Desenvolvimento de células solares de alta Performance GaP/Si Heterojunction

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

Aqui, apresentamos um protocolo para desenvolver alta performance GaP/Si heterojunction células solares com uma vida de minoria-portador de Si elevada.

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

Para melhorar a eficiência das células solares de baseados em Si além do seu limite de Shockley-Queisser, o caminho ideal é integrá-los com células solares de III-V-baseado. Neste trabalho, apresentamos as células solares de alta performance GaP/Si heterojunction com alta vida de minoria-portador de Si e cristal de alta qualidade de camadas epitaxiais de GaP. Isso é mostrado através da aplicação de fósforo (P)-camadas de difusão no substrato de Si e uma camada dex do pecado, o tempo de vida das minorias-portador de Si pode ser bem mantido durante o crescimento de GaP na Epitaxia de feixe molecular (MBE). Ao controlar as condições de crescimento, a qualidade de cristal de alta do défice foi cultivada na superfície rica em P Si. A qualidade do filme é caracterizada por microscopia de força atômica e difração de raios x de alta resolução. Além disso, MoOx foi implementado como um buraco-seletivo contato que levou a um aumento significativo da densidade de corrente de curto-circuito. O desempenho alcançado alta dispositivo das células solares GaP/Si heterojunction estabelece um caminho para maior realce do desempenho de dispositivos fotovoltaicos baseados em Si.

Introduction

Tem havido um esforço contínuo sobre a integração de diferentes materiais com incompatibilidades de treliça para reforçar a célula solar total eficiência1,2. A integração de III-V/Si tem o potencial de aumentar a eficiência de células solares de Si atual e substituir os caros substratos de III-V (tais como o GaAs e Ge) com um substrato de Si para aplicações de células solares de multijunções. Entre todos os III-V binário materiais sistemas, Fosfeto de gálio (GaP) é um bom candidato para esta finalidade, como tem a menor incompatibilidade de retículo (~ 0,4%) com Si e uma alta bandgap indireto. Esses recursos podem permitem a integração de alta qualidade do GaP com substrato de Si. Teoricamente mostrou que GaP/Si heterojunction solar células poderiam aumentar a eficiência do emissor passivadas convencional traseira Si células solares3,4 por beneficiar o único banda-deslocamento entre GaP e Si (∆ ev ~1.05 eV e ∆ ec ~0.09 eV). Isto faz diferença um contato de elétron promissor seletiva para células solares de silício. No entanto, para atingir alto desempenho GaP/Si heterojunction células solares, uma alto Si maior tempo de vida e alta qualidade de interface GaP/Si são necessários.

Durante o crescimento dos materiais III-V sobre um substrato de Si por Epitaxia de feixe molecular (MBE) e metalorgânicos Epitaxia de fase de vapor (MOVPE), degradação de vida importante Si tem sido amplamente observada5,6,7, 8 , 9. foi revelado que a degradação da vida acontece principalmente durante o tratamento térmico das bolachas de Si nos reatores, que é necessário para a reconstrução de dessorção e/ou superfície de óxido superfície antes o crescimento epitaxial de10. Essa degradação foi atribuída a extrínseca difusão de contaminantes originada-se o crescimento reactores5,7. Várias abordagens têm sido propostas para suprimir essa degradação de tempo de vida de Si. Em nosso trabalho anterior, demonstrámos dois métodos em que a degradação de tempo de vida de Si pode ser significativamente suprimida. O primeiro método foi demonstrado pela introdução do pecadox como uma barreira de difusão7 e o segundo introduzindo a camada P-difusão como um agente de absorção11 ao substrato de Si.

Neste trabalho, temos demonstrado alta performance GaP/Si solar células com base em abordagens acima mencionadas para mitigar a degradação de vida de em massa de silício. As técnicas utilizadas para preservar a vida de Si podem ter aplicações amplas em células solares de multijunções com células ativas de fundo de Si e dispositivos eletrônicos, como CMOS de alta mobilidade. Neste protocolo detalhado, os detalhes da fabricação do GaP/Si heterojunction células solares, incluindo Si bolacha de limpeza, P-difusão na fornalha, crescimento de GaP e GaP/Si solar células de processamento, são apresentados.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Atenção: Por favor consulte todas as fichas de dados de segurança relevantes (MSDS) antes de lidar com produtos químicos. Por favor, use todas as práticas de segurança adequadas ao executar uma fabricação de células solares, incluindo a coifa e equipamento de protecção pessoal (óculos de segurança, luvas, jaleco, calça longa-metragem, sapatos fechados).

1. Si Wafer limpeza

  1. Limpar wafers de Si na solução Piranha (H2O2/h2SO4) a 110 ° C.
    1. Para produzir solução de Piranha, encher a banheira de ácido (tanque de polietileno de alta densidade e, mais adiante) com 15,14 L de H2então4 (96%) e, em seguida, 1,8 L de H2O2 (30%).
    2. Espere até que a temperatura da solução para estabilizar a 110 ° C.
    3. Coloque 4-polegadas-diâmetro, flutuar-zone (FZ), tipo n e duplo-lado-lustrado wafers de Si em uma limpo 4" bolacha gaveta (polipropileno e, mais adiante) e coloque o barco num banho de Piranha durante 10 min.
    4. Enxaguar por 10 minutos com água desionizada (DI).
  2. Limpar wafers de Si com a RCA limpeza solução a 74 ° C.
    1. Prepare uma solução diluída de HCl:H2O2. Encher a banheira de ácido com 13,2 L de DI H2O e 2.2 L de HCl. Spike a solução com 2,2 litros de H2O2 e ligar o aquecedor.
    2. Espere até que a temperatura da solução para estabilizar a 74 ° C antes do uso.
    3. Coloque bolachas de Si em uma gaveta de bolacha limpo 4" e coloque bolachas na solução RCA para 10 min.
    4. Enxaguar com água por 10 min.
  3. Limpe wafers de Si em solução tamponada óxido Etch (BOE).
    1. Despeje 15,14 litros de solução BOE em banho de ácido.
    2. Posicione a fita de bolacha 4" no banho por 3 min.
    3. Enxaguar por 10 minutos com água.
    4. Seque a bolacha seca N2.

2. P-difusão em forno de difusão

  1. Coloque uma bolacha limpada em um barco de quartzo de difusão.
  2. Carregá-lo em um tubo de quartzo que tem uma base temperatura de 800 ° C. A temperatura do forno para 820 ° C no ambiente2 N de rampa. 820 ° c, comece a fluir o gás portador2 N que bolhas através de oxicloreto de fósforo (POCl3), no sccm 1000. Depois de 15 min, desligar o gás de portador de2 N e aumentar a temperatura até 800 ° C antes de remover as amostras.
  3. Coloca as amostras em uma solução BOE por 10 min remover o vidro de silicato de fósforo (PSG) e em seguida, executar um 10-min enxágue em água DI.

3. revestimento dex pecado por PECVD

  1. Colocar a bolacha em um barco limpo e mergulhá-lo em um banho BOE para 1 min remover o óxido nativo na superfície.
  2. Enxaguar por 10 minutos com água.
  3. Seque a bolacha com uma arma de2 N seca.
  4. Coloque a bolacha de Si em um portador de Si limpo (monocristalino 156mm Si).
  5. Carrega a amostra na câmara de deposição (PECVD) reforçada vapor químico de plasma.
  6. Depósito de 150 nm de espessura (38,5 s) SiNx a 350 ° C, na câmara. Depósito de pecadox no poder de 300 W RF com uma base pressão de 3,5 Torr e 60 sccm de SiH4 como uma fonte de silício e 60 sccm de NH3 como uma fonte de N (sccm 2000 de N2 foi usado como diluente).
    1. Confirmar a taxa de crescimento do pecadox (3.9 nm/s), mediante depósito de filmes dex pecado com tempos diferentes de deposição em pastilhas polidas e medir as espessuras por elipsometria espectroscópicos de ângulo variável (vaso).

