Разработка высокопроизводительных разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Здесь мы представляем протокол для разработки высокопроизводительных разрыв/Si гетеропереход солнечных элементов с высоким жизни меньшинств перевозчик Si.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

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

  1. Чистота Si пластин в растворе Пиранья (H2O2ч2т4) при температуре 110 ° C.
    1. Для получения раствора пираньи, заполните кислоты ванна (полиэтилен танк и далее) с 15.14 L H2так4 (96%), а затем 1.8 L H2O2 (30%).
    2. Ждать для температуры раствора должен стабилизироваться на уровне 110 ° C.
    3. 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.
    4. Ополосните в течение 10 мин с дейонизированной водой (DI).
  2. Чистота Si пластин с RCA, моющий раствор на 74 ° C.
    1. 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.
    2. Подождите, пока температура раствора должен стабилизироваться на уровне 74 ° C перед использованием.
    3. Положите Si пластин в кассеты пластин чистый 4» и место пластин в RCA растворе втечение 10 мин.
    4. Промыть водой ди за 10 мин.
  3. Чистота Si пластин в буфер оксид Etch (BOE) решение.
    1. Вливают 15.14 Л BOE раствора кислоты ванна.
    2. Место кассеты пластин 4» в ванной на 3 мин.
    3. Ополосните в течение 10 мин с ди водой.
    4. Насухо сухой N2пластины.

2. P-диффузии в печи диффузии

  1. Положите очищенные пластины в диффузии кварца лодки.
  2. 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.
  3. 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

  1. Поместите пластины в лодке чистой и окунуть его в ванну BOE за 1 мин для удаления собственного оксида на поверхности.
  2. Ополосните в течение 10 мин с ди водой.
  3. Сухие пластины с ружьем сухой N2 .
  4. Место Si пластин на чистый носитель Si (156 мм монокристаллического Si).
  5. Загрузите образец в камеру плазмы расширенной химическое парофазное осаждение (PECVD).
  6. 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).
    1. 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

  1. После SiNx осаждения Загрузите пластины в камере MBE.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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).
  5. Снизьте температуру субстрата до 200 ° C и выгрузить образец из вакуумной камеры.

5. Удалите задней n + и SiNx слои на мокрой травления

  1. Покрытие поверхности разрыв с защитной лентой, чтобы защитить его от повреждений ВЧ.
  2. Подготовьте ~ 300 мл раствора 49% HF в пластиковый стакан.
  3. Поместите образец в ВЧ раствор на 5 минут, чтобы полностью удалить слой SiNx .
  4. Снимите защитную пленку, промойте водой ди и сухой, N2.
  5. Покрытие поверхности разрыв с новой защитной лентой.
  6. 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.
  7. Поместите образец в решении HNA за 3 мин.
  8. Снимите защитную пленку и смыть водой ди. Сухой, N2.

6. отверстие селективный контакт формирования на стороне голые Si

  1. Рассекающий удар пластины с пером алмаз на четыре четверти.
  2. Тщательно очистите образцы в резервуар с водой ди.
  3. Очистить образцы в ванну BOE 30 s для удаления собственного оксида с поверхности.
  4. Промойте пластины в воде ди и затем насухо N2.
  5. Депозит 50 Нм толстая Si: H, PECVD на одном из образцов для проверки существования Si.
    1. 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).
    2. 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.
  6. Депозит (i)-Si (9 Нм) и (p +)-Si (16 Нм) на стороне травления (Фронт) отдельный образец Si, PECVD.
    1. 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).
    2. 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.
  7. 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

  1. 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.
  2. Выгрузить образцы и переверните их. Затем используйте маску Меса тень на образцах для осаждения Меса Ито.
  3. 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.
  4. 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.

Figure 1
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.

Figure 2
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics