Développement de cellules solaires de hautes performances GaP/Si hétérojonction

Engineering

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Summary

Nous présentons ici un protocole visant à développer haute performance GaP/Si hétérojonction cellules solaires avec une durée de vie élevée Si porteurs minoritaires.

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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

Afin d’améliorer l’efficacité des cellules solaires Si au-delà de leur limite de Shockley-Queisser, le chemin optimal est de les intégrer avec des cellules solaires à base de III-V. Dans ce travail, nous présentons haute performance GaP/Si hétérojonction cellules solaires avec une grande durée de vie Si porteurs minoritaires et une qualité de haute Cristallerie de couches épitaxiales de GaP. On montre qu’en appliquant le phosphore (P)-couches de diffusion dans le substrat Si et une couche de SiNx , la durée de vie Si porteurs minoritaires peut être bien entretenue au cours de la croissance de l’écart de l’épitaxie par jet moléculaire (MBE). En contrôlant les conditions de croissance, la qualité haute Cristallerie de GaP a été cultivée sur la surface Si riches en P. La qualité du film est caractérisée par microscopie à force atomique et diffraction de rayons x à haute résolution. En outre, MoOx a été réalisé dans un contact trou sélectif qui a conduit à une augmentation significative de la densité de courant de court-circuit. La performance de l’appareil haute atteint des cellules solaires à hétérojonction GaP/Si établit un chemin pour davantage d’amélioration de la performance des dispositifs photovoltaïques à base de Si.

Introduction

Il y a eu un effort constant sur l’intégration des différents matériaux avec treillis inadéquations afin d’améliorer ensemble cellule solaire efficacité1,2. L’intégration de III-V/Si a le potentiel pour accroître l’efficacité des cellules solaires Si actuelle et remplacer les substrats coûteux de III-V (par exemple GaAs et Ge) avec un substrat Si pour des applications de cellules solaires multi-jonctions. Parmi tous les systèmes de matériel binaires III-V, Phosphure de gallium (GaP) est un bon candidat à cet effet, comme il l’a le plus petit réseau-incompatibilité (~ 0,4 %) avec TR et un haut à bande interdite indirecte. Ces fonctionnalités peuvent activer l’intégration de la qualité de GaP avec substrat Si. Il a été démontré théoriquement que GaP/Si des cellules solaires à hétérojonction pourrait accroître l’efficacité des classiques émetteur passivé arrière Si des cellules solaires3,4 en profitant de l’unique bande-offset entre GaP et TR (∆Ev ~1.05 et ∆Ec ~0.09 eV). Cela rend à GaP un prometteur contact sélective électrons des cellules solaires en silicium. Toutefois, afin d’atteindre les cellules solaires de hautes performances GaP/Si hétérojonction, une grande durée de vie Si en vrac et haute qualité d’interface de GaP/Si sont nécessaires.

Au cours de la croissance de matériaux III-V sur un substrat Si par épitaxie par jet moléculaire (MBE) et metalorganic épitaxie en phase vapeur (EPVOM), dégradation de vie Si importante a été largement observée5,6,7, 8 , 9. il a été révélé que la dégradation de la vie arrive principalement pendant le traitement thermique des copeaux Si dans les réacteurs, qui est nécessaire pour la reconstruction de surface et/ou de désorption oxyde de surface avant la croissance épitaxiale de10. Cette dégradation a été attribuée à la diffusion extrinsèque des contaminants provenant de la croissance réacteurs5,7. Plusieurs approches ont été proposées pour supprimer cette dégradation de vie Si. Dans nos travaux précédents, nous avons démontré deux méthodes dont la dégradation de vie Si peut être significativement supprimée. La première méthode a été démontrée par l’introduction de SiNx comme une barrière de diffusion7 et la deuxième en introduisant la couche P-diffusion comme un agent de rassemblant11 pour le substrat Si.

Dans ce travail, nous avons démontré haute performance GaP/Si des cellules solaires basées sur les approches susmentionnées afin d’atténuer la dégradation de vie silicium en bloc. Les techniques utilisées pour préserver la durée de vie Si peuvent avoir des applications larges dans des cellules solaires multi-jonctions avec cellules de fond Si actives et des appareils électroniques tels que CMOS haute mobilité. Dans ce protocole détaillé, les détails de fabrication de GaP/Si hétérojonction cellules solaires, y compris Si wafer nettoyage, P-diffusion dans le four, la croissance de GaP et GaP/Si des cellules solaires de traitement, sont présentés.