4. lacuna crescimento por MBE

  1. Após a deposição dex pecado, carrega a bolacha na câmara da MBE.
  2. Gerava na câmara introdutória (180 ° C por 3 h) e, em seguida, gerava na câmara reserva (240 ° C por 2 h). Carregar em para a câmara de crescimento e asse a 850 ° C por 10 min.
  3. Diminuir a temperatura para 580 ° C. Temperatura da célula de efusão de aumento Ga para produzir a pressão de ~2.71×10-7 Torr feixe-equivalente (BEP) e temperatura da célula de efusão de Si a 1250 ° C.
  4. Ajuste o posicionador de válvula p bolacha para alcançar ~1.16×10-6 Torr BEP. Abra as persianas Ga, P e Si e crescer 25 nm de espessura GaP com um método de crescimento interrompido (10 ciclos de 5 s aberto e 5 s fechado) seguido por 121 s de crescimento fichas (ou seja, abrir o Ga e p persianas simultaneamente).
  5. Diminuir a temperatura do substrato a 200 ° C e descarregar o exemplo da câmara de vácuo.

5. remover camadas dex n + e pecado volta pela gravura molhada

  1. Cubra a superfície de abertura com uma fita protetora para protegê-lo contra os danos de HF.
  2. Prepare ~ 300 mL de solução de HF 49% num copo de plástico.
  3. Coloca a amostra na solução de HF por 5 min remover totalmente a camada dex de pecado.
  4. Remover a fita protetora, enxágue com água e seque, N2.
  5. Cubra a superfície de abertura com uma nova fita protetora.
  6. Preparar a solução HNA num copo de plástico (uma mistura de ácido fluorídrico (HF) (50 mL), ácido nítrico (HNO3) (365 mL) e ácidos acéticos (CH3COOH) (85 mL)) à temperatura ambiente.
    Atenção: Coloque cuidadosamente a bolacha na solução para evitar HNA penetrando na superfície de GaP.
  7. Colocar a amostra na solução HNA por 3 min.
  8. Remover a fita protetora e passe por água DI. Seco por N2.

6. buraco-seletiva formação contato no lado de Si próprias

  1. Cleave a bolacha com uma caneta de diamante em quatro trimestres.
  2. Limpe cuidadosamente as amostras em um tanque de água DI.
  3. Limpar as amostras em um banho BOE por 30 s para remover o óxido nativo da superfície.
  4. Enxaguar nas bolachas no DI água e depois seque por N2.
  5. Depositar uma 50 nm de espessura a-Si: H por PECVD das amostras para verificar o tempo de vida de Si.
    1. Depositar o um-Si: camada de H a potência de RF W 60 com uma pressão de 3,2 Torr e 40 sccm de SiH4 como fonte de silício (200 sccm de H2 foi usado como diluente).
    2. Confirmar a taxa de crescimento de um-Si: H (1,6 nm/s) depositar um-Si filmes com tempos diferentes de deposição em pastilhas polidas e medindo a espessura com vaso.
  6. Depósito (i) por-Si (9 nm) e (p +) um-Si (16 nm) no lado gravado (frente) de uma amostra separada de Si por PECVD.
    1. Depositar a camada de um-Si do tipo p a potência de RF W 37 com uma pressão de 3,2 Torr e 40 sccm de SiH4 como fonte de silício e sccm 18 de B [CH3]3 como o dopant do boro (197 sccm de H2 foi usado como diluente).
    2. Confirme a taxa de crescimento do tipo p-a-Si (2,0 nm/s) depositar um-Si filmes com tempos diferentes de crescimento sobre as bolachas polidas e medindo as espessuras com vaso.
  7. Depositar uma camada dex de MoO 9 do nm de espessura na temperatura de quarto por evaporação térmica de uma fonte de MoO3 (99,99%) com uma taxa de deposição de 0,5 Å / s.

