Desarrollo de células solares de alto rendimiento brecha/Si Heterojunction

Engineering

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Summary

Aquí, presentamos un protocolo para desarrollar alto rendimiento GaP/Si células solares de heterounión con alta Si minoría portador toda la vida.

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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

Para mejorar la eficiencia de células solares basadas en Si más allá de su límite Shockley-Queisser, la ruta óptima es integrarlas con las células solares basadas en III-V. En este trabajo, presentamos células solares de alto rendimiento brecha/Si heterojunction con una alta vida útil del portador de la minoría de Si y cristal alta calidad de capas epitaxiales de GaP. Se muestra que mediante la aplicación de fósforo (P)-capas de difusión en el sustrato Si y una capa dex de pecado, la vida del portador de la minoría Si puede ser bien mantenida durante el crecimiento de la brecha en el epitaxy de viga molecular (MBE). Controlando las condiciones de crecimiento, la calidad de cristal alto de boquete se cultivaba en la superficie P-rico Si. La calidad de la película se caracteriza por microscopía de fuerza atómica y difracción de rayos x de alta resolución. Además, MoOx se implementó como un contacto selectivo de agujero que llevó a un aumento significativo en la densidad de corriente de cortocircuito. El rendimiento alcanzado alta de las células de solares de heterounión GaP/Si establece una ruta para mejorar aún más el rendimiento de dispositivos fotovoltaicos basados en Si.

Introduction

Ha habido un esfuerzo continuo en la integración de diferentes materiales con desajustes del enrejado con el fin de mejorar la total eficiencia de células solares1,2. La integración de III-V/Si tiene el potencial para aumentar la eficiencia de células solares de Si actual y reemplazar los sustratos caros de III-V (como el GaAs y el Ge) con un sustrato de Si para aplicaciones de células solares multiunión. Entre todos sistemas material binario de III-V, fosfuro de galio (GaP) es un buen candidato para este propósito, como lo ha hecho el menor desajuste de enrejado (~ 0.4%) y Si un bandgap indirecto alto. Estas características permiten alta calidad integración de brecha con un sustrato de Si. Se ha demostrado teóricamente que GaP/Si células solares de heterounión podría mejorar la eficacia del emisor apaciguado convencional posterior Si células solares3,4 por beneficiarse del único banda-desplazamiento entre GaP y Si (∆Ev ~1.05 eV y ∆Ec ~0.09 eV). Esto hace diferencia un prometedor contacto selectivo electrón para células solares de silicio. Sin embargo, para lograr células solares de alto rendimiento brecha/Si heterounión, una alta brecha/Si interfaz calidad y alto curso de la vida a granel Si se requieren.

Durante el crecimiento de materiales III-V en un substrato de Si por epitaxia de haces moleculares (MBE) y epitaxy de la fase de vapor de metalorganic (MOVPE), degradación significativa de toda la vida Si se ha observado ampliamente5,6,7, 8 , 9. se reveló que la degradación de la vida ocurre principalmente durante el tratamiento térmico de las obleas de Si en los reactores, que se requiere para la reconstrucción de desorción o superficie de óxido superficial antes del crecimiento epitaxial10. Esta degradación fue atribuida a la difusión extrínseca de contaminantes originados de los reactores de crecimiento5,7. Se han propuesto varios enfoques para suprimir esta degradación de toda la vida Si. En nuestro trabajo anterior, hemos demostrado dos métodos en que la degradación de toda la vida Si puede ser suprimida significativamente. El primer método fue demostrado por la introducción del pecadox como una barrera de difusión7 y la segunda mediante la introducción de la capa de difusión de P como un agente de seguir11 al sustrato Si.

En este trabajo, hemos demostrado alto rendimiento brecha/Si células solares basadas en los enfoques mencionados para mitigar la degradación de toda la vida de silicio a granel. Las técnicas utilizadas para preservar la vida Si pueden tener amplias aplicaciones en las células solares multiunión con células activas de fondo Si y dispositivos electrónicos como el CMOS de alta movilidad. En este protocolo detallado, se presentan los detalles de fabricación de GaP/Si heterojunction células solares, incluyendo la limpieza de obleas de Si, P-difusión en el horno, crecimiento de la brecha y las células solares de la brecha/Si proceso.

