פיתוח תאים סולריים ביצועים גבוהים פער/סי Heterojunction

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול לפתח ביצועים גבוהים פער/Si heterojunction השמש תאים עם חיים גבוהה של המיעוט-המוביל סי.

Abstract

כדי לשפר את היעילות של תאים סולאריים מבוססי סי מעבר למגבלה שוקלי-Queisser שלהם, הדרך האופטימלית היא לשלב אותן עם השלישי-V מבוססי תאים סולריים. בעבודה זו, אנו מציגים תאים סולריים ביצועים גבוהים פער/Si heterojunction עם סי גבוה-המיעוט-המוביל לכל החיים, קריסטל גבוהים ואיכות שכבות הפער epitaxial. הוא הראה את זה על-ידי החלת זרחן (P)-דיפוזיה שכבות לתוך המצע סי, שכבה_x ' חטא ', משך החיים של המיעוט-המוביל סי ניתן מתוחזקים היטב במהלך הגידול הפער epitaxy הקורה מולקולרית (בין). על ידי שליטה על תנאי הגידול, קריסטל גבוהים ואיכות הפער גדל על פני עשיר פי סי. איכות הסרט מאופיין על ידי מיקרוסקופ כוח אטומי ואת ברזולוציה גבוהה רנטגן עקיפה. בנוסף, MoO_x יושם כאיש קשר חור סלקטיבית שהובילה לעליה משמעותית צפיפות זרם קצר. ביצועי המכשיר גבוהה מושגת התאים הסולאריים פער/Si heterojunction יוצר נתיב נוסף שיפור הביצועים של מכשירים פוטו מבוססי-סי.

Introduction

יש כבר מאמץ מתמשך על השילוב של חומרים שונים עם סריג אי התאמות כדי לשפר הכוללת תא פוטו-וולטאי יעילות^1,2. השילוב השלישי-V/סי יש פוטנציאל נוספת להגביר את היעילות השמש נייד סי הנוכחי ולהחליף את סובסטרטים השלישי-V יקר (כגון GaAs ו ג ' נרל אלקטריק) עם מצע סי ליישומים multijunction תא פוטו-וולטאי. בין כל השלישי-V בינארי גשמי מערכות, גליום מונו גבישי (מרווח) הוא מועמד טוב למטרה זו, שכן יש הקטן הסריג-ההתאמה (~ 0.4%) ועם סי bandgap עקיף גבוה. תכונות אלה ניתן לאפשר שילוב איכותי של הפער עם סובסטרט סי. תיאורטית הוכח כי הפער/Si heterojunction תאים סולריים יכול לשפר את היעילות של פולט passivated המקובלת אחורי סי תאים סולריים^3,4 על-ידי מנצלות ההיסט הלהקה ייחודי בין הפער סי (∆E_v ~1.05 eV ו ∆E_ג ~0.09 eV). זה הופך את הפער איש קשר מבטיח סלקטיבי אלקטרון עבור סיליקון השמש תאים. עם זאת, על מנת להשיג ביצועים גבוהים פער/Si heterojunction תאים סולריים, החיים בצובר סי גבוה ואיכות גבוהה פער/Si ממשק נדרשים.

במהלך הגידול השלישי-V חומרים על מצע סי על ידי קרן מולקולרית epitaxy (בין) ו metalorganic אדי שלב epitaxy (MOVPE), השפלה החיים סי משמעותי נצפתה נרחב^{5,6,7, 8 , 9}. התגלה כי השפלה החיים בעיקר קורה במהלך הטיפול התרמי ופלים Si בהכורים, אשר נדרש עבור שחזור desorption ו/או משטח תחמוצת השטח לפני צמיחה epitaxial¹⁰. את ההשפלה הזו היה המיוחס פעפוע החיצוניים של מזהמים שמקורם את הצמיחה כורים^5,7. מספר גישות הוצעו כדי לדכא את ההשפלה הזו כל החיים סי. בעבודה הקודמת שלנו הראו שתי שיטות שבו השפלה החיים סי ניתן באופן משמעותי לדכא. השיטה הראשונה הודגם המבוא של SiN_x כמו מחסום דיפוזיה⁷ והשני על ידי החדרת השכבה P דיפוזיה בתור הסוכן gettering¹¹ אל המצע סי.

