研制高性能的 gap-硅异构太阳能电池

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Summary

在这里, 我们提出了一个协议, 以开发高性能的 gap/si 异质结太阳能电池具有较高的硅少数民族载体寿命。

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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).

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Abstract

为了将硅基太阳能电池的效率提高到高于其冲击-quisser 极限之外, 最佳路径是将其与基于 iii-v 的太阳能电池集成。在本工作中, 我们提出了高性能的 gap/硅异质结连接太阳能电池具有较高的硅载流子寿命和高晶体质量的外延 gap 层。结果表明, 在分子束外延 (mbe) 的 gap 生长过程中, 将磷 (p) 扩散层应用于硅基板和硅x层, 可以很好地保持硅的小载体寿命。通过控制生长条件, 在富 p 硅表面生长高晶质量的 gap。薄膜质量的特点是原子力显微镜和高分辨率 x 射线衍射。此外, moox是作为孔选择性接触实施的, 导致短路电流密度显著增加。实现了 gap/si 异质连接太阳能电池的高器件性能, 为进一步提高硅基光伏器件的性能奠定了基础。

Introduction

为了提高太阳能电池的整体效率 1,2, 一直在努力将不同的材料与晶格错结合起来。iii-vsi 集成有可能进一步提高目前的 si 太阳能电池效率, 并将昂贵的 iii-v 基板 (如 gaas 和 ge) 替换为用于多结点太阳能电池应用的 si 基板。在所有 iii-v 二元材料系统中, 磷化镓 (gap) 是这方面的一个很好的候选系统, 因为它具有最小的网状不匹配 (~ 0.4%), 具有硅和高间接带隙。这些特性可以实现 gap 与硅基板的高质量集成。理论上已经证明, gap/si 异质结太阳能电池可以通过利用 gap 和 si 之间独特的带偏移 (e v v) 来提高传统钝化发射器后方硅太阳能电池的效率。~ 1.05 ev 和 ec ~ 0.09 ev)。这使得 gap 成为硅太阳能电池的一种很有前途的电子选择性接触。然而, 为了实现高性能的 gap/si 异质结太阳能电池, 需要高硅的体积寿命和较高的 gap/si 接口质量。

在分子束外延 (mbe) 和金属有机气相外延 (movpe) 在硅基板上生长 iii-v 材料的过程中, 广泛观察到硅的寿命显著退化 5,6,7,8,9. 结果表明, 寿命退化主要发生在反应器中硅晶片的热处理过程中, 这是外延生长前表面氧化物解吸和表面重建必需的10。这种降解归因于来自生长反应器5,7的污染物的外在扩散。提出了几种抑制硅寿命退化的方法。在我们之前的工作中, 我们已经演示了两种方法, 其中 si 寿命退化可以显著抑制。第一种方法是将 sinx 引入扩散屏障7 , 第二种方法是将 p-扩散层作为带去示剂11引入硅基板.

在这项工作中, 我们已经证明了高性能的 gap/si 太阳能电池基于上述方法, 以减轻硅块寿命的退化。用于保持硅寿命的技术可广泛应用于具有活性硅底电池的多结点太阳能电池和高迁移率 cmos 等电子器件。在该详细协议中, 介绍了 gap/si 异质结太阳能电池的制备细节, 包括硅晶片清洗、炉内 p 扩散、gap 生长和 GaP/Si 太阳能电池加工。

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Protocol

注意: 在处理化学品之前, 请查阅所有相关材料安全数据表 (msds)。在进行太阳能电池制造时, 请使用所有适当的安全做法, 包括烟罩和个人防护设备 (安全眼镜、手套、实验室外套、全长裤子、闭脚鞋)。