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Protocol

PRECAUCIÓN: Por favor consulte todas hojas de datos de seguridad material (MSDS) antes de tratar con productos químicos. Utilice todas las prácticas de seguridad apropiadas cuando se realiza una fabricación de células solares como la campana y equipo de protección personal (gafas, guantes, bata, pantalones largos, zapatos cerrados).

1. Si oblea limpieza

  1. Limpiar las obleas de Si en la solución de piraña (H2O2/h2SO4) a 110 ° C.
    1. Para producir solución Piraña, llene la bañera de ácido (tanque de polietileno de alta densidad y más allá) con 15,14 L de H2hasta4 (96%) y 1.8 L de H2O2 (30%).
    2. Espere que la temperatura de la solución para estabilizar a 110 ° C.
    3. 4 pulgadas de diámetro, zona de flotador (FZ), obleas de Si tipo n y doble-lado-pulido en un limpio 4" oblea cassette (polipropileno y más allá) y el barco en el baño de piraña durante 10 minutos.
    4. Enjuague durante 10 minutos con agua desionizada (DI).
  2. Limpiar las obleas de Si con RCA solución a 74 ° C.
    1. Preparar una solución diluida de HCl:H2O2. Llenan el baño ácido de 13,2 L de DI H2O 2.2 L de HCl. Spike la solución con 2.2 L de H2O2 y encender el calentador.
    2. Espere a que la temperatura de la solución para estabilizar a 74 ° C antes de usar.
    3. Poner las obleas de Si en un cassette limpia 4" oblea y colocar las obleas en la solución RCA durante 10 minutos.
    4. Enjuague con agua desionizada durante 10 minutos.
  3. Limpie las obleas de Si en la solución tampón óxido Etch (BOE).
    1. Vierta 15,14 L de solución de BOE en el baño ácido.
    2. Coloque el cartucho de oblea de 4" en el baño durante 3 minutos.
    3. Enjuague durante 10 minutos con agua desionizada.
    4. Seque la oblea seca N2.

2. difusión de P en el horno de difusión

  1. Poner una oblea limpia en un barco de cuarzo de difusión.
  2. Carga en un tubo de cuarzo que tiene una temperatura base de 800 ° C. Rampa de la temperatura del horno a 820 ° C en el entorno de2 N. A 820 ° C, empezar a fluir el gas de arrastre de2 N que burbujea a través de oxicloruro de fósforo (POCl3) en 1000 sccm. Después de 15 minutos, apague el gas portador del N2 y rampa de temperatura hasta 800 ° C antes de sacar las muestras.
  3. Coloque las muestras en una solución BOE por 10 min quitar el vidrio de silicato de fósforo (PSG) y realizar un enjuague de 10 minutos en agua desionizada.

3. recubrimiento dex pecado por PECVD

  1. Poner la oblea en un bote limpio y sumergir en un baño BOE para 1 minuto eliminar el óxido nativo en la superficie.
  2. Enjuague durante 10 minutos con agua desionizada.
  3. Seque la oblea con una pistola de2 N seco.
  4. Colocar la oblea de Si en un portador de Si limpiado (156 mm monocristalino Si).
  5. Cargar la muestra en la cámara de (PECVD) la deposición de vapor químico mejorado de plasma.
  6. Depósito 150 nm de espesor (38.5 s) pecadox a 350 ° C en la cámara. Depósito del pecadox en 300 W potencia con una presión base de 3,5 Torr y 60 sccm de SiH4 como una fuente de silicio y 60 sccm de NH3 como fuente de N (sccm 2000 de N2 se utilizó como diluyente).
    1. Confirmar la tasa de crecimiento de pecadox (3,9 nm/s) mediante el depósito de películasx de pecado con tiempos diferentes de deposición en obleas pulidas y medir los espesores por Elipsometría espectroscópica de ángulo variable (Jarrón).