בעבודה זאת, הראו ביצועים גבוהים תאים סולריים פער/Si בהתבסס על הגישות הנ ל כדי להמתיק סיליקון בצובר שלמים השפלה. טכניקות השתמשו כדי לשמור על אורך החיים סי יכולים להיות יישומים רחב בתאים סולאריים multijunction עם תאים התחתונה סי פעיל ומכשירים אלקטרוניים כגון גבוהה ניידות CMOS. ב פרוטוקול מפורט זה, מוצגים הפרטים פבריקציה נוספת של גאפ/Si heterojunction תאים סולריים, כולל סי וופל ניקוי, P-דיפוזיה הכבשן, פער גדילה, וכן תאים סולריים פער/Si עיבוד.

Protocol

אזהרה: נא עיין כל גליונות נתונים בטיחות חומרים רלוונטיים (MSDS) לפני התמודדות עם כימיקלים. אנא השתמש כל נוהלי בטיחות המתאים בעת ביצוע של ייצור תאים סולאריים כולל fume הוד, ציוד מגן אישי (בטיחות משקפיים, כפפות, חלוק המעבדה, מכנסיים באורך מלא, נעליים סגורות).

1. סי וופל ניקוי

1. לנקות סי ופלים בפתרון פיראניה (H₂O₂/H₂אז₄)-110 מעלות צלזיוס.
   1. כדי לייצר פתרון פיראניה, למלא את האמבטיה חומצה (פוליאתילן בצפיפות גבוהה טנק, מכאן והלאה) 15.14 L. H₂אז₄ (96%) ולאחר מכן 1.8 L. H₂O₂ (30%).
   2. לחכות הטמפרטורה של הפתרון לייצב-110 מעלות צלזיוס.
   3. מקום 4-inch-קוטר, float-אזור (FZ), ופלים סי מסוג n, ומלוטש כפול-צד נקי 4" וופל קסטה (פוליפרופילן ומכאן והלאה), ולמקם את הסירה באמבטיה פיראניה למשך 10 דקות.
   4. שטיפה 10 דקות במים (DI) יונים.
2. לנקות סי ופלים עם RCA ניקוי פתרון 74 מעלות צלזיוס.
   1. להכין בתמיסה מדוללת של₂O HCl:H₂. למלא את האמבטיה חומצה לליטר 13.2 DI H₂O ו- 2.2 L של HCl. ספייק הפתרון עם 2.2 L של₂O H₂ , את החימום.
   2. המתן עד הטמפרטורה של הפתרון לייצב ב 74 מעלות צלזיוס לפני השימוש.
   3. להכניס סי ופלים נקי 4" וופל קסטה ולמקם ופלים הפתרון RCA עבור 10 דקות.
   4. לשטוף עם מים DI למשך 10 דקות.
3. נקה סי ופלים בפתרון Buffered תחמוצת לחרוט (BOE).
   1. יוצקים L 15.14 בפתרון BOE באמבט חומצה.
   2. מניחים את פרוסת סיליקון קלטת 4" באמבטיה למשך 3 דקות.
   3. שטיפה 10 דקות במים DI.
   4. יבש את לחם הקודש על ידי N יבש₂.

2. P-דיפוזיה בכבשן דיפוזיה

1. הכניסו רקיק נקי סירה קוורץ דיפוזיה.
2. לטעון אותו לתוך צינור קוורץ בעל בסיס לטמפרטורה של 800 מעלות צלזיוס. הרמפה תנור לטמפרטורה 820 ° C בסביבת₂ N. ב 820 מעלות צלזיוס, יתחיל לזרום הגז המוביל₂ N בועות דרך oxychloride זרחן (POCl₃) ב- 1000 sccm. לאחר 15 דקות, לכבות את הגז המוביל₂ N, כבש את הטמפרטורה עד 800 מעלות צלזיוס לפני לקיחת הדגימות.
3. מקם את הדגימות פתרון BOE 10 דקות להסיר זכוכית זרחן (פריז סן ז'רמן) ולאחר מכן לבצע שטיפה 10 דקות במים DI.