1. 硅晶圆清洗

  1. 在110°c 下, 在 piranha 溶液(h2o2/h2so4) 中的清洁硅晶片.
    1. 要生产 piranha 溶液, 请在酸浴 (高密度聚乙烯罐和以下) 中加入 15.14 l 的 h2 so 4 (96%), 然后在 1.8 l 的 h2o2 (30%) 中填充.
    2. 等待溶液的温度稳定在110°c。
    3. 将4英寸直径、浮区 (fz)、n 型和双侧抛光硅晶片放入清洁的 4 "晶圆盒 (聚丙烯及以下以下), 并将船放入 piranha 浴池10分钟。
    4. 用去离子水冲洗10分钟。
  2. 在74°c 下使用 rca 清洁溶液清洁硅晶片。
    1. 制备 hcl:h2o2 稀释溶液.将酸浴灌满13.2 升的 dh2o 和 2.2 l 的 hcl. 用 h2o2 的 2.2 l 刺入溶液 , 打开加热器。
    2. 在使用前, 请等待溶液的温度稳定在74°c。
    3. 将 si 晶片放入干净的4英寸晶圆盒中, 并将晶圆放入 rca 解决方案中10分钟。
    4. 用 di 水冲洗10分钟。
  3. 缓冲氧化物蚀刻 (boe) 溶液中的清洁硅晶片。
    1. 在酸性槽中倒 15.14 l boe 溶液。
    2. 将4英寸晶圆盒放入浴缸中3分钟。
    3. 用 di 水冲洗10分钟。
    4. 用干燥的 n2 擦干晶圆片。

2. 扩散炉中的 p 扩散

  1. 将清洁后的晶圆片放入扩散石英船中。
  2. 将其装入基温和温度为800°c 的石英管中。在 n2 环境中, 将炉温提高到 820 。在820时, 开始在 1000 sccm 处通过磷氯化物 (pocl3) 气泡的 n2 载气流动.15分钟后, 关闭 n2 载气 , 将温度降低到 800°c, 然后取出样品。
  3. 将样品放入 boe 溶液中 10分钟, 去除硅酸磷玻璃 (psg), 然后在 di 水中进行10分钟冲洗。

3. pecvd的锡克 x 涂层

  1. 将晶圆片放入干净的船上, 并将其浸入 boe 浴缸中 1分钟, 以去除表面的原生氧化物。
  2. 用 di 水冲洗10分钟。
  3. 用干氮2枪擦干晶圆片。
  4. 将硅晶片放在干净的硅载体 (156 毫米单晶硅) 上。
  5. 将样品加载到等离子体增强化学气相沉积 (pecvd) 室。
  6. 在350°c 的温度下将150毫米厚 (38.5秒) 的锡恩 x沉积在室内。以 300 w rf 功率沉积 synx, 基压为 3.5 torr60 sccm sih 4 作为硅源, 60 sccm nh3 作为 n源 (2000 sccm 的 n 2 被用作稀释剂)。
    1. 通过在抛光晶片上沉积不同沉积时间的锡n x 薄膜来确定锡n x (3.9 nm\) 的生长速率, 并用变角度光谱椭圆偏振仪 (vase) 测量厚度。

4. mbe 的 gap 增长

  1. sonx沉积后, 将晶片装入 mbe 室。
  2. 在介绍室中使用气体 (180°c 为 3小时), 然后在缓冲室中输出气体 (240°c 为 2小时)。装入生长室, 在850°c 下烘烤10分钟。
  3. 将温度降低到580°c。将 ga 积液细胞温度提高 ~ 2.71x10-7 torr 波束等效压力 (bep), 将 si 积液细胞温度提高到1250。
  4. 调整 p 瓣破碎机定位器, 达到 ~ 1.16x10-6 torr bep.打开 ga、p 和 si 百叶窗, 用中断的生长方法 (10个周期 5 s 打开, 5个闭式) 生长25毫米厚的 gap, 然后是121个未关闭的生长 (即同时打开ga 和 p 百叶窗)。
  5. 将基板温度降低到 200°c, 并将样品从真空室卸载。

5. 通过湿法蚀刻删除背面 n + 和 sin x 层

  1. 用保护带覆盖 gap 表面, 以保护其免受 hf 损伤。
  2. 在塑料烧杯中准备 ~ 300 毫升的 49% hf 溶液。
  3. 将样品放入 hf 溶液中 5分钟, 以完全去除 sinx 层
  4. 取下保护胶带, 用 di 水冲洗, 然后用 n2 擦干。
  5. 用新的保护胶带覆盖 gap 表面。
  6. 在塑料烧杯中制备海航溶液 (氢氟酸 (hf) (50 毫升)、硝酸 (hno 3) (365 ml) 和醋酸 (ch 3 coh) (85 ml)的混合物) 在室温下制备。
    注意: 小心地将晶片放入溶液中, 以避免海航渗入 gap 表面。
  7. 将样品放入海航溶液中3分钟。
  8. 取下保护胶带, 用 di 水冲洗。由 n2 干燥.

