Summary
Здесь мы представляем протокол для разработки высокопроизводительных разрыв/Si гетеропереход солнечных элементов с высоким жизни меньшинств перевозчик Si.
Abstract
Для повышения эффективности на основе Si солнечных батарей пределы их Шокли-Квайзер, оптимальный путь заключается в интеграции их с основанные на III-V солнечных батарей. В этой работе мы представляем высокопроизводительных разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей с высоким жизни меньшинств перевозчик Si и качество высокое кристалл эпитаксиальных слоев разрыв. Показано, что путем применения фосфора (P)-диффузии слоев в подложке Si и SiNx слой, Si жизни меньшинств перевозчик может быть ухоженные во время роста разрыва в эпитаксия молекулярного луча (MBE). Контролируя условия роста, качество высокое кристалл разрыв был выращен на поверхности Si P-богатые люди. Качество фильма характеризуется атомно-силовой микроскопии и высоким разрешением дифракции рентгеновских лучей. Кроме того, муx был реализован как отверстие селективный контакт, что привело к значительному увеличению плотности тока короткого замыкания. Производительность достигается высокое устройство гетеропереход разрыв/Si солнечных батарей устанавливает путь для дальнейшего повышения производительности на основе Si фотоэлектрических устройств.
Introduction
Продолжающиеся усилия был на интеграции различных материалов с решетки несоответствия с целью повышения общей солнечной ячейки эффективности1,2. III-V/Si интеграции имеет потенциал для дальнейшего увеличения текущего Si солнечных фотоэлементов и заменить дорогие субстрата III-V (например, GaAs и Ge) Si субстрат для приложений многопереходных солнечных батарей. Среди всех III-V двоичные материальных систем Фосфид галлия (зазор) является хорошим кандидатом для этой цели, как это имеет наименьший решетки несоответствие (~ 0,4%) с Si и высокой косвенные bandgap. Эти возможности можно включить интеграцию высокого качества разрыва с Si субстрата. Было теоретически доказано, что разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей может повысить эффективность обычных пассивированы излучателя задних Si солнечных батарей3,4 , пользующихся уникальной группы смещение между разрыв и Si (∆Ev ~1.05 eV и ∆Ec ~0.09 eV). Это делает разрыв перспективных электрона селективного контакт кремниевых солнечных элементов. Однако для достижения высокой производительности разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей, требуются высокие Si сыпучих жизни и высокое качество интерфейс разрыв/Si.
Во время роста III-V материалов на подложке Si эпитаксия молекулярного луча (MBE) и металлоорганических паров этапе эпитаксия (MOVPE) значительное ухудшение жизни Si широко наблюдается5,6,7, 8 , 9. было установлено, что ухудшение жизни главным образом происходит во время термической обработки Si пластин в реакторах, который необходим для поверхности оксида десорбции и/или поверхности реконструкции до эпитаксиального роста10. Эта деградация был приписан к внешняя диффузии загрязнений, возникла из роста реакторов5,7. Для подавления этой деградации жизни Si были предложены несколько подходов. В нашей предыдущей работы мы продемонстрировали два метода, в которых могут быть значительно подавлены деградации жизни Si. Первый метод было продемонстрировано введение SiNx как диффузия барьер7 и второй, представляя P-диффузии слой как gettering агент11 Si субстрата.
В этой работе мы продемонстрировали высокопроизводительных разрыв/Si солнечных батарей на основе вышеупомянутых подходов к смягчению деградации жизни массовых кремния. Методы, используемые для сохранения жизни Si может иметь широкое применение в многопереходных солнечных батарей с активной Si нижней клетки и электронных устройств, таких как высокомобильных CMOS. В этом подробный протокол изготовления детали разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей, включая Чистка пластин Si, P-диффузии в печи, разрыв роста и разрыв/Si солнечных батарей обработки, представлены.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Предупреждение: Обратитесь все соответствующие паспорта безопасности материалов (MSDS) до рассмотрения химических веществ. Пожалуйста, используйте все практики безопасности при выполнении Изготовление солнечных батарей, включая зонта и средства индивидуальной защиты (очки, перчатки, лаборатории пальто, полнометражных брюки, закрыты носок обуви).