7. externa formação contato

  1. Depósito de 75 nm de espessura índio óxido de estanho (ITO) (em2O3/SnO2 = 95/5 (% peso), 99,99%) camadas do lado do fosso das amostras por pulverização catódica RF (potência de RF de 1 kW e pressão de 5 Torr) com uma taxa de fluxo de oxigênio de 2.2 sccm.
  2. Descarregar as amostras e entregá-los. Em seguida, use a máscara de sombra da mesa sobre as amostras para deposição de mesa ITO.
  3. Depósito de 75 nm de espessura ITO por pulverização catódica RF. Depósito de 200 nm de espessura prata (potência de RF de 1 kW e pressão de 8 Torr) para os dedos cobrindo a máscara de sombra do dedo. Depósito de 200 nm de espessura prata do lado de abertura das amostras contato de volta.
  4. Recozer as amostras em uma fornalha sob pressão atmosférica a 220 ° C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Imagens de força atômica (AFM) a microscopia e exames de alta resolução de difração de raios x (XRD), incluindo a balanço curva nas proximidades da reflexão (004) e o mapa de espaço recíproco (RSM) nas proximidades de reflexão (224), foram coletados para o GaP/Si estrutura (Figura 1). O AFM foi usado para caracterizar a morfologia de superfície do GaP MBE-crescido e XRD foi usado para examinar a qualidade do cristal da camada de GaP. O tempo de vida de minoria-transportadora eficaz da estrutura GaP/Si e granel Si foram medidos para examinar a eficácia dos métodos utilizados neste trabalho de preservar o tempo de vida. Eficiência quântica externa (EQE), reflexão, pseudo luz J-V (sóis-Voc), de superfície e J-V do GaP/Si dispositivos finais foram coletados de luz (Figura 2). A eficiência quântica interno (IQE) foi gerada a partir da reflexão corrigidos dados EQE. Os parâmetros de J-V luz e pseudo estão listados na tabela 1. Eficiências de 13,1% e 14,1%, com uma tensão de circuito aberto (Voc) de 618 mV e 598 mV são conseguidos da estrutura A e B, respectivamente. A camada dex MoO na estrutura B como um buraco-seletivo contato desempenho melhor do que o melhor que o a-Si: H na estrutura A.

Figure 1
Figura 1: caracterização da camada GaP da estrutura GaP/Si. (a) 1 x 1 μm2 imagem AFM da superfície de GaP de 25 nm de espessura. (b) as cristal duplo coerente (DC) ω-2 θ balanço curva (preto) nas proximidades de Si e GaP (004) reflexões (também é apresentada uma curva equipada (vermelha) da estrutura). (c) mapa do espaço recíproco de pontos de difração (224). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: características elétricas dos dispositivos GaP/Si heterojunction. a minoria-transportadora efetiva vida de estrutura GaP/Si (pontos pretos) e Si maior tempo de vida (pontos vermelhos). (b) o IQE e espectros de superfície de reflexão de um-Si/Si/GaP (estrutura A) (preto) e MoOx/Si/GaP (estrutura) B (azul). (c) luz J-V (preto) e pseudo luz J-V (vermelho) do dispositivo de um-Si/Si/GaP. (d) luz J-V (preto) e pseudo luz J-V (vermelho) do dispositivo de /Si/GaPxMoO. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

VOC JSC FF FF,0 WOC Η Η0
(mV) (mA/cm2) (%) (%) (mV) (%) (%)
Estrutura A 618 33.1 64 80 522 13.1 16.5
Estrutura B 598 34.3 69 80 542 14.1 16,9

Tabela 1. Luz e pseudo valores de J-V para as células solares de heterojunctions GaP/Si.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Uma camada de abertura nominal 25 nm de espessura epitaxially foi cultivada em uma superfície rica em P Si via MBE. Para o cultivo de uma melhor qualidade da camada de GaP em substratos de Si, um relativamente baixo V/III (P/Ga) proporção é preferível. Uma qualidade boa de cristal da camada de GaP é necessária para atingir alta condutividade e baixa densidade dos centros de recombinação. O AFM root-mean-square (RMS) da superfície GaP é nm ~0.52 mostrando uma superfície lisa com sem caroços, indicativos de qualidade de cristal de alta com uma baixa densidade de luxação segmentação (Figura 1a). Além disso, franjas de pendellosung foram observadas da ω-2 θ balanço curva (Figura 1b) indicativo de interfaces lisas. A largura total no máximo meia (FWHM) do pico do GaP, medido a partir o triplo cristal ω curva de balanço é ~ 14 segundos de arco e a densidade de luxação segmentação calculada é ~ 2 × 106 cm-2. O RSM (Figura 1C), nas proximidades (224) pontos de difração da amostra GaP/Si mostra picos de GaP e Si coerentes, que indica a que Gap é totalmente esticado para o substrato de Si com boa qualidade cristalina.

O passo crítico de atingir alto desempenho baseado em Si células solares é manter altas vidas de minoria-portador de Si durante todo o depoimento da GaP. É mostrado que, inserindo a camada n + antes o crescimento da GaP, o tempo de vida em massa de Si pode ser bem conservado (até um nível de milissegundos). Além disso, o tempo de vida do GaP/Si foi medido para ser ~ 100 μs, após crescimento de lacuna na câmara MBE. O tempo de vida elevado alcançado de Si indica um desempenho promissor do dispositivo (como mostrado na Figura 2C). Os parâmetros de J-V luz e pseudo para células solares de GaP/Si heterojunctions (a-Si/Si/GaP (estrutura A) e MoOx/Si/GaP (estrutura B)) estão listados na tabela 1, medido sob uma condição de AM1.5G, com intensidade de irradiação de 1 kW m-2. Enquanto ITO e Ag foram aplicados como as camadas de contato para a camada de lacuna neste trabalho, no entanto, para obter um melhor desempenho de células solares de GaP/Si, é recomendável para otimizar sua condutividade, transparência e espessura de ITO.

Neste trabalho, MoOx também foi usado como um contato seletivo do buraco para melhorar ainda mais a eficiência de coleta da transportadora em comprimentos de onda curtas. Beneficiando o maior bandgap do MoOx em comparação com as camadas de um-Si, o IQE mostra um impulso em regime de curto comprimento de onda (300-600 nm). Célula solar de MoOx/Si/GaP demonstrou um desempenho melhor do que o melhor desempenho de células solares /Si doxMoO relatadas na literatura12 sem inserir a camada de passivação entre MoOx e interface de Si.

Apesar de toda uma vida de granel de Si alta pode ser alcançada da abordagem acima mencionada, o tempo de vida de minoria-portador de estrutura GaP/Si é ainda não comparável a um-Si passivadas estruturas, que implica que a qualidade da camada GaP deveria ser melhorada. A abordagem demonstraram que requer uma etapa de difusão e a camada de revestimento do pecadox poderia afetar a qualidade da superfície de Si; daí, a qualidade de cristal GaP subsequente pode ser impactada. Além disso, um raio-x espectroscopia de fotoelétron (XPS) e espectrometria de massa de iões secundários (SIMS) pode ser realizada para investigar o perfil de P-difusão nessa estrutura.

Neste trabalho, temos demonstrado as alto desempenho GaP/Si heterojunction solar células inserindo n + camadas em substratos de Si antes do crescimento do fosso. Este protocolo pode ser aplicado para manter uma vida de alta minoria-portador de Si enquanto epitaxially crescendo não só GaP (apresentada aqui) mas também para outro III-V ou materiais de II-VI para alcançar heterojunction dispositivos. Além disso, células solares de multijunções com células de fundo de Si de alto desempenho pode ser realizadas por esta abordagem.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Os autores gostaria agradecer Ding L. e M. Boccard por suas contribuições no processamento e teste das células solares neste estudo. Os autores reconhecem o financiamento do departamento de energia dos EUA, sob contrato DE-EE0006335 e o programa engenharia de centro de pesquisa da National Science Foundation e o escritório de eficiência energética e energia renovável do departamento de energia sob n º acordo cooperativo de NSF CEE-1041895. Som da Silva Moreira no laboratório de energia Solar foi apoiada, em parte, pelo contrato 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

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