高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池の開発

Engineering

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Summary

ここでは、高 Si 少数キャリア寿命の高性能ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を開発するためのプロトコルを提案する.

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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

ショックレー現在に超えた Si 系太陽電池の効率を改善するために最適なパス III V 系太陽電池でそれらを統合することです。この作品は、高 Si 少数キャリア寿命と高結晶品質エピタキシャル成長層がギャップの高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を紹介します。リン (P) を適用することによってことを示した-Si 少数キャリア寿命は分子線エピタキシー法 (MBE) のギャップ成長中に手入れの行き届いた、Si 基板に拡散層と罪x層。成長条件を制御することにより P リッチ Si 表面のギャップの高結晶品質を育った。映画の質は、原子間力顕微鏡および高分解能 x 線回折によって特徴付けられます。さらに、x MoO の大幅な増加につながった穴選択的接触として実装されました、短絡電流密度。ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池の達成の高いデバイスのパフォーマンスは、Si 系太陽電池の性能の更なる向上のためパスを確立します。

Introduction

全体的な太陽電池効率1,2を強化するために異なる格子不整合材料の統合には継続されています。III-V/Si 集積化には、さらに現在の Si 太陽電池の効率を向上し、多接合太陽電池用 Si 基板 (GaAs、Ge) など高価な III-V 基板に置き換える可能性があります。すべて III-V 族バイナリ材料システム、間でリン化ガリウム (ギャップ) Si と高間接バンド ギャップ最小格子不整合 (〜 0.4%) があり、この目的のため良い候補者です。これらの機能は、Si 基板とのギャップの高品質の統合を有効にできます。ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池がギャップと Si の間ユニークなバンド オフセットの恩恵によって従来パッシベーションエミッタ後部 Si 太陽電池3,4の効率を高めることができること理論的に示されている (∆Ev~1.05 eV および ∆Ec ~0.09 eV)。これはギャップにシリコン太陽電池用有望な電子選択的接触を行う.ただし、高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を実現するために高 Si バルク寿命と品質ギャップ/Si インターフェイス必要です。

分子線エピタキシー (MBE) と有機金属気相成長 (MOVPE) 法による Si 基板上の III-V 族材料の成長の間に Si の寿命が大幅に低下観測されている広く5,6,7,8,9. 寿命劣化に対して、原子炉内で Si ウエハの熱処理中に発生する主に、エピタキシャル成長10前に表面酸化脱離および/または表面再構成に必要なことが明らかにされました。この劣化のせいにしたいた成長炉5,7由来の汚染物質の外部拡散。いくつかのアプローチは、この Si 寿命劣化を抑制する提案されている.筆者らは, Si 寿命劣化を大幅抑制できる 2 つの方法を説明してきました。最初のメソッドは、罪x拡散バリア7と Si 基板をゲッタリング エージェント11 P 拡散層を導入することで二つ目の導入によって示されました。

この作品で高パフォーマンス ギャップ/Si 太陽電池シリコン バルク寿命劣化を軽減するために前述のアプローチに基づくを説明してきました。Si の寿命を維持するために使用される技術は、アクティブな Si 下部セルと高移動度 CMOS などの電子機器の多接合太陽電池の広範なアプリケーションを使用できます。この詳細なプロトコル、ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池、Si ウェハ洗浄を含む P 拡散炉、格差の拡大、および処理、ギャップ/Si 太陽電池の作製の詳細が掲載されています。

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Protocol

注意: は、化学物質を取扱う前にすべての関連化学物質等安全データ シート (MSDS) を参照してください。ヒューム フードと保護具 (保護メガネ、手袋、白衣、フルレングスのパンツ、閉じてつま先の靴) などを含む太陽電池作製を実行するときは、すべての適切な安全対策を使用してください。