4. brecha crecimiento por MBE

  1. Después de la deposición de pecadox , carga la oblea en la cámara de MBE.
  2. Los outgas de la cámara de iniciación (180 ° C por 3 h), luego los outgas de la cámara de amortiguación (240 ° C por 2 h). De la carga en la cámara de crecimiento y horneado a 850 ° C durante 10 minutos.
  3. Disminuir la temperatura de 580 ° C. Temperatura de la célula de efusión del Ga aumento para producir presión de ~2.71×10-7 Torr viga equivalente (BEP) y la temperatura de la célula de efusión del Si a 1250 ° C.
  4. Ajustar el posicionador de la válvula p cracker para lograr ~1.16×10-6 Torr BEP. Abrir las persianas Ga, P y Si y crecen a 25 nm de espesor hueco con un método de crecimiento interrumpido (10 ciclos de s 5 abiertas y 5 s cerrado) seguido por 121 s de crecimiento unshuttered (es decir, abrir Ga y p persianas al mismo tiempo).
  5. Disminuir la temperatura del substrato a 200 ° C y descargar la muestra de la cámara de vacío.

5. Retire el traseras capas dex n + y pecado por aguafuerte mojada

  1. Cubrir la superficie de separación con una cinta protectora para proteger contra el daño de HF.
  2. Preparación de ~ 300 mL de solución de HF de 49% en un vaso de plástico.
  3. Coloque la muestra en la solución de HF durante 5 min eliminar completamente la capa dex de pecado.
  4. Retire la cinta protectora, enjuague con agua desionizada y seque N2.
  5. Cubrir la superficie de separación con una nueva cinta protectora.
  6. HNA la solución en un vaso de precipitados de plástico (una mezcla de ácido fluorhídrico (HF) (50 mL), ácido nítrico (HNO3) (365 mL) y ácidos acético (CH3COOH) (85 mL)) a temperatura ambiente.
    PRECAUCIÓN: Coloque con cuidado la oblea en la solución para evitar HNA penetra en la superficie de separación.
  7. Poner la muestra en la solución HNA durante 3 minutos.
  8. Retire la cinta protectora y enjuague agua desionizada. Seco por N2.

6. agujero selectivo formación contacto en el lado de Si desnudo

  1. Hiende la oblea con una pluma de diamante en cuatro cuartos.
  2. Limpiar cuidadosamente las muestras en un tanque de agua DI.
  3. Limpiar las muestras en un baño BOE de 30 s para quitar el óxido nativo de la superficie.
  4. Enjuague en las obleas en agua desionizada y séquelo por N2.
  5. Depositar un 50 nm de espesor A-si: H por PECVD en una de las muestras para comprobar la vida Si.
    1. A-Si el depósito: capa H de 60 W potencia con una presión de 3,2 Torr y 40 sccm de SiH4 como la fuente de silicio (sccm 200 de H2 se utilizó como diluyente).
    2. Confirmar la tasa de crecimiento de a-Si: H (1,6 nm/s) depositar películas de A-si con tiempos diferentes de deposición en obleas pulidas y midiendo el espesor con florero.
  6. Depósito (i) A-si (9 nm) y (p +) A-si (16 nm) en el grabado (frontal) de una muestra independiente de Si por PECVD.
    1. Depositar la capa de al-Si tipo p en 37 W potencia con una presión de 3,2 Torr y 40 sccm de SiH4 como la fuente de silicio y sccm 18 B [CH3]3 como el dopant de boro (197 sccm de H2 se utilizó como diluyente).
    2. Confirmar la tasa de crecimiento de tipo p a-Si (2.0 nm/s) depositar películas de A-si con tiempos de crecimiento diferente de las obleas pulidas y midiendo los espesores con florero.
  7. Depositar una capa dex 9 nm de grosor MoO en la temperatura por la evaporación térmica de una fuente de MoO3 (99.99%) con una tasa de deposición de 0.5 Å / s.