6. 光晶硅侧的孔选择性接触形成

  1. 用钻石笔把晶圆片切割成四个季度。
  2. 彻底清洁 di 水箱中的样品。
  3. 在 boe 浴池中清洁样品 30秒, 去除表面的原生氧化物。
  4. 在 di 水中的晶圆中冲洗, 然后在 n2 之前干燥。
  5. 将50毫米厚的 a-si 保存在其中一个样品上, 以检查 si 的寿命。
    1. 将 a-si:h 层沉积在 60 w rf 功率下, 压力为 3.2 torr 和 40 sccm sih 4 作为硅源 (200 sccm 的 h2用作稀释剂)。
    2. 通过在抛光晶片上沉积不同沉积时间的 a-si 薄膜并用 vase 测量厚度, 确定 a-si:h (1.6 nm\) 的生长速率。
  6. 存款 (i) a-si (9 nm) 和 (p +) a-si (16 nm) 在蚀刻 (前) 侧的一个单独的 si 样品由 pecvd。
    1. 将 p 型 a-si 层沉积在 37 w rf 功率下, 压力为 3.2 torr 和 40 sccm sih 4 作为硅源, 18 sccm b [ch 3]3作为硼掺杂物 (197 sccm 的 h2 用作稀释剂 )。
    2. 通过在抛光晶片上沉积不同生长时间的 a-si 薄膜并用 vase 测量厚度, 确定 p 型 a-si (2.0 nm\) 的生长速率。
  7. 通过从 moo 3 (99.99) 的来源热蒸发, 在室温沉积9英寸厚的 moox层, 沉积速率为 0.5/。

7. 外部接触形成

  1. 将75毫米厚的氧化锡 (ito) (2o ~sno 2 = 95/ (重量百分比) 中, 99.99) 层按 rf 溅射在样品的 gap 侧 (rf 功率为 1kw, 压力为 5 torr), 氧气流量为 2.2 sccm。
  2. 卸载样品并将其翻转过来。然后在 ito 台面沉积的样品上使用台面阴影掩模。
  3. 通过射频溅射保存75毫米厚的 ito。将200毫米厚的银 (rf 功率为 1千瓦, 压力为 8torr) 保存为覆盖手指阴影面罩的手指。将200毫米厚的银存放在样品的 gap 侧作为后部接触。
  4. 在220°c 的常压下将样品退火在炉膛中。

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Representative Results

为 gap/si 收集了原子力显微镜 (afm) 图像和高分辨率 x 射线衍射 (xrd) 扫描, 包括 (004) 反射附近的摇摆曲线和 (224) 反射附近的对等空间图 (rsm)结构 (图 1)。利用 afm 对 mpe 生长的 gap 表面形貌进行了表征, 并利用 xrd 对 gap 层的晶体质量进行了检测。测定了 gap/si 结构和 si 散体的有效小载货寿命, 考察了本工作中使用的寿命保持方法的有效性。收集了 gap/si 最终器件的外部量子效率 (eqe)、表面反射、伪光 j-v (suns-voc) 和光 j-v (图 2)。内部量子效率 (iqe) 是由反射修正的 eqe 数据产生的。浅和伪 j-v 参数如表 1所示。开路电压 (voc) 分别为 618 mv 和 598 mv, 从结构 a 和 b 实现了13.1% 和14.1% 的效率。结构 b 中的 moox 层作为孔选择性接触, 其表现优于结构 a 中的 a-si:h。

Figure 1
图 1: gap/si 结构的 gap 层的表征.(a) 25 毫米厚的 gap表面的 1 x 1 微米 2 afm 图像。(b) si 和 gap (004) 反射 (结构的拟合曲线 (红色) 附近的相干双晶体 (dc)-2 摇摆曲线 (黑色)。(c) (224) 衍射点的相互空间图。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: gap/si 异质结装置的电气特性.(a) gap/si 结构 (黑点) 和 si 散装寿命 (红点) 的有效小载货寿命。a-Si/Si/GaP (结构 a) (黑色) 和 moox/si/gap (结构 b) (蓝色) 的 iqe 和表面反射光谱。(c) a-Si/Si/GaP 装置的轻型 j-v (黑色) 和伪灯 j-v (红色)。(d) moo x/si/gap 装置的轻型 j-v (黑色) 和伪灯 j-v (红色).请点击这里查看此图的较大版本.