1. Si пластин очистка
- Чистота Si пластин в растворе Пиранья (H2O2ч2т4) при температуре 110 ° C.
- Для получения раствора пираньи, заполните кислоты ванна (полиэтилен танк и далее) с 15.14 L H2так4 (96%), а затем 1.8 L H2O2 (30%).
- Ждать для температуры раствора должен стабилизироваться на уровне 110 ° C.
- Место 4-дюймовый диаметр, поплавок зоны (ФЗ), n типа и двойной стороне полированные Si пластин чистый 4" вафельные кассету (полипропилен и далее) и место лодку в ванне Пиранья за 10 мин.
- Ополосните в течение 10 мин с дейонизированной водой (DI).
- Чистота Si пластин с RCA, моющий раствор на 74 ° C.
- Подготовьте разбавленный раствор HCl:H2O2. Заполните кислоты Ванна с 13,2 Л ди H2O и 2.2 L HCl. Spike решение с 2.2 L H2O2 и включите нагреватель.
- Подождите, пока температура раствора должен стабилизироваться на уровне 74 ° C перед использованием.
- Положите Si пластин в кассеты пластин чистый 4» и место пластин в RCA растворе втечение 10 мин.
- Промыть водой ди за 10 мин.
- Чистота Si пластин в буфер оксид Etch (BOE) решение.
- Вливают 15.14 Л BOE раствора кислоты ванна.
- Место кассеты пластин 4» в ванной на 3 мин.
- Ополосните в течение 10 мин с ди водой.
- Насухо сухой N2пластины.
2. P-диффузии в печи диффузии
- Положите очищенные пластины в диффузии кварца лодки.
- Загрузить его в кварцевая трубка, которая имеет базовый температуре 800 ° C. Рамп температуру печи до 820 ° C в среде N2 . В 820 ° C начинают пропускать газ-носитель2 N, что пузыри через хлорокись фосфора (POCl3) на 1000 sccm. После 15 минут выключите газ перевозчик2 N и увеличить температуру до 800 ° C до взятия проб.
- Поместите образцы в BOE растворе втечение 10 мин для удаления фосфора силикатного стекла (ПСЖ) и затем выполнить 10-мин промыть в воде ди.
3. siNx покрытие, PECVD
- Поместите пластины в лодке чистой и окунуть его в ванну BOE за 1 мин для удаления собственного оксида на поверхности.
- Ополосните в течение 10 мин с ди водой.
- Сухие пластины с ружьем сухой N2 .
- Место Si пластин на чистый носитель Si (156 мм монокристаллического Si).
- Загрузите образец в камеру плазмы расширенной химическое парофазное осаждение (PECVD).
- Депозит 150 Нм толстая (38,5 s) SiNx в 350 ° C в камере. Депозит SiNx 300 Вт мощности с базовым давление 3,5 торр и 60 sccm SiH4 как источником кремния и 60 sccm NH-3 в качестве источника N (sccm 2000 N2 был использован в качестве разбавителя).
- Подтвердите темп роста SiNx (3,9 Нм/s), внесение SiNx фильмов с разными осаждения раз на полированных пластин и измерения толщины переменный угол спектроскопических Эллипсометрия (ваза).
4. разрыв рост MBE
- После SiNx осаждения Загрузите пластины в камере MBE.
- Outgas в зале вводный (180 ° C 3 h), а затем outgas в зале буфера (240 ° C на 2 ч). Загрузить в камере роста и выпекать при температуре 850 ° C в течение 10 мин.
- Снижение температуры до 580 ° C. Температура камеры выпота увеличение Ga производить ~2.71×10-7 Торр луч эквивалент давления (НПД) и Si выпота клеток температура 1250 ° C.
- Настройка позиционера p клапанная взломщик для достижения ~1.16×10-6 Торр НПД. Откройте Ga, P и Si жалюзи и расти 25 Нм толщиной разрыв с методом прерванного роста (10 циклов 5 открытых и 5 сек закрыт) следуют 121 s unshuttered роста (то есть, открыть Ga и p жалюзи одновременно).
- Снизьте температуру субстрата до 200 ° C и выгрузить образец из вакуумной камеры.