1. Si ウエハの洗浄

  1. ピラニア溶液中の Si ウェーハをクリーン (H2O2/H2SO4) 110 ° C で
    1. ピラニアのソリューションを生成する (高密度ポリエチレン タンクと来世) 酸性浴で埋める 15.14 L H2のだから4 (96%) し、H2O2 (30%) の 1.8 L。
    2. 110 ° C で安定させるために液の温度を待つ
    3. 4 インチ径、フローティング ゾーン (FZ)、n 型、ダブル側研磨 Si ウェーハをクリーン 4"ウェハ カセット (ポリプロピレン、来世) に、10 分間ピラニア浴でボートを置きます。
    4. (DI) の脱イオン水で 10 分間リンスします。
  2. RCA 洗浄溶液 74 ° C で、Si ウェーハをクリーンします。
    1. HCl:H2O2の希釈液を準備します。13.2 l ・ ディ ・ H2O と H2O2の 2.2 l 塩酸スパイク ソリューションの 2.2 L の酸性の浴室を記入し、ヒーターをオンします。
    2. 使用前に 74 ° C で安定する溶液の温度を待ちます。
    3. Si ウェーハをクリーン 4"ウェハ カセットに入れて、10 分間 RCA ソリューションでウェーハを配置します。
    4. 10 分間の DI 水ですすいでください。
  3. バッファー酸化エッチング (BOE) ソリューション Si ウェーハをクリーンします。
    1. 酸浴中 BOE ソリューションの 15.14 L を注ぐ。
    2. 3 分間お風呂に 4"ウェハ カセットを配置します。
    3. DI 水で 10 分間リンスします。
    4. ウェハを乾燥乾燥 N2

2. 拡散炉中の P 拡散

  1. 拡散石英ボートにきれいウエハを置きます。
  2. 基本温度が 800 ° C の石英管に読み込むN2環境で 820 の ° c の炉の温度をランプします。820 の ° c 1000 sccm にオキシ塩化リン (POCl3) を通じてバブル N2キャリアガスを流れるを開始します。15 分後 N2キャリアガスを切り、サンプルをとる前に 800 ° C まで温度を上げてください。
  3. リン珪酸塩からす (PSG) を削除し、DI 水で 10 分間すすぎを実行に 10 分間、BOE ソリューションにサンプルを配置します。

3 pecvd 法により罪はxコーティング

  1. きれいなボートにウェハーを入れ、表面の自然酸化膜を削除する 1 分間 BOE 浴に浸し。
  2. DI 水で 10 分間リンスします。
  3. 乾燥 N2銃でウェハを乾燥させます。
  4. きれいな Si キャリア (156 mm 単結晶 Si) の Si ウエハを配置します。
  5. プラズマ強化化学気相堆積 (PECVD) 室にサンプルをロードします。
  6. デポジット 150 nm の厚さ (38.5 s) 罪を商工会議所で 350 ° c のx 。3.5 Torr の基本圧とシリコン源として SiH4 60 sccm および NH3 N ソースとして 60 sccm で W RF 電力を 300 で罪xを入金 (2000 N2の sccm は、希釈剤として使用された)。
    1. 洗練されたウェーハに様々 な成膜時の SiNx膜を堆積することにより罪x (3.9 nm/秒) の成長率を確認し、可変角度分光エリプソメトリー (花瓶) で厚さを測定します。

4. ギャップ成長 mbe

  1. x堆積後 MBE チャンバーにウェハをロードします。
  2. 入門の商工会議所 (3 h の 180 ° C) でのアウトガス、バッファー室 (240 ° C 2 時間) でのアウトガスします。成長室へのロードし、850 ° c 10 分焼きます。
  3. 580 ° c. への温度します。~2.71×10-7 Torr ビーム相当圧力 (BEP) と 1250 ° c. に Si 胸水細胞の温度を生成する増加 Ga 胸水細胞の温度
  4. ~1.16×10-6 Torr BEP を達成するために p バルブ付きのクラッカー ポジショナを調整します。ジョージア州、P、および Si のシャッターを開けるし、121 続いて中断された成長法 (閉鎖 5 の s オープンと 5 s の 10 サイクル) と 25 の nm 厚ギャップを成長 unshuttered 成長の s (すなわちGa や p を開いて同時にシャッター)。
  5. 200 ° C に基板温度を下げるし、真空チャンバーからサンプルをアンロードします。

5. ウェット エッチングによる n + と罪x層を削除します。

  1. HF の損傷からそれを保護するために保護テープと GaP 表面をカバーします。
  2. 〜 300 mL のプラスチック ビーカーに 49 %hf 溶液を準備します。
  3. 5 分罪x層を完全に除去するため HF ソリューションにサンプルを配置します。
  4. 保護テープを取り外して、純水ですすいでください N2で乾燥します。
  5. 新しい保護テープと GaP 表面をカバーします。
  6. プラスチック ビーカーに HNA ソリューションを準備 (フッ化水素酸 (HF) (50 mL) 硝酸 (HNO3) の混合物 (365 mL)、酢酸 (CH3COOH) (85 mL)) 室温で。
    注意: 慎重に HNA GaP 表面に浸透を避けるためにソリューションのウェハを配置します。
  7. 3 分間 HNA ソリューションのサンプルを置きます。
  8. 保護テープをはがし、DI 水ですすいでください。N 乾燥2.