7. externa formación contacto

  1. Depósito de 75 nm de espesor indio estaño óxido (ITO) (en2O3/SnO2 = 95/5 (% peso), 99.99%) capas en el lado de la brecha de las muestras por RF sputtering (potencia de RF de 1 kW y una presión de 5 Torr) con una tasa de flujo de oxígeno de sccm 2.2.
  2. Descarga las muestras y darles la vuelta. Utilice la máscara de sombra de mesa en las muestras para OIC deposición de mesa.
  3. Depósito de 75 nm de espesor ITO por RF sputtering. Depósito 200 nm de espesor plata (potencia de RF de 1 kW y una presión de 8 Torr) para los dedos cubriendo la máscara de sombra del dedo. Depósito de 200 nm de espesor plata al lado de la brecha de las muestras como el contacto posterior.
  4. Templar las muestras en un horno bajo presión atmosférica a 220 ° C.

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Representative Results

Imágenes de fuerza atómica (AFM) la microscopia y las exploraciones de alta resolución difracción de rayos x (DRX), incluyendo la curva oscilante de la reflexión (004) y el mapa del espacio recíproco (RSM) en las cercanías de reflexión (224), fueron recogidas por el boquete/Si estructura (figura 1). El AFM fue utilizada para caracterizar la morfología superficial de la brecha crecido de MBE y XRD fue utilizado para examinar la calidad cristalina de la capa de diferencia. La vida del efectivo de portador de la minoría de la estructura de brecha/Si y Si fueron medidos para examinar la efectividad de toda la vida conservando los métodos utilizados en este trabajo. Eficiencia cuántica externa (EQE), superficie de reflexión, pseudo luz J-V (soles-Voc) y J-V de la brecha/Si los dispositivos finales se obtuvieron de la luz (figura 2). La eficiencia cuántica interna (IQE) fue generada por la reflexión corrigió datos EQE. Los parámetros de J-V luz y pseudo se enumeran en la tabla 1. Eficiencias de 13.1% y 14,1% con una tensión de circuito abierto (Voc) de 618 mV y 598 mV se obtienen de la estructura A y B, respectivamente. La capa de MoOx en B de la estructura como un contacto selectivo agujero realizado mejor que mejor que el a-Si: H en estructura A.

Figure 1
Figura 1: caracterización de la capa de separación de la estructura de brecha/Si. (a) 1 x 1 μm2 imagen AFM de la superficie de separación 25 nm de espesor. (b) las coherente cristal doble (DC) ω-2θ rocking curve (negra) cerca de Si y brecha (004) reflexiones (también se presenta una curva cabida (rojo) de la estructura). (c) mapa del espacio recíproca de manchas de difracción (224). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: características eléctricas de los dispositivos de heterounión de GaP/Si. (a) la vida del efectivo de portador de la minoría de estructura de brecha/Si (puntos negros) y Si a granel toda la vida (puntos rojos). (b) los espectros de reflexión superficial de un Si/Si/espacio (estructura A) (negro) y MoOx/Si/GaP y IQE (estructura B) (azul). (c) luz J-V (negro) y pseudo luz J-V (rojo) del dispositivo de un Si/Si/espacio. (d) J-V (negro) y pseudo luz J-V (rojo) de MoOx/Si/GaP dispositivo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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

Tabla 1. Luz y pseudo valores de J-V para las de células solares heterojunctions de GaP/Si.