5. Удалите задней n + и SiNx слои на мокрой травления
- Покрытие поверхности разрыв с защитной лентой, чтобы защитить его от повреждений ВЧ.
- Подготовьте ~ 300 мл раствора 49% HF в пластиковый стакан.
- Поместите образец в ВЧ раствор на 5 минут, чтобы полностью удалить слой SiNx .
- Снимите защитную пленку, промойте водой ди и сухой, N2.
- Покрытие поверхности разрыв с новой защитной лентой.
- Приготовляют раствор СКС в пластиковый стакан (смесь фтористоводородную кислоту (HF) (50 мл), азотной кислоты (3HNO) (365 мл) и уксусной кислоты (CH3COOH) (85 мл)) при комнатной температуре.
Предупреждение: Осторожно поместите пластины в решение, чтобы избежать HNA проникая в поверхности разрыва. - Поместите образец в решении HNA за 3 мин.
- Снимите защитную пленку и смыть водой ди. Сухой, N2.
6. отверстие селективный контакт формирования на стороне голые Si
- Рассекающий удар пластины с пером алмаз на четыре четверти.
- Тщательно очистите образцы в резервуар с водой ди.
- Очистить образцы в ванну BOE 30 s для удаления собственного оксида с поверхности.
- Промойте пластины в воде ди и затем насухо N2.
- Депозит 50 Нм толстая Si: H, PECVD на одном из образцов для проверки существования Si.
- Депозит-Si: H слой на 60 Вт мощности с давлением 3.2 Торр и 40 sccm SiH4 источником кремния (200 sccm H2 был использован в качестве разбавителя).
- Подтверждают темпы роста-Si: H (1,6 Нм/s) путем депозировать фильмов-Si с различными осаждения раз на полированных пластин и измерения толщины с Ваза.
- Депозит (i)-Si (9 Нм) и (p +)-Si (16 Нм) на стороне травления (Фронт) отдельный образец Si, PECVD.
- Депозит типа p-Si слой на 37 Вт мощности с давлением 3.2 Торр и 40 sccm SiH4 источником кремния и 18 sccm3 B [CH3] как примеси бора (197 sccm H2 был использован в качестве разбавителя).
- Подтверждают темпы роста типа p-Si (2.0 Нм/s) путем депозировать фильмов-Si с различными роста раз на полированных пластин и измерения толщины с Ваза.
- Депозит 9 Нм толстый слой MoOx при комнатной температуре, термическое испарение из источника MoO3 (99.99%) с скорость осаждения 0.5 Å / s.
7. внешний контакт формирования
- Депозит 75 Нм толщиной Индий олова оксид (ITO) (в2O3/SnO2 = 95/5 (вес %), 99,99%) слои на стороне разрыв образцов путем распыления РФ (мощность 1 кВт и давление 5 торр) с скоростью потока кислорода 2.2 sccm.
- Выгрузить образцы и переверните их. Затем используйте маску Меса тень на образцах для осаждения Меса Ито.
- Депозит 75 Нм толщиной Ито по РФ распыления. Депозит 200 Нм толщиной серебро (мощность 1 кВт, давление 8 торр) для пальцев, охватывающих палец теневой маски. Депозит 200 Нм толщиной серебро на стороне разрыв образцов как обратно контакта.
- Отжиг образцы в печи при атмосферном давлении в 220 ° C.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Атомно-силовой микроскопии (АСМ) изображения и высокого разрешения рентгеновской дифракции (XRD) сканирования, включая кривой качания вблизи (004) отражение и взаимные карта (RSM) вблизи (224) отражение, были собраны на разрыв/Si Структура (рис. 1). АСМ был использован для характеристики поверхности морфологии MBE-вырос разрыв и XRD был использован для изучения качества кристалла разрыв слоя. Эффективный меньшинств носитель жизни разрыв/Si структуры и массовых Si были измерены для изучения эффективности жизни, сохранение методы, используемые в этой работе. Внешние Квантовая эффективность (EQE), поверхность отражения, псевдо свет J-V (солнц-Voc) и свет J-V разрыв/Si были собраны окончательного устройства (рис. 2). Внутренний Квантовая эффективность (IQE) был создан из отражения исправлены EQE данных. Свет и псевдо J-V параметры перечислены в таблице 1. Эффективность 13,1% и 14,1% с напряжение холостого хода (Voc) 618 МВ и 598 mV достигаются из структуры A и B, соответственно. Муx слой в структуре B как отверстие селективные контакт выполнен лучше, чем лучше, чем a-Si: H в структуре A.