6 裸の Si 側に穴選択的形成

  1. 4 つの四分の一にダイヤモンド ペンでウェハを切断します。
  2. ・ ディ ・水タンクのサンプルを徹底的に掃除します。
  3. きれいに 30 の BOE 風呂のサンプル表面の自然酸化膜を削除する s。
  4. DI 水でウェーハの洗浄し、N2で乾燥します。
  5. 預金を 50 nm 厚の Si: Si の有効期間を確認するサンプルの pecvd 法により H。
    1. 入金した A-si: 3.2 torr とシリコン源として SiH4 40 sccm の 60 W RF 電力の H 層 (H2の 200 sccm は、希釈剤として使用された)。
    2. -Si の伸びを確認: H (1.6 nm/秒) で洗練されたウェハ上様々 な成膜時間とアモルファスシリコン薄膜を堆積し、花瓶の厚さを測定します。
  6. 預金 (i) - Si (9 nm) および (p +)、Si (16 nm) pecvd 法により独立した Si 表面エッチング (フロント) 側。
    1. 3.2 torr とシリコン源として SiH4 40 sccm とホウ素不純物として B [CH3]3の 18 sccm の 37 W RF 電力で p 型アモルファスシリコン層を入金 (H2の 197 sccm は、希釈剤として使用された)。
    2. P 型 Si (2.0 nm/秒) の成長率を確認するには、洗練されたウェハ上異なる成長時代とアモルファスシリコン薄膜を堆積し、花瓶と厚さを測定します。
  7. 0.5 の堆積速度と MoO3 (99.99%) ソースから熱蒸発によって部屋の温度で 9 nm 厚武x層を入金 Å/秒。

7. 外部コンタクト形成

  1. 預金 75 nm 厚のインジウム錫酸化物 (ITO) (2O3/SnO2 = 95/5 (重量 %)、99.99%) RF スパッタリング法による試料のギャップ側の層 (1 の高周波電力 kW および 5 torr) 2.2 sccm の酸素流量で。
  2. サンプルをアンロードして、それらを裏返しします。伊藤メサ成膜サンプルをメサ シャドウ マスクを使用します。
  3. RF スパッタリング法で 75 nm 厚の伊藤を入金します。デポジット 200 nm 厚のシルバー (1 の高周波電力 kW および 8 torr) 指カバー指シャドウ マスク。背中に連絡としてサンプルのギャップ側 200 nm 厚の銀を沈殿物します。
  4. 220 ° C での大気圧下で炉内サンプルをアニールします。

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Representative Results

ギャップ/Si の原子間力顕微鏡 (AFM) 画像と (004) 反射と (224) 反射近傍領域逆格子マップ (RSM) ロッキング カーブを含む高解像度の x 線回折 (XRD) スキャンを収集構造 (図 1)。AFM は MBE 成長したギャップの表面の形態を特徴付けるために使用された、XRD が GaP 層の結晶品質を調べるに使用されました。この作業で使用されるメソッドを保持する有効期間の有効性を検討するギャップ/シリコン構造と Si バルクの効果的な少数キャリアの寿命を測定しました。外部量子効率 (EQE) 表面反射、擬似光 J V (太陽-Voc) と光の最終的なデバイスが収集されたギャップ/Si の J V (図 2)。内部量子効率 (端) から生成された反射 EQE データを修正しました。光と擬似 J V パラメーターの表 1のとおりです。13.1% と 618 の開回路電圧 (Voc) 14.1% の効率 mV と 598 mV はそれぞれ A と B の構造から達成されます。穴選択連絡先として構造 b 武x層よりも、Si よりも実行: 構造 A に H

Figure 1
図 1: ギャップ/Si 構造のギャップ層のキャラクタリゼーション。(a) 1 x 25 nm 厚 GaP 表面の 1 μ m2原子間力顕微鏡画像。(b) コヒーレント二重結晶 (DC) ω 2 θ ロッキング Si ・ ギャップ (004) 付近 (黒) 曲線反射 (また構造の近似曲線 (赤) を示す)。(c) 逆格子空間 (224) 回折スポットの地図。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

Figure 2
図 2: ギャップ/Si ヘテロ接合デバイスの電気的特性。(a) ギャップ/Si 構造 (ブラック ドット) の効果的な少数キャリア寿命と Si 一括有効期間 (赤い点)。(b) の端と、Si/Si/ギャップ (構造 A) (黒) と武x/Si/GaP の表面反射スペクトル (構造 B) (青)。(c) 光の J V (ブラック) と擬似の J V (赤) を-Si/Si/ギャップ デバイスの光します。(J V (赤) を武x/Si/GaP デバイスの光 d) 光の J V (ブラック) と擬似。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください

VOC JSC FF FF0 WOC Η Η0
(mV) (mA/cm2) (%) (%) (mV) (%) (%)
構造 A 618 33.1 64 80 522 13.1 16.5
構造 B 598 34.3 69 80 542 14.1 16.9

表 1。ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池の光と擬似 J V の値です。

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Discussion

公称 25 nm 厚 GaP 層エピタキシャルに成長 MBE による P リッチ Si 表面へ。比較的低い V/III Si 基板上 GaP 層の質の向上を成長するには、(P/Ga) 比率が望ましい。GaP 層の良い結晶質は高い導電性と再結合準位の低密度を達成するために必要です。原子間力顕微鏡根二乗平均平方根 (RMS) GaP 表面の ~0.52 nm (図 1 a) 低貫通転位密度の高い結晶品質を示すピットを持たない滑らかな表面を示します。さらに、滑らかなインターフェイスを示す ω 2 θ ロッキング曲線 (図 1 b) からペンデル縞が観察されました。ロッキング カーブ トリプル クリスタル ω から測定ギャップ ピークの半値幅で全幅は 〜 14 秒角、貫通転位密度が計算は 2 〜 10 ×6 cm-2。ギャップ/シリコン サンプル (224) 回折スポット付近 RSM (図 1 c) は、ギャップが完全に結晶質の良い Si 基板に緊張を示すコヒーレント ギャップと Si の峰を示しています。

高性能シリコン系太陽電池を達成するための重要なステップは、ギャップの成膜を通して高 Si 少数キャリアの寿命を維持するためにです。それはできるを示すギャップ成長前に n + 層を挿入することによって Si 一括有効期間 (ミリ秒レベル) まで手入れの行き届いた。また、MBE チャンバのギャップ成長後 ~ 100 μ s をするギャップ/Si ライフタイムを測定しました。Si の達成の高寿命は、(図 2 cに示すように) ように有望なデバイスのパフォーマンスを示します。ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池 (、シリコン/シリコン/ギャップ (構造 A) と武x/Si/GaP (構造 B)) の光と擬似 J V パラメーターは表 1、1 kW m-2照射強度で AM1.5G 条件下で測定したに表示されます。伊藤と Ag は、この作品で GaP 層にコンタクト層として適用された、しかし、ギャップ/Si 太陽電池のより良いパフォーマンスを達成するために勧め、導電性、透明性、伊藤厚さを最適化します。

この作品は、穴の選択的接触としては、武xもさらに短波長でキャリア コレクションの効率を改善するために使用されました。武xのより高いバンド ギャップから恩恵を受けて、端は短波長域 (300-600 nm) でブーストを示しています - Si 層と比較。武x/Si/GaP 太陽電池は、最高のパフォーマンスの文学12xとシリコン界面パッシベーション層を挿入することがなく報告武x/Si 太陽電池よりも高性能を示した。

高 Si バルク寿命は前述のアプローチから実現できるギャップ/Si 構造の少数キャリア寿命がまだ - Si 表面不動態化構造に匹敵するギャップ レイヤーの画質がさらに改善されるべきことを意味します。Si の表面の品質に影響を与える可能性拡散ステップと罪xコーティング層を必要とする実証済みアプローチしたがって、後続のギャップ結晶の品質は影響を受けます。さらに、x 線光電子分光法 (XPS) と、この構造体の P 拡散プロファイルを調査する二次イオン質量分析 (SIMS) を行うことができます。

今回、格差の拡大の前に Si 基板上に n + 層を挿入することにより高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を説明してきました。このプロトコルは、Si のヘテロ接合デバイスを達成するためにだけでなく、ギャップ (ここで示された) だけでなく他の III-V または II-VI 材料をエピタキシャル成長中の高少数キャリア寿命を維持するために適用できます。さらに、高性能 Si 下細胞の多接合太陽電池は、このアプローチによって実現できます。

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Disclosures

著者が明らかに何もありません。

Acknowledgments

著者は、処理し、本研究では太陽電池のテストの彼らの貢献のため l. と m. Boccard を感謝したいです。著者が認める契約・ デ ・ EE0006335 の下で米国エネルギー省と全米科学財団とエネルギー効率のオフィスの工学研究センター プログラム、エネルギー省の再生可能エネルギーからの資金NSF の協力協定号下EEC-1041895。Som Dahal 太陽パワー研究室によって支えられた、一部では、NSF 契約 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

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References

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