3. חטא ציפוי_x על-ידי לחץ

1. מכניסים את פרוסות סירה נקי וטובל באמבט BOE עבור 1 דקות להסיר את תחמוצת מקורית על פני השטח.
2. שטיפה 10 דקות במים DI.
3. יבש את וופל עם אקדח₂ N יבש.
4. במקום כשהפחד סי על נשאית סי נקי (156 מ"מ monocrystalline Si).
5. לטעון את הדגימה לתא פלסמה אדים כימיים משופרת התצהיר (לחץ).
6. פיקדון 150 ננומטר בעובי (38.5 s) לחטוא_x ב 350 ° C בבית הבליעה. להפקיד SiN_x כוח W RF 300 בלחץ הבסיס של טנדר של גוה של 3.5 ו- sccm 60 SiH₄ כמקור סיליקון ו- sccm 60 של NH₃ כמקור N (2000 sccm של N₂ שימש diluent).
   1. לאשר את קצב הצמיחה של SiN_x (nm 3.9/s) על ידי הפקדת SiN_x סרטים עם התצהיר שונה פעמים על מוצרי קונדיטוריה מלוטש ולמדוד את עוביים לפי זווית משתנה ספקטרוסקופיות ellipsometry (אגרטל).

4. פער הצמיחה על ידי בין

1. לאחר חטא_x בתצהיר טען כשהפחד אל החדר בין.
2. Outgas בחדר המבוא (180 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות), ולאחר מכן outgas בבית הבליעה מאגר (240 מעלות צלזיוס במשך שעתיים). לטעון אל התא צמיחה ואופים ב 850 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות.
3. להקטין את הטמפרטורה עד 580 ° C. עלייה Ga תפליט תא הטמפרטורה כדי לייצר ~2.71×10^-7 טנדר של גוה של קרן-המקבילה בלחץ (BEP) וטמפרטורה סי תפליט תא כדי 1250 מעלות צלזיוס.
4. להתאים את positioner קרקר p valved כדי להשיג ~1.16×10^-6 טנדר של גוה של BEP. לפתוח את התריסים Ga, P ו- Si ולגדול 25 ננומטר בעובי הפער עם שיטת גידול קטע (10 מחזורים של 5 s פתוח ו- 5 s סגור) ואחריו 121 s של צמיחה unshuttered (קרי, לפתוח Ga ו- p תריסי בו זמנית).
5. להוריד את הטמפרטורה המצע עד 200 ° C ולפרוק את הדגימה מן החדר ואקום.

5. הסר גב n + ו- SiN_x שכבות על ידי איכול רטוב

1. לכסות את המשטח הפער עם קלטת מגן כדי להגן עליו מפני הנזק HF.
2. להכין ~ 300 מ של 49% פתרון HF גביע פלסטיק.
3. מקם את הדגימה הפתרון HF עבור 5 דקות כדי להסיר לחלוטין את השכבה_x חטא.
4. הסר את סרט המגן, לשטוף עם מים DI ולאחר יבשים ב- N₂.
5. לכסות את המשטח הפער עם קלטת הגנה חדשה.
6. להכין HNA פתרון בתוך פלסטיק (תערובת של חומצה הידרופלואורית (HF) (50 מ"ל), חומצה חנקתית (עב ס₃) (365 מ ל), וחומצות אצטית (CH₃COOH) (85 מ"ל)) בטמפרטורת החדר.
   התראה: מקם בזהירות כשהפחד הפתרון כדי להימנע HNA לחדור לתוך השטח הפער.
7. הכניסו את הדגימה הפתרון HNA למשך 3 דקות.
8. הסר את סרט המגן ולשטוף במים DI. יבש מאת N_2-

