Udvikle højtydende hul/Si Heterojunction solceller
Summary
Vi præsenterer her, en protokol for at udvikle højtydende hul/Si heterojunction solceller med høj Si mindretal-carrier levetiden.
Abstract
For at forbedre effektiviteten af Si-baserede solceller ud over deres Shockley-Queisser grænse, er den optimale vej til at integrere dem med III-V-baserede solceller. I dette arbejde præsenterer vi højtydende hul/Si heterojunction solceller med høj Si mindretal-carrier levetid og høj crystal kvalitet epitaxial hul lag. Det er vist, at ved at anvende fosfor (P)-diffusion lag i Si substrat og en syndx lag, Si mindretal-carrier levetid kan være velholdt under GaP væksten i molekylær stråle epitaxy (MBE). Ved at kontrollere vækstbetingelserne, blev høj crystal kvalitet af kløften dyrket på P-rige Si overflade. Film kvalitet er karakteriseret ved atomic force mikroskopi og høj opløsning røntgen diffraktion. Derudover MoOx blev gennemført som en hul-selektiv kontakt, der førte til en betydelig stigning i at kortslutte strømtæthed. Opnåede høje enhed ydeevne af hullet/Si heterojunction solceller etablerer en vej for yderligere forbedring af udførelsen af Si-baserede solceller udstyr.
Introduction
Der har været en vedvarende indsats for integration af forskellige materialer med gitter uoverensstemmelser for at øge den samlede solcelle effektivitet1,2. III-V/Si integration har potentiale til yderligere øge den nuværende Si solcelle effektivitet og erstatte de dyre III-V substrater (f.eks GaAs og Ge) med en Si substrat for multijunction solcelle applikationer. Blandt alle III-V binære materiale-systemer er gallium indiumfosfid (GaP) en god kandidat til dette formål, da det har den mindste gitter-uoverensstemmelse (~ 0,4%) med Si og en høj indirekte bandgap. Disse funktioner kan aktivere høj kvalitet integration af hullet med Si substrat. Det teoretisk er blevet påvist at hullet/Si heterojunction solceller kunne øge effektiviteten af konventionelle passivated emitter bageste Si solceller3,4 af drager fordel af den unikke band-forskydning mellem hullet og Si (∆Ev ~1.05 eV og ∆Ec ~0.09 eV). Dette gør kløften en lovende elektron selektiv kontakt for silicium solceller. Men for at opnå høj ydeevne hul/Si heterojunction solceller, en høj Si bulk levetid og høj hul/Si interface kvalitet er påkrævet.
Under væksten af III-V materialer på en Si substrat af molekylære stråle epitaxy (MBE) og metalorganic dampe fase epitaxy (MOVPE), er væsentlig Si levetid nedbrydning blevet almindeligt observeret5,6,7, 8 , 9. det blev afsløret at levetid nedbrydning primært sker under termisk behandling af Si vafler i reaktorer, hvilke er krævede nemlig overflade oxid desorption og/eller overflade genopbygning før epitaxial vækst10. Denne nedbrydning blev tilskrevet den extrinsiske diffusion af forurenende stoffer stammer fra vækst reaktorer5,7. Flere metoder er blevet foreslået til at undertrykke denne Si levetid nedbrydning. I vores tidligere arbejde, har vi vist to metoder som Si levetid nedbrydning kan være betydeligt undertrykt. Den første metode blev demonstreret ved indførelsen af syndenx som en diffusion barriere7 og den anden ved at indføre P-diffusion layer som en gettering agent11 til Si substrat.
I dette arbejde, har vi vist højt ydende hul/Si solceller baseret på de ovennævnte tilgange til at afbøde silicium bulk levetid nedbrydning. De teknikker, der anvendes til at bevare Si levetid kan har brede anvendelsesmuligheder i multijunction solceller med aktive Si bunden celler og elektroniske enheder såsom høj-mobilitet CMOS. I denne detaljerede protokollen, er fabrikation detaljerne i hullet/Si heterojunction solar celler, herunder Si wafer rengøring, P-diffusion i ovnen, GaP vækst og hul/Si solceller forarbejdning, præsenteret.
Protocol
Representative Results
Discussion
En nominel 25 nm-tyk hul lag var epitaxially vokset på en P-rige Si overflade via MBE. For at dyrke en bedre kvalitet af kløften lag på Si substrater, en relativt lav V/III er (P/Ga) forholdet at foretrække. En god crystal kvalitet af kløften lag er nødvendige for at opnå høj ledningsevne og lav befolkningstæthed rekombination Centre. Den AFM root-betyde-square (RMS) af kløften overfladen er ~0.52 nm viser en glat overflade med ingen gruber, vejledende af høj crystal kvalitet med lav threading dislokation befo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke L. Ding og M. Boccard for deres bidrag i behandling og afprøvning af solceller i denne undersøgelse. Forfatterne anerkender støtte fra det amerikanske Department of Energy kontrakt DE-EE0006335 og Engineering Research Center Program af National Science Foundation og Office of Energy Efficiency og vedvarende energi af Department of Energy under NSF samarbejdsaftale nr. EOEF-1041895. Som Dahal på Solar Power Lab blev støttet, en del af NSF kontrakt ECCS-1542160.
Materials
| 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). , 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).