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Protocol

ATTENTION : Veuillez consulter toutes pertinentes fiches signalétiques (FS) avant de traiter avec des produits chimiques. Copiez toutes les pratiques de sécurité qui s’imposent lorsque vous effectuez une fabrication de cellules solaires, y compris la hotte de laboratoire et des équipements de protection individuelle (lunettes, gants, blouse, pantalons longs, chaussures fermées).

1. Si Wafer nettoyage

  1. Nettoyer les plaquettes Si en solution de Piranha (H2O2/h2SO4) à 110 ° C.
    1. Pour produire la solution Piranha, remplissez le bain d’acide (réservoir en polyéthylène haute densité et au-delà) avec 15,14 L H2SO4 (96 %), puis 1,8 L H2O2 (30 %).
    2. Attendez que la température de la solution pour se stabiliser à 110 ° C.
    3. Place 4 pouces de diamètre, de flotter-zone (FZ), de plaquettes Si n-type et double-côté-polie dans une cassette propre 4" wafer (polypropylène et au-delà) et placer le bateau dans le bain de Piranha pendant 10 min.
    4. Rincer pendant 10 min à l’eau désionisée (DI).
  2. Nettoyer les plaquettes Si avec RCA nettoyant à 74 ° C.
    1. Préparer une solution diluée de HCl:H2O2. Remplissez le bain d’acide de 13,2 L DI H2O et 2. 2 L d’HCl. Spike la solution avec 2,2 L H2O2 et allumez l’appareil de chauffage.
    2. Attendez que la température de la solution pour se stabiliser à 74 ° C avant utilisation.
    3. Mettre les plaquettes Si dans une cassette de gaufrette propre 4" et placer les tranches dans la solution RCA pendant 10 min.
    4. Rincer à l’eau distillée pendant 10 min.
  3. Nettoyer les plaquettes Si en solution Buffered Oxide Etch (BOE).
    1. Versez 15,14 L de solution de la BOE dans le bain d’acide.
    2. Placez la cassette de gaufrette 4" dans le bain pendant 3 min.
    3. Rincer pendant 10 min avec l’eau distillée.
    4. Sécher la plaquette par sec N2.

2. P-diffusion dans la fournaise de Diffusion

  1. Mettre une plaquette nettoyée dans un bateau de quartz de diffusion.
  2. Charger dans un tube de quartz qui a une base température de 800 ° C. Rampe de la température du four à 820 ° C dans l’environnement de2 N. À 820 ° C, commencer à couler gaz vecteur N2 qui se propage à travers l’oxychlorure de phosphore (POCl3) à 1000 sccm. Après 15 min, éteindre le gaz porteur de N2 , et augmenter la température jusqu'à 800 ° C avant de prendre les échantillons.
  3. Placer les échantillons dans une solution BOE pendant 10 min pour enlever le verre de silicate de phosphore (PSG) et ensuite effectuer un rinçage de 10 min dans l’eau distillée.

3. revêtementx péché par PECVD

  1. Mettre les tranches dans un bateau propre et plonger dans un bain BOE pendant 1 min enlever l’oxyde natif à la surface.
  2. Rincer pendant 10 min avec l’eau distillée.
  3. Sécher la plaquette avec un canon de2 N sec.
  4. Placer la plaquette Si sur un support propre de TR (156 mm monocristallines Si).
  5. Charger l’échantillon dans la chambre de dépôt (PECVD) plasma améliorée chimique en phase vapeur.
  6. Dépôt de 150 nm d’épaisseur (38,5 s) SiNx à 350 ° C dans la chambre. Déposer les SiNx à la puissance 300 W RF avec une pression de base de 3,5 Torr et 60 sccm de SiH4 comme une source de silicium et 60 sccm de NH3 comme une source d’azote (2000 sccm de N2 a été utilisé comme diluant).
    1. Confirmer le taux de croissance de SiNx (3,9 nm/s) en déposant des filmsx SiN avec des temps différents dépôts sur des plaquettes de poli et de mesurer les épaisseurs par ellipsométrie spectroscopique angle variable (VASE).

4. l’écart croissance par MBE

  1. Après la déposition de SiNx , charger la plaquette dans la chambre MBE.
  2. Outgas dans la chambre d’introduction (180 ° C pendant 3 h), puis outgas dans la chambre de la mémoire tampon (240 ° C pendant 2 h). Charger dans la chambre de croissance et cuire au four à 850 ° C pendant 10 min.
  3. Baisser la température à 580 ° C. Température de cