Développement de cellules solaires de hautes performances GaP/Si hétérojonction

Nous présentons ici un protocole visant à développer haute performance GaP/Si hétérojonction cellules solaires avec une durée de vie élevée Si porteurs minoritaires.

Cette méthode peut dire, répondre aux questions clés dans la fabrication stratifiée de cellules solaires intégrées au silicium sur la façon de maintenir une durée de vie élevée en vrac de silicium pendant la croissance. Les principaux avantages de ce processus sont que nous pouvons atteindre une longue durée de vie en vrac de silicium, même après la croissance hétérovalente du transporteur de phosphide de gallium contact sélectif sur le silicium. Cela nous permet d’accéder aux écarts de bande d’autres semi-conducteurs III-V.

C’est une forme de cellule solaire multijonction avec une cellule de fond en silicium. Pour commencer, préparez une solution piranha dans un bain de chauffage à l’acide polyéthylène à haute densité, chauffez-le à 110 degrés Celsius et attendez que la température se stabilise. Dans un autre bain acide, préparer une solution diluée d’acide chlorhydrique et de peroxyde d’hydrogène pour éliminer la contamination ionique, la chauffer à 74 degrés Celsius et attendre que la température se stabilise.

Placer des plaquettes de silicium polies à double face de type zone flottante de quatre pouces de diamètre dans une cassette de gaufrette propre de quatre pouces en polypropylène. Faire tremper les gaufrettes dans la solution piranha pendant 10 minutes. Rincez ensuite les gaufrettes pendant 10 minutes à l’aide d’eau déionisée et mettez-les dans une cassette propre.

Faire tremper les gaufrettes dans la solution de nettoyage ionique pendant 10 minutes, puis les rincer à l’eau déionisée pendant 10 minutes. Ensuite, tremper les gaufrettes dans une solution tampon d’échumure d’oxyde de 10 à un fluorure d’ammonium à l’acide fluorhydrique pendant trois minutes à température ambiante, et les rincer à l’eau déionisée pendant 10 minutes. Sécher les gaufrettes propres sous un jet de gaz azoté sec.

Ensuite, placez une gaufrette propre dans un bateau à quartz et chargez-la dans un four à tubes à quartz, chauffé à 800 degrés Celsius avec une atmosphère de gaz azoté qui coule. Rampez le four à 820 degrés Celsius en 20 minutes. Ensuite, passez le gaz porteur à de l’azote bouillonne par oxychlorure de phosphore à 1000 SCCM.

Après 15 minutes, arrêter l’écoulement du gaz du transporteur et faire descendre le four à 800 degrés Celsius. Retirer la gaufrette du four et laisser refroidir. Ensuite, trempez-le dans une solution d’échumeau d’oxyde tamponné frais pendant 10 minutes pour enlever le verre de silicate de phosphore.

Rincer la gaufrette à l’eau déionisée pendant 10 minutes et la sécher avec du gaz azoté. Juste avant le dépôt de nitride de silicium, faire tremper la gaufrette dans une solution tamponnée d’échumure d’oxyde pendant une minute pour éliminer les oxydes indigènes. Rincez-le à l’eau déionisée pendant 10 minutes et séchez-le avec du gaz azoté sec.

Placez la gaufrette sur un porte-silicium monocrystallin propre et chargez-la dans un instrument PECVD, équipé de sources de silane et d’ammoniac. Réglez la pression de la chambre à 3,5 torrs et déposez 150 nanomètres de nitride de silicium à 3,9 nanomètres par seconde, avec 300 watts de puissance RF. Ensuite, chargez la gaufrette dans un instrument MBE, équipé de cellules d’effusion de gallium, de phosphore et de silicium.

Outgas la gaufrette dans la chambre d’introduction à 180 degrés Celsius pendant trois heures. Ensuite, transférez la gaufrette à la chambre tampon et la dégazez à 240 degrés Celsius pendant deux heures. Chargez la gaufrette dans la chambre de croissance et faites-la cuire à 850 degrés Celsius pendant 10 minutes.

Après cela, refroidir la gaufrette à 580 degrés Celsius, et préparer les cellules d’effusion pour générer les flux appropriés. Ouvrez les frissons de gallium, de phosphore et de silicium, et cultivez 25 nanomètres de phosphide de gallium avec une méthode de croissance interrompue, suivie de 121 secondes de croissance ininterrompue. Ensuite, refroidir l’échantillon à 200 degrés Celsius et le décharger de l’instrument.

Ensuite, recouvrez la surface du phosphide de gallium d’un ruban à dés résistant à l’acide. Faire tremper la gaufrette dans environ 300 millilitres d’acide hydrofluorique à 49 % pendant cinq minutes pour enlever la couche de nitride de silicium. Retirer le ruban, rincer la gaufrette avec de l’eau déionisée pendant 10 minutes et la sécher sous un jet de gaz azoté.

Ensuite, couvrez la surface de phosphide de gallium avec du ruban à dés frais. Dans un bécher en plastique, préparer 500 millilitres d’un mélange d’acide fluorhydrique, d’acide nitrique et d’acide acétique. Placez soigneusement la gaufrette dans la solution HNA et laissez-la tremper à température ambiante pendant trois minutes.

Retirer le ruban, rincer la gaufrette à l’eau déionisée et la sécher avec de l’azote. Utilisez un stylo diamant pour couper la gaufrette préparée en quatre quarts. Placez les morceaux dans un panier, nettoyez-les soigneusement dans un réservoir d’eau déionisée et séchez-les avec du gaz azoté.

Ensuite, faire tremper les morceaux dans une solution tamponnée d’échumeau d’oxyde pendant 30 secondes, et les rincer et les sécher à l’eau déionisée et au gaz azoté. Ensuite, déposez 50 nanomètres de silicium amorphe sur un échantillon, et vérifiez la durée de vie du silicium. Ensuite, déposez neuf nanomètres d’un silicium amorphe intrinsèque, et 16 nanomètres d’un silicium amorphe de type P, avec un dopant de bore, sur le côté silicium nu d’un deuxième échantillon.

Sur un troisième échantillon, utiliser l’évaporation thermique pour déposer neuf nanomètres d’oxyde de molybdène sur le côté silicium nu à 0,5 angstroms par seconde, à température ambiante, à partir d’une source de trioxyde de molybdène. Ensuite, placez les échantillons de silicium amorphe et d’oxyde de molybdène dans un instrument de pulvérisation RF, avec le côté phosphide de gallium face vers le haut. Déposez 75 nanomètres d’oxyde d’indium 10, avec un débit d’oxygène de 2,2 SCCM.

Ensuite, déchargez les échantillons et retournez-les. Placez un masque d’ombre mesa sur chaque échantillon. Chargez-les de nouveau dans l’instrument, et déposez encore 75 nanomètres d’ITO.

Déchargez les échantillons, échangez le masque contre un masque d’ombre de doigt, et déposez 200 nanomètres d’argent sur le mesa d’ITO à un kilowatt et huit torr. Retournez les échantillons et déposez 200 nanomètres d’argent sur le côté phosphide de gallium ito, comme contact arrière. Enfin, anneal les échantillons dans un four à 220 degrés Celsius et la pression atmosphérique.

La microscopie de force atomique a prouvé que la couche de phosphide de gallium a eu une rugosité carrée moyenne de racine d’environ 0.52 nanomètres, indiquant la qualité élevée de cristal avec une basse densité de dislocation de filetage. Les franges pendellosung observées à partir de la double courbe de basculement en cristal oméga deux theta au silicium et au phosphide de gallium 004 étaient compatibles avec des interfaces lisses. La carte spatiale réciproque de 224 taches de défraction montre des pics cohérents de phosphide de gallium et de silicium, ce qui indique que le phosphide de gallium est complètement tendu vers le substrat de silicium de bonne qualité cristalline.

La formation d’une couche N plus par diffusion de phosphore avant d’ajouter la couche de phosphide de gallium a maintenu la durée de vie en vrac de silicium jusqu’à des niveaux millisecondes. La durée de vie du silicium au phosphide de gallium était d’environ 100 microsecondes. Les dispositifs ont été construits à l’aide soit d’une couche de silicium amorphe, soit d’une couche d’oxyde de molybdène.

L’efficacité quantique interne du dispositif d’oxyde de molybdène est restée élevée à des longueurs d’onde inférieures à celles d’un dispositif de silicium amorphe, mais elle a également eu une réflectance plus élevée à des longueurs d’onde inférieures. Des performances prometteuses de cellules solaires ont été observées pour les deux dispositifs. Les dispositifs amorphes de silicium et d’oxyde de molybdène ont eu des efficacités comparables, des tensions de circuit ouvert, et des facteurs de remplissage.

Dans l’ensemble, la couche d’oxyde de molybdène a obtenu de meilleurs résultats dans l’ensemble que la couche de silicium amorphe. Tout en essayant cette procédure, n’oubliez pas de garder la deuxième gaufrette aussi propre que possible avant de charger dans la chambre MBE, en particulier lors du dépôt de nitride de silicium.