Opracowywanie wysokowydajnych heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si

Summary

Tutaj prezentujemy protokół do opracowania wysokowydajnych heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si o wysokiej żywotności nośnika mniejszościowego Si.

Abstract

Aby poprawić wydajność ogniw słonecznych opartych na krzemie ponad ich limit Shockleya-Queissera, optymalnym sposobem jest zintegrowanie ich z ogniwami słonecznymi opartymi na III-V. W niniejszej pracy przedstawiamy wysokowydajne heterozłączowe ogniwa słoneczne GaP/Si o wysokiej żywotności nośnika mniejszościowego Si i wysokiej jakości krystalicznej epitaksjalnych warstw GaP. Wykazano, że poprzez zastosowanie warstw dyfuzyjnych fosforu (P) do substratu Si i warstwy_{SiN x}, czas życia nośnika mniejszości Si może być dobrze utrzymany podczas wzrostu GaP w epitaksji wiązki molekularnej (MBE). Kontrolując warunki wzrostu, na powierzchni krzemu bogatego w P wyhodowano wysoką jakość kryształów GaP. Jakość filmu charakteryzuje się mikroskopią sił atomowych i dyfrakcją promieniowania rentgenowskiego o wysokiej rozdzielczości. Ponadto MoO_x został zaimplementowany jako styk selektywny przez otwór, co doprowadziło do znacznego wzrostu gęstości prądu zwarciowego. Osiągnięta wysoka wydajność heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si wyznacza drogę do dalszego zwiększania wydajności urządzeń fotowoltaicznych opartych na krzemie.

Introduction

Trwają prace nad integracją różnych materiałów z niedopasowaniami sieci w celu zwiększenia ogólnej wydajności ogniw słonecznych^1,2. Integracja III-V/Si ma potencjał, aby jeszcze bardziej zwiększyć obecną wydajność ogniw słonecznych Si i zastąpić drogie podłoża III-V (takie jak GaAs i Ge) podłożem Si do zastosowań w wielozłączowych ogniwach słonecznych. Spośród wszystkich układów podwójnych III-V, fosforek galu (GaP) jest dobrym kandydatem do tego celu, ponieważ ma najmniejsze niedopasowanie sieci (~0,4%) z Si i wysoką pośrednią przerwę energetyczną. Cechy te mogą umożliwić wysokiej jakości integrację GaP z substratem Si. Teoretycznie wykazano, że heterozłączowe ogniwa słoneczne GaP / Si mogą zwiększyć wydajność konwencjonalnych ogniw słonecznych Si z pasywacją z tylnym emiterem ^3,4 poprzez skorzystanie z unikalnego przesunięcia pasma między GaP i Si (∆E_v ~1,05 eV i ∆E_c ~0,09 eV). To sprawia, że GaP jest obiecującym kontaktem selektywnym elektronów dla krzemowych ogniw słonecznych. Jednakże, aby osiągnąć wysokowydajne heterozłączowe ogniwa słoneczne GaP/Si, wymagana jest wysoka żywotność masowa Si i wysoka jakość interfejsu GaP/Si.

Podczas wzrostu materiałów III-V na podłożu Si za pomocą epitaksji wiązki molekularnej (MBE) i epitaksji metaloorganicznej fazy gazowej (MOVPE), powszechnie obserwowano znaczną degradację czasu życia Si^5,6,7,8,9. Okazało się, że degradacja w czasie życia zachodzi głównie podczas obróbki termicznej płytek Si w reaktorach, która jest wymagana do desorpcji powierzchni tlenków i/lub rekonstrukcji powierzchni przed wzrostem epitaksjalnym¹⁰. Degradacja ta została przypisana zewnętrznej dyfuzji zanieczyszczeń pochodzących z reaktorów wzrostu^5,7. Zaproponowano kilka podejść mających na celu zahamowanie degradacji tego okresu życia krzemu. W naszej poprzedniej pracy pokazaliśmy dwie metody, w których degradacja czasu życia krzemu może być znacznie stłumiona. Pierwsza metoda została zademonstrowana poprzez wprowadzenie SiN_x jako bariery dyfuzyjnej⁷, a druga poprzez wprowadzenie warstwy P-dyfuzji jako czynnika pobierającego¹¹ do podłoża Si.

W tej pracy zademonstrowaliśmy wysokowydajne ogniwa słoneczne GaP/Si, oparte na wyżej wymienionych podejściach, aby złagodzić degradację masowego okresu eksploatacji krzemu. Techniki stosowane w celu zachowania żywotności krzemu mogą mieć szerokie zastosowanie w wielozłączowych ogniwach słonecznych z aktywnymi dolnymi ogniwami krzemowymi i urządzeniach elektronicznych, takich jak matryce CMOS o wysokiej mobilności. W tym szczegółowym protokole przedstawiono szczegóły produkcji heterozłączowych ogniw słonecznych GaP / Si, w tym czyszczenie płytek Si, dyfuzję P w piecu, wzrost GaP i przetwarzanie ogniw słonecznych GaP / Si.

Protocol

UWAGA: Proszę zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS) przed przystąpieniem do pracy z chemikaliami. Podczas produkcji ogniw słonecznych należy stosować wszystkie odpowiednie praktyki bezpieczeństwa, w tym wyciąg i środki ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, buty z zakrytymi palcami).

1. Czyszczenie wafli Si

1. Czyste wafle krzemowe w roztworze piranii (_H2O2/_H2SO4) w temperaturze 110 °C.
   1. Aby wytworzyć roztwór Piranii, napełnij kąpiel kwasową (zbiornik z polietylenu o dużej gęstości i dalej) 15,14 l H₂SO₄ (96%), a następnie 1,8 l H₂O₂ (30%).
   2. Poczekaj, aż temperatura roztworu ustabilizuje się na poziomie 110 °C.
   3. Umieść wafle krzemowe o średnicy 4 cali, ze strefą pływakową (FZ), typu n i dwustronnie polerowane wafle krzemowe w czystej 4-calowej kasecie waflowej (polipropylenowej i dalej) i umieść łódź w wannie Piranha na 10 minut.
   4. Płukać przez 10 minut wodą dejonizowaną (DI).
2. Wyczyść płytki krzemowe roztworem czyszczącym RCA w temperaturze 74 °C.
   1. Przygotować rozcieńczony roztwór HCl:H_2O2. Napełnij łaźnię kwasową 13,2 l DI_H2O i 2,2 l HCl. Uzupełnij roztwór 2,2 l_H2O₂ i włącz grzejnik.
   2. Przed użyciem poczekaj, aż temperatura roztworu ustabilizuje się na poziomie 74 °C.
   3. Umieść wafle Si w czystej 4-calowej kasecie waflowej i umieść wafle w roztworze RCA na 10 minut.
   4. Płukać wodą DI przez 10 min.
3. Czyste wafle krzemowe w roztworze buforowanego wytrawiania tlenkiem (BOE).
   1. Wlać 15,14 l roztworu BOE do łaźni kwasowej.
   2. Umieść kasetę waflową 4" w wannie na 3 minuty.
   3. Płukać przez 10 minut wodą DI.
   4. Wysuszyć wafel przez suchy N₂.

2. Dyfuzja P w piecu dyfuzyjnym

1. Umieść oczyszczoną wafel w dyfuzyjnej łódce kwarcowej.
2. Załaduj go do rurki kwarcowej o temperaturze podstawowej 800 °C. Zwiększ temperaturę pieca do 820 °C w środowisku N₂. W temperaturze 820 °C rozpocząć przepływ gazu nośnego_N2, który przepływa przez tlenochlorek fosforu (POCl₃) o stężeniu 1000 sccm. Po upływie 15 minut należy wyłączyć dopływ gazu nośnego_N2 i obniżyć temperaturę do 800 °C przed wyjęciem próbek.
3. Umieść próbki w roztworze BOE na 10 minut w celu usunięcia szkła krzemianowo-fosforowego (PSG), a następnie wykonaj 10-minutowe płukanie w wodzie DI.