voc jsc Ff ff0 woc 0
(mv) (ma/cm2) (%) (%) (mv) (%) (%)
结构 a 618 33。1 64 80 522 13。1 16。5
结构 b 598 34。3 69 80 542 14。1 16。9

表1。高普西异质结太阳能电池的光值和伪 j-v 值。

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Discussion

通过 mbe 在富 p 硅表面上外延生长了一个公称25毫米厚的 gap 层。为了在硅基板上生长较好的 gap 层质量, 最好采用相对较低的 v/iii (p/ga) 比。为了实现重组中心的高导电性和低密度, 必须具有良好的 gap 层晶体质量。gap 表面的 afm 根均方 (rms) 为 ~ 0.52 nm, 表面光滑, 无坑, 表明晶体质量高, 螺纹位错密度低 (图 1a)。此外, 从-2 摇摆曲线 (图 1b) 中观察到了摆斯洛松条纹, 表明了光滑的界面。从三晶摇摆曲线测量的 gap 峰半最大半最大 (fwhm) 的全宽为 ~ 14 弧秒, 计算的螺纹位错密度为 ~ 2x106 cm-2。gap/si 样品 (224) 衍射点附近的 rsm (图 1c) 显示出相干 gap 和 si 峰, 这表明 gap 与具有良好结晶质量的硅基板完全应变。

实现高性能硅基太阳能电池的关键一步是在 gap 的整个沉积过程中保持较高的硅二极载波寿命。结果表明, 通过在 gap 生长之前插入 n + 层, 可以很好地维护 si 批量生存期 (最高可达毫秒水平)。此外, 在 mbe 腔中, gap/si 的寿命在 gap 生长后的长度为 ~ 100μs。实现的高寿命表明了一种很有前途的器件性能 (如图2c 所示)。gap/硅异质连接子 (a-Si/Si/GaP (结构 a) 和 moo x/si/gap (结构 b)) 的光和伪 j-v 参数列于表 1, 在辐射强度为 1kw m-2 的 am1.5 g 条件下测量.虽然在本工作中将 ito 和 ag 作为接触层应用于 gap 层, 但为了更好地提高 gap函 si 太阳能电池的性能, 建议优化 ito 厚度、透明度及其导电性。

在这项工作中, moox也被用作孔选择性接触, 以进一步提高短波长的载波收集效率。与 a-si 层相比, iqe受益于 moo x 较高的带隙, 在短波长状态 (300-600 nm) 下显示出提升。moox/si/gap 太阳能电池比文献12中报告的性能最好的 moox/si 太阳能电池表现出更好的性能, 而没有在 moox和 si 界面之间插入钝化层。

虽然通过上述方法可以实现较高的硅体积寿命, 但 gap/si 结构的小载货寿命仍不能与 a-si 钝化结构相比, 这意味着应进一步提高 gap 层的质量。所证明的方法需要扩散步骤和 snx涂层, 可能会影响硅的表面质量;因此, 后续的 gap 晶体质量会受到影响。此外, 还可以进行 x 射线光电子能谱 (xps) 和二次离子质谱 (sims) 法 (sims) 来研究该结构中的 p 扩散剖面。

在这项工作中, 我们已经证明了高性能的 gap/si 异质结太阳能电池通过插入 n + 层的 si 基板之前, gap 生长。该协议可用于保持硅的高小数位携带寿命, 同时不仅在 gap (这里介绍), 而且还在其他 iii-v 或 ii-vi 材料上进行外延生长, 以实现异质结器件。此外, 该方法还可以实现具有高性能硅底电池的多结点太阳能电池。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

作者要感谢 l. ding 和 m. boccard 在本研究中对太阳能电池的加工和测试所做的贡献。作者感谢美国能源部根据 de-e00063335 合同提供的资金, 以及国家科学基金会工程研究中心项目和能源部能源效率和可再生能源办公室提供的资金根据 nsf 合作协定第1号。eec-1041895。太阳能发电实验室的 som dahal 在一定程度上得到了 nsf 合同 eccs-1542160 的支持。

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

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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). IEEE. 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).

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