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Discussion

Una capa de separación nominal de 25 nm de espesor epigenéticamente se cultiva en una superficie Si P-rico través de MBE. Para cultivar una mejor calidad de capa de brecha sobre sustratos de Si, un V/III relativamente baja ratio (P/Ga) es preferible. Una calidad de cristal de la capa de vacío es necesaria para lograr la alta conductividad y baja densidad de centros de recombinación. La AFM media cuadrática (RMS) de la superficie de separación es ~0.52 nm mostrando una superficie lisa con sin hoyos, indicativa de cristal alta calidad con una baja densidad de dislocación subprocesos (Figura 1a). Además, franjas de pendellosung se observaron de la ω-2θ mecedora curva (Figura 1b) indicativa de interfaces suave. El ancho medio máximo (FWHM) del pico GaP medido desde el cristal triple ω mecedora curva es ~ 14 segundos de arco y la densidad de dislocación Roscadora calculada es de ~ 2 × 106 cm-2. RSM (figura 1C) en las cercanías de manchas de difracción (224) de la muestra de GaP/Si muestra picos GaP y Si coherente, que indica que espacio se filtra completamente al sustrato Si con buena calidad cristalina.

El paso crítico de alcanzar células solares de alto rendimiento basada en Si es mantener alta Si portador de la minoría cursos de la vida a través de la deposición de vacío. Se muestra mediante la inserción de la capa n + antes el crecimiento de la brecha, la vida de a granel Si puede ser bien mantenida (hasta un nivel de milisegundos). Además, la vida de GaP/Si fue medida para ser ~ 100 μs después de crecimiento de la brecha en la cámara MBE. La vida alta alcanzada de Si indica un rendimiento prometedor (como se muestra en la figura 2 c). Los parámetros de J-V luz y pseudo para las células solares de la heterojunctions de GaP/Si (un Si/Si/espacio (estructura A) y MoOx/Si/GaP (estructura B)) se enumeran en la tabla 1, medido bajo condición AM1.5G con intensidad de la radiación de 1 kW m-2. Mientras que la capa de espacio en este trabajo se aplicaron como las capas de contacto ITO y Ag, sin embargo, para lograr el mejor rendimiento de células solares de distancia/Si, se recomienda optimizar el espesor de ITO, la transparencia y su conductividad.

En este trabajo, MoOx fue utilizado también como un contacto selectivo de agujero para mejorar la eficiencia de colección de portador en longitudes de onda cortas. Aprovechando la mayor bandgap de MoOx en comparación con las capas de A-si la IQE muestra un aumento en el régimen de corta longitud de onda (300-600 nm). La célula MoOx/Si/GaP solar demostró un mejor desempeño que las mejores MoOx/Si las células solares divulgadas en la literatura12 sin la inserción de la capa de pasivación entre MoOx y Si el interfaz.

Aunque desde el enfoque mencionado se logra alta Si a granel toda la vida, la vida del portador de la minoría de estructura de brecha/Si es todavía no es comparable a un-Si estructuras apaciguadas, que implica que la calidad de la capa de separación debe ser mejorada. El enfoque demostrado que requiere un paso de difusión y capa de pecadox podría afectar la calidad superficial de la is; por lo tanto, la calidad de cristal hueco posterior puede ser afectada. Además, de rayos x espectroscopia del fotoelectrón (XPS) y espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS) puede llevarse a cabo para investigar el perfil P-difusión en esta estructura.

En este trabajo, hemos demostrado las células solares de heterounión de alto rendimiento brecha/Si insertando n + capas en sustratos Si antes el crecimiento de la brecha. Este protocolo se puede aplicar para mantener la minoría-portador de por vida Si vez que epigenéticamente no sólo GaP (presentado aquí) sino también a otros III-V o materiales de II-VI para lograr dispositivos de heterounión. Además, las células solares multiunión con células de alto rendimiento Si inferior puede realizarse por este enfoque.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores desean agradecer a L. Ding y Boccard M. por sus contribuciones en el procesamiento y análisis de las células solares en este estudio. Los autores reconocen que la financiación del Departamento de energía estadounidense bajo contrato DE EE0006335 y el programa de centro de investigación ingeniería de la National Science Foundation y la oficina de eficiencia energética y energía renovable del Departamento de energía bajo NSF acuerdo cooperativo no. CEE-1041895. Dahal de SOM en el laboratorio de energía Solar fue apoyada, en parte, por contrato de NSF 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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