3. Powłoka SiN_x firmy PECVD

1. Umieść wafel w czystej łodzi i zanurz go w kąpieli BOE na 1 minutę, aby usunąć natywny tlenek z powierzchni.
2. Płukać przez 10 minut wodą DI.
3. Osuszyć wafel za pomocą pistoletu do suszenia N₂.
4. Umieść wafel Si na czystym nośniku Si (156 mm monokrystaliczny Si).
5. Załadować próbkę do komory do chemicznego osadzania z fazy gazowej (PECVD) ze wzmocnieniem plazmowym.
6. Osadzać w komorze SiN_x o grubości 150 nm (38,5 s) w temperaturze 350 °C. Zdeponuj SiN_x przy mocy 300 W RF przy ciśnieniu podstawowym 3,5 Torr i 60 sccm SiH₄ jako źródło krzemu i 60 sccm_{NH 3 jako} źródło N (jako rozcieńczalnik użyto 2000 sccm N₂).
   1. Potwierdź szybkość wzrostu SiN_x (3,9 nm / s) poprzez osadzenie folii SiN_x o różnych czasach osadzania na polerowanych płytkach i zmierz grubości za pomocą elektroskopii spektroskopowej o zmiennym kącie (VASE).

4. Wzrost GaP według MBE

1. Po osadzeniu SiN_x załaduj wafel do komory MBE.
2. Odgazowanie w komorze wstępnej (180 °C przez 3 godziny), następnie odgazowanie w komorze buforowej (240 °C przez 2 godziny). Załaduj do komory wzrostowej i piecz w temperaturze 850 °C przez 10 minut.
3. Zmniejsz temperaturę do 580 °C. Zwiększ temperaturę komory efuzyjnej Ga, aby wytworzyć ~2,71×^10-7 ciśnienia równoważnego wiązce Torr (BEP) i temperaturę komory efuzyjnej Si do 1250 °C.
4. Dostosuj pozycjoner krakera z zaworem p, aby uzyskać ~1,16×^10-6 Torr BEP. Otwórz przesłony Ga, P i Si i wyhoduj GaP o grubości 25 nm metodą przerwanego wzrostu (10 cykli po 5 s otwarcia i 5 s zamknięcia), a następnie 121 s wzrostu otwartego (tj. jednocześnie otwarte żaluzje Ga i P).
5. Zmniejszyć temperaturę podłoża do 200 °C i wyładować próbkę z komory próżniowej.

5. Usuń warstwy n + i SiN_x przez trawienie na mokro

1. Przykryj powierzchnię GaP taśmą ochronną, aby chronić ją przed uszkodzeniem HF.
2. Przygotuj ~300 ml 49% roztworu HF w plastikowej zlewce.
3. Umieścić próbkę w roztworze HF na 5 minut, aby całkowicie usunąć warstwę SiN_x.
4. Usuń taśmę ochronną, spłucz wodą DI i wysusz za pomocą N₂.
5. Zakryj powierzchnię GaP nową taśmą ochronną.
6. Przygotować roztwór HNA w plastikowej zlewce (mieszanina kwasu fluorowodorowego (HF) (50 ml), kwasu azotowego (HNO₃) (365 ml) i kwasu octowego (_CH3COOH) (85 ml)) w temperaturze pokojowej.
   UWAGA: Ostrożnie umieścić płytkę w roztworze, aby uniknąć wnikania HNA w powierzchnię GaP.
7. Umieścić próbkę w roztworze HNA na 3 minuty.
8. Usuń taśmę ochronną i spłucz wodą DI. Suszyć przez N_2.