Рисунок 1: характеристика разрыв слоя разрыв/Si структуры. (a) 1 x 1 мкм2 AFM изображение поверхности разрыв 25 Нм толщиной. (b согласованной двойной кристалл (DC) ω-2θ качания кривой (черный) вблизи Si и разрыв (004) размышления (гладкой кривой (красный) структуры также представлены). (c) взаимные пространства карта (224) дифракции точек. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2: электрические характеристики устройств разрыв/Si гетероперехода. (эффективный меньшинств носитель жизни разрыв/Si структуры (черных точек) и Si массовое жизни (красные точки). (b IQE и спектры отражения поверхности a-Si/Si/GaP (структура A) (черный) и муx/Si/GaP (структура B) (синий). (c) света J-V (черный) и псевдо свет J-V (красный) a-Si/Si/GaP устройства. (d) света J-V (черный) и псевдо свет J-V (красный) муx/Si/GaP устройства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
VOC | JSC | FF | FF0 | WOC | Η | Η0 | |
(mV) | (мА/см2) | (%) | (%) | (mV) | (%) | (%) | |
Структура А | 618 | 33.1 | 64 | 80 | 522 | 13.1 | 16,5 |
B структура | 598 | 34,3 | 69 | 80 | 542 | 14.1 | 16,9 |
Таблица 1. Свет и псевдо J-V значения для GaP/Si гетеропереходов солнечных батарей.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Номинальный 25 Нм толстый слой разрыв epitaxially выращивается на поверхности Si P-богатые через MBE. Расти лучше качество разрыв слоя на Si субстратов, относительно низким V/III (P/Ga) соотношение является предпочтительным. Качество хорошее кристалла разрыв слоя необходимо для достижения высокой теплопроводностью и низкой плотности рекомбинации центров. AFM корень значит квадрат (RMS) поверхности разрыва является ~0.52 Нм, показаны гладкую поверхность с нет ямы, свидетельствует о высокой кристалл качества с низкой плотностью потоков дислокации (Рисунок 1a). Кроме того pendellosung полосы были замечены от ω-2θ качания кривой (рис. 1b) свидетельствует о гладкой интерфейсов. ~ 14 угловых секунд — full width at половина максимума (FWHM) пик разрыва, измеренная от тройной кристалл ω, кривой и потоков плотность дислокаций рассчитывается — ~ 2 × 106 см-2. RSM (рис. 1 c) вблизи (224) дифракции пятна разрыв/Si образца показывает последовательной разрыв и Si вершины, которая указывает, что разрыв полностью натянутыми до си субстрат с хорошим качеством кристаллический.
Важнейшим шагом достижения высокой производительности на основе Si солнечных батарей является поддержание высокой жизни меньшинств перевозчик Si во всем осаждения разрыва. Показано, что вставляя n + слой перед роста разрыва, Si сыпучих жизни может быть в хорошем состоянии (вплоть до уровня миллисекунд). Кроме того разрыв/Si жизни была измерена в ~ 100 МКС после роста разрыва в зале MBE. Достигнуты высокие жизни Si указывает перспективных производительность устройства (как показано на рис. 2 c). Свет и псевдо J-V параметры для GaP/Si гетеропереходов солнечных батарей (a-Si/Si/GaP (структура A) и муx/Si/GaP (структура B)) перечислены в таблице 1, измеренная при условии AM1.5G с интенсивность облучения 1 кВт m-2. В то время как Ито и Ag были применены как контактные слои разрыв слоя в этой работе, однако, добиться лучшей производительности разрыв/Si солнечных батарей, рекомендуется для оптимизации толщины Ито, прозрачность и его проводимости.
В этой работе муx также использовалась как селективного контакт отверстие для дальнейшего повышения эффективности сбора перевозчика на коротких волнах. Извлечение преимуществ из выше bandgap MoOx по сравнению с Si-слои, IQE показывает подталкивание в режима короткие волны (300-600 Нм). Фотоэлемент му /Si/GaPxпродемонстрировала лучшую производительность, чем самые эффективные MoOx/Si солнечные сообщили в литературе12 без вставки пассивации слоя между MoOx и Si интерфейс.
