Summary

Разработка высокопроизводительных разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей

Published: November 16, 2018
doi:

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.

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, ?…

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 исполь?…

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 те…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

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

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

  1. 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).
  2. Vadiee, E., et al. AlGaSb-Based Solar Cells Grown on GaAs: Structural investigation and device performance. IEEE Journal of Photovoltaics. , (2017).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Ding, L., et al. Silicon minority-carrier lifetime degradation during molecular beam heteroepitaxial III-V material growth. Energy Procedia. 92, 617-623 (2016).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Ishizaka, A., Shiraki, Y. Low temperature surface cleaning of silicon and its application to silicon MBE. Journal of The Electrochemical Society. 133, 666 (1986).
  11. 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).
  12. Battaglia, C., et al. Hole Selective MoOx Contact for Silicon Solar Cells. Nano Letters. 14, 967-971 (2014).

Play Video

Cite This Article
Zhang, C., Vadiee, E., Dahal, S., King, R. R., Honsberg, C. B. Developing High Performance GaP/Si Heterojunction Solar Cells. J. Vis. Exp. (141), e58292, doi:10.3791/58292 (2018).

View Video