6. חור סלקטיבית היווצרות הקשר בצד סי חשופות

1. קליב את וופל עם עט יהלום לתוך ארבעה רבעונים.
2. ניקוי יסודי הדגימות מיכל מים DI.
3. לנקות את הדגימות באמבט BOE ב-30 s כדי להסיר את תחמוצת מקורי מפני השטח.
4. שוטפים ב- ופלים במים DI ומייבשים ואז על ידי N₂.
5. הפקדה של 50 ננומטר בעובי-סי: H על-ידי לחץ על אחת הדגימות כדי לבדוק את אורך החיים של סי.
   1. להפקיד את-סי: H משכבת 60 כוח W RF בלחץ של טנדר של גוה של 3.2 ו- sccm 40 SiH₄ כמקור סיליקון (sccm 200 H₂ שימש diluent).
   2. לאשר את קצב הצמיחה של-סי: H (nm 1.6/s) על ידי הפקדת-סי סרטים עם התצהיר שונה פעמים על מוצרי קונדיטוריה מלוטש, מדידת העובי עם אגרטל.
6. הפיקדון (i)-סי (9 nm) ו- (p +)-סי (16 nm) בצד (הקדמי) חרוט של מדגם סי נפרד על ידי לחץ.
   1. להפקיד את שכבת-סי מסוג p כוח 37 W RF בלחץ של טנדר של גוה של 3.2 ו- sccm 40 SiH₄ כמקור סיליקון ו- sccm 18 של B [CH₃]₃ כמו dopant בורון (197 sccm של H₂ שימש diluent).
   2. לאשר את קצב הצמיחה של p-type-סי (nm 2.0/s) על ידי הפקדת-סי סרטים עם גידול שונים פעמים על מוצרי קונדיטוריה מלוטש ומדידת את עוביים עם אגרטל.
7. להפקיד ננומטר בעובי 9 MoO שכבה_x טמפרטורת החדר על ידי אידוי תרמית ממקור MoO₃ (99.99%) עם קצב התצהיר של 0.5 Å / s.

7. חיצונית היווצרות הקשר

1. פיקדון 75 ננומטר בעובי אינדיום בדיל אוקסיד (ITO) (₂O₃/SnO₂ = 95/5 (משקל אחוזים), 99.99%) השכבות בצד פער של הדגימות על ידי RF התזה (RF כוח של 1 קילוואט ובלחץ של טנדר של גוה של 5) עם שיעור זרימת החמצן של 2.2 sccm.
2. לפרוק את הדגימות, להסגיר אותם. לאחר מכן להשתמש המסכה צל מסה על הדגימות איטו מסה להפקדה.
3. להפקיד איטו ננומטר בעובי 75 על ידי RF התזה. פיקדון 200 ננומטר בעובי כסף (RF כוח של 1 קילוואט ובלחץ של טנדר של גוה של 8) עבור האצבעות מכסה המסכה צל אצבע. להפקיד 200 ננומטר בעובי כסף בצד פער של הדגימות כמו הקשר האחורי.
4. Anneal את הדגימות תנור תחת לחץ אטמוספירי ב- 220 מעלות צלזיוס.

Results

תמונות מיקרוסקופ (AFM) כוח אטומי, סריקות רנטגן ברזולוציה גבוהה עקיפה (XRD), כולל העקומה נדנדה בקרבת ההשתקפות (004) ועל המפה שטח הדדיים (RSM) בקרבת השתקפות (224), נאספו עבור הפער/Si מבנה (איור 1). AFM שימש לאפיין המורפולוגיה משטח של הפער בין תוצרת, XRD שימש כדי לבחון את איכות קריסטל הפער שכבה. החיים המיעוט יעיל-המוביל של מבנה פער/סי ו סי בצובר נמדדו לבחון את האפקטיביות של החיים של שמירה על שיטות המשמשות בעבודה זו. נצילות קוונטית חיצוניים (EQE), השתקפות, אור מד...

Discussion

שכבה הנומינלי ננומטר בעובי 25 הפער גדל epitaxially על משטח P-עשיר סי דרך בין. לגדול איכות טובה יותר של הפער על סי מצעים, V/השלישי נמוך יחסית השכבה (P/Ga) יחס עדיפה. איכות טובה קריסטל של הפער שכבה יש צורך להשיג את מוליכות גבוהה בצפיפות נמוכה של מרכזי רקומבינציה. AFM השורש-אומר-הכיכר (RMS) של פני השטח הפער הוא nm ~0.52 מציג משטח חלק עם אין בורות, מעידה על איכות גבוהה קריסטל עם צפיפות פריקה נמוכה השרשור (איור 1 א'). עוד יותר, pendellosung בשולי נצפו מ ω-2θ נדנדה העקומה (איו...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
מי חמצן, 30%	Honeywell	10181019
חומצה גופרתית, 96%	KMG כימיקלים אלקטרוניים, Inc.	64103
חומצה הידרוכלורית, 37%	KMG כימיקלים אלקטרוניים, בע"מ	64009
תחרוט תחמוצת חוצץ 10:1	KMG כימיקלים אלקטרוניים, בע"מ	62060
חומצה הידרופלואורית, 49%
חומצה ניטרידית של Honeywell, 69.5%	KMG כימיקלים אלקטרוניים, בע"מ