6. Formacja kontaktu selektywnego przez otwór po stronie gołej warstwy Si

1. Rozetnij wafel diamentowym pisakiem na cztery ćwiartki.
2. Dokładnie wyczyść próbki w zbiorniku na wodę DI.
3. Wyczyść próbki w kąpieli BOE przez 30 sekund, aby usunąć natywny tlenek z powierzchni.
4. Opłucz wafle w wodzie DI, a następnie wysusz przez N₂.
5. Umieścić a-Si: H o grubości 50 nm metodą PECVD na jednej z próbek, aby sprawdzić czas życia Si.
   1. Umieść warstwę a-Si: H na mocy RF 60 W pod ciśnieniem 3,2 Torr i 40 sccm SiH₄ jako źródło krzemu (jako rozcieńczalnik użyto 200 sccm_H2).
   2. Potwierdź szybkość wzrostu a-Si: H (1,6 nm/s), osadzając folie a-Si o różnych czasach osadzania na polerowanych płytkach i mierząc grubość za pomocą WAZONU.
6. Osadzać (i)a-Si (9 nm) i (p+)a-Si (16 nm) na wytrawionej (przedniej) stronie oddzielnej próbki Si metodą PECVD.
   1. Osadź warstwę a-Si typu p na mocy 37 W RF o ciśnieniu 3,2 Torr i 40 sccm SiH₄ jako źródło krzemu i 18 sccm B[CH₃]₃ jako domieszkę boru (jako rozcieńczalnik użyto 197 sccm_H2).
   2. Potwierdź szybkość wzrostu a-Si typu p (2,0 nm/s), osadzając folie a-Si o różnych czasach wzrostu na polerowanych płytkach i mierząc grubości za pomocą WAZONU.
7. Osadzać warstwę MoO_x o grubości 9 nm w temperaturze pokojowej przez termiczne odparowanie ze źródła MoO₃ (99,99%) o szybkości osadzania 0,5 A/s.

7. Tworzenie kontaktów zewnętrznych

1. Osadzanie warstw tlenku indowo-cynowego (ITO) o grubości 75 nm (In₂O₃/SnO₂ = 95/5 (procent wagowy), 99,99%) po stronie GaP próbek przez rozpylanie RF (moc RF 1 kW i ciśnienie 5 Torr) przy natężeniu przepływu tlenu 2,2 sccm.
2. Rozładuj próbki i odwróć je na drugą stronę. Następnie użyj maski cienia mesa na próbkach do osadzania mesy ITO.
3. Depozyt ITO o grubości 75 nm przez rozpylanie RF. Nałóż srebro o grubości 200 nm (moc RF 1 kW i nacisk 8 Torr) na palce zakrywające maskę cienia na palcu. Osadzać srebro o grubości 200 nm po stronie GaP próbek jako styk wsteczny.
4. Wyżarzać próbki w piecu pod ciśnieniem atmosferycznym w temperaturze 220 °C.

Results

Obrazy z mikroskopii sił atomowych (AFM) i skany dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) o wysokiej rozdzielczości, w tym krzywa kołysania w pobliżu odbicia (004) i mapa przestrzeni odwrotnej (RSM) w pobliżu odbicia (224), zostały zebrane dla struktury GaP/Si (Rysunek 1). AFM wykorzystano do scharakteryzowania morfologii powierzchni GaP wyhodowanego przez MBE, a XRD wykorzystano do zbadania jakości krystalicznej warstwy GaP. Efektywny czas życia mniejszości-nosiciela struktury ...

Discussion

Warstwa GaP o nominalnej grubości 25 nm została wyhodowana epitaksjalnie na powierzchni krzemu bogatego w P za pomocą MBE. Aby uzyskać lepszą jakość warstwy GaP na podłożach Si, preferowany jest stosunkowo niski stosunek V/III (P/Ga). Dobra jakość krystaliczna warstwy GaP jest niezbędna do uzyskania wysokiej przewodności i niskiej gęstości centrów rekombinacji. Średnia kwadratowa AFM (RMS) powierzchni GaP wynosi ~0,52 nm, co wskazuje na gładką powierzchnię bez wgłębień, co wskazuje na wysoką jakość kryształów przy niskie...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nadtlenek wodoru, 30%	Honeywell	10181019
kwas siarkowy, 96%	KMG electronic chemicals, Inc.	64103
Kwas solny, 37%	KMG chemikalia elektroniczne, Inc.	64009
Buforowany tlenek trawiący 10:1	KMG electronic chemicals, Inc.	62060
Kwas fluorowodorowy, 49%	Honeywell	10181736
Kwas octowy	Honeywell	10180830
Kwas azotkowy, 69,5%	KMG chemia elektroniczna, Inc.