Хотя высокая Si сыпучих жизни может быть достигнуто от вышеупомянутого подхода, жизни меньшинств перевозчик разрыв/Si структуры до сих пор не сопоставимы с-Si пассивированы структуры, что означает, что качество разрыв слоя следует улучшить. Продемонстрировали подход, который требует диффузии шаг и SiNx слой покрытия может повлиять на качество поверхности Si; Таким образом последующие качество кристалла разрыв может быть затронуты. Кроме того, Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), и средней ионной масс-спектрометрии (SIMS) могут проводиться расследования профиль P-диффузии в этой структуре.
В этой работе мы продемонстрировали высокопроизводительных разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей, вставив n + слои в Si субстратов до роста разрыва. Этот протокол может применяться для поддержания высокой меньшинств носитель жизни Si epitaxially растет не только разрыв (представленные здесь) но также для других III-V, или II-VI материалы для достижения гетеропереход устройств. Кроме того этот подход может быть реализована многопереходных солнечных элементов с высокой производительности Si нижней клетки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего сообщать.
Acknowledgments
Авторы хотели бы поблагодарить L. Ding и M. Боккар за их вклад в области обработки и тестирования солнечных батарей в этом исследовании. Авторы признают, что финансирование от министерства энергетики США по контракту де-EE0006335 и инженерных исследований центр программы национального научного фонда и управление по обеспечению энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерство энергетики под № NSF соглашение о сотрудничестве ЕЭС-1041895. Дахал СОМ на солнечной энергии лаборатории было поддержано, в частности, NSF контракт ECCS-1542160.
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Hydrogen peroxide, 30% | Honeywell | 10181019 | |
Sulfuric acid, 96% | KMG electronic chemicals, Inc. | 64103 | |
Hydrochloric acid, 37% | KMG electronic chemicals, Inc. | 64009 | |
Buffered Oxide Etch 10:1 | KMG electronic chemicals, Inc. | 62060 | |
Hydrofluoric acid, 49% | Honeywell | 10181736 | |
Acetic acid | Honeywell | 10180830 | |
Nitride acid, 69.5% | KMG electronic chemicals, Inc. | 200288 |
References
- 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 simulation study of gallium-phosphide/silicon heterojunction passivated emitter and rear solar cells. Journal of Applied Physics. 115, 044508 (2014).
- Limpert, S., et al. Results from coupled optical and electrical sentaurus TCAD models of a gallium phosphide on silicon electron carrier selective contact solar cell. 2014 IEEE 40th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC). , 836-840 (2014).
- Ding, L., et al. On the source of silicon minority-carrier lifetime degradation during molecular beam heteroepitaxial growth of III-V materials. 2016 IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). , IEEE. 2048-2051 (2016).
- Ding, L., et al. Silicon minority-carrier lifetime degradation during molecular beam heteroepitaxial III-V material growth. Energy Procedia. 92, 617-623 (2016).
- Zhang, C., Kim, Y., Faleev, N. N., Honsberg, C. B. Improvement of GaP crystal quality and silicon bulk lifetime in GaP/Si heteroepitaxy. Journal of Crystal Growth. 475, 83-87 (2017).
- García-Tabarés, E., et al. Evolution of silicon bulk lifetime during III-V-on-Si multijunction solar cell epitaxial growth. Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 24, 634-644 (2016).
- Varache, R., et al. Evolution of bulk c-Si properties during the processing of GaP/c-Si heterojunction cell. Energy Procedia. 77, 493-499 (2015).
- Ishizaka, A., Shiraki, Y. Low temperature surface cleaning of silicon and its application to silicon MBE. Journal of The Electrochemical Society. 133, 666 (1986).
- Zhang, C., Vadiee, E., King, R. R., Honsberg, C. B. Carrier-selective contact GaP/Si solar cells grown by molecular beam epitaxy. Journal of Materials Research. 33, 414-423 (2018).
- Battaglia, C., et al. Hole Selective MoOx Contact for Silicon Solar Cells. Nano Letters. 14, 967-971 (2014).