher vorbereiten (eine Mischung von Flusssäure (HF) (50 mL), Salpetersäure (Druckaufschluss₃) (365 mL) und Essigsäure Säuren (CH₃COOH) (85 mL)) bei Raumtemperatur.
   Achtung: Legen Sie vorsichtig die Wafer in die Lösung zur Vermeidung HNA in der Lücke Oberfläche eindringt.
7. Legen Sie die Probe in die HNA-Lösung für 3 min.
8. Entfernen Sie die Schutzfolie und Spülen von VE-Wasser. Trocken von N_2.

6. Loch-selektiven Kontakt Bildung auf der nackten Si-Seite

1. Spalten des Wafers mit einem Diamant-Stift in vier Viertel.
2. Die Proben in einem DI-Wassertank gründlich zu reinigen.
3. Reinigen Sie die Proben in einem BOE-Bad für 30 s, das native Oxid von der Oberfläche zu entfernen.
4. In der Wafer in VE-Wasser spülen und dann trocknen von N₂.
5. Hinterlegung einer 50 nm dicke a-Si: H durch PECVD auf eines der Beispiele, die Si-Lebensdauer zu überprüfen.
   1. Einzahlung der a-Si: H-Schicht an 60 W HF-Leistung mit einem Druck von 3,2 mm Hg und 40 Sccm SiH₄ als Silizium-Quelle (200 Sccm H₂ diente als ein Verdünnungsmittel).
   2. Bestätigen Sie die Wachstumsrate der a-Si: H (1,6 nm/s) durch Hinterlegung von a-Si-Filme mit unterschiedlichen Ablagerung Mal auf polierte Wafer und Messung der Dicke mit VASE.
6. Kaution (i) a-Si (9 nm) und (p +) a-Si (16 nm) auf der geätzten (Vorderseite) eine separate Si-Probe von PECVD.
   1. Die p-Typ-a-Si-Schicht zu hinterlegen, auf 37 W HF-Leistung mit einem Druck von 3,2 mm Hg und 40 Sccm SiH₄ als Silizium-Quelle und 18 Sccm B [CH₃]₃ als Bor Dotierstoff (197 Sccm H₂ diente als ein Verdünnungsmittel).
   2. Bestätigen Sie die Wachstumsrate der p-Typ a-Si (2,0 nm/s) durch Hinterlegung von a-Si-Filme mit verschiedenen Zeiten auf die polierte Wafer und Messung der dicken mit VASE.
7. Hinterlegen Sie eine 9 nm dicken MoO_X Schicht bei Raumtemperatur durch die thermische Verdampfung aus einer MoO₃ (99,99 %) mit einer Abscheiderate von 0,5 Å / s.

7. externe Kontakt Bildung

1. Kaution 75 nm dicke Indium Tin Oxide (ITO) (₂O₃/SnO₂ = 95/5 (Gewichtsprozent), 99,99 %) lagen auf der Seite der Lücke der Proben durch RF Sputtern (HF-Leistung von 1 kW und Druck von 5 mm Hg) mit einer Sauerstoff-Durchflussmenge von 2,2 Sccm.
2. Entladen Sie die Proben zu und drehen Sie sie um. Dann benutzen Sie die Mesa-Lochmaske auf die Proben für ITO Mesa Ablagerung.
3. 75 nm dicken ITO durch RF Sputtern zu hinterlegen. Kaution 200 nm dicken Silber (HF-Leistung von 1 kW und Druck von 8 Torr) für die Finger für Finger-Lochmaske. Kaution 200 nm dicken Silber auf der Seite der Lücke der Proben die Rückenkontakt.
4. Tempern der Proben in einem Ofen unter Atmosphärendruck bei 220 ° C.

Atomic Force Microscopy (AFM) Bilder und hochauflösende Röntgendiffraktometrie (XRD) Scans, einschließlich der rockenden Kurve in der Nähe (004) Reflexion und der reziproken Raum Karte (RSM) in der Nähe (224) Reflexion, wurden für die Lücke/Si gesammelt. Struktur (Abbildung 1). Die AFM wurde zur Morphologie die Oberfläche der MBE-grown Lücke zu charakterisieren und XRD wurde verwendet, um die Kristallqualität Lücke Ebene zu untersuchen. Die effektive Minderheit-Träger Lebensdauer der Lücke/Si-Struktur und Si Masse wurden gemessen, um die Wirksamkeit des Lebens bewahren in dieser Arbeit verwendete Methoden zu untersuchen. Externen Quantenausbeute (EEP), Reflexion, Pseudo-Licht J-V (Sonnen-Voc), Oberfläche und leichte J-V der Lücke/Si endgültige Geräte gesammelt wurden (Abbildung 2). Die interne Quantenausbeute (IQE) wurde generiert aus die Reflexion EEP Daten korrigiert. Die Licht- und Pseudo-J-V-Parameter sind in Tabelle 1aufgeführt. Wirkungsgrade von 13,1 % und 14,1 % mit einer Leerlaufspannung (VOc) von 618 mV und 598 mV aus Struktur A und B, bzw. erreicht werden. Die MoOX Ebene in der Struktur B als Loch-selektiven Kontakt entwickelten sich besser als besser als die a-Si: H in Struktur A.

Abbildung 1: Charakterisierung der Lücke Schicht der Lücke/Si Struktur. (a) 1 x 1 μm2 AFM Bild der 25 nm dicke Lücke Oberfläche. (b) die kohärente Doppel Kristall (DC) ω-2θ rockende Kurve (schwarz) in der Nähe von Si und Lücke (004) Reflexionen (eine angepasste Kurve (rot) der Struktur wird auch angezeigt). (c) wechselseitige Weltraumkarte (224) Beugung Spots. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: elektrische Eigenschaften der Lücke/Si Heterojunction Geräte. (a) die effektive Minderheit-Träger Lebensdauer der Lücke/Si-Struktur (schwarze Punkte) und Si Bulk Lebensdauer (rote Punkte). (b) die IQE und Oberflächenreflexion Spektren von a-Si/Si/GaP (Struktur A) (schwarz) und MoOX/Si/GaP (Struktur (B) (blau). (c) leicht J-V (schwarz) und Pseudo Licht J-V (rot) von a-Si/Si/GaP-Gerät. (d) J-V (schwarz) und Pseudo Licht J-V (rot) von MoOX/Si/GaP Gerät. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Tabelle 1. Licht und Pseudo-J-V-Werte für Lücke/Si Heterojunctions Solarzellen.

Die Autoren haben nichts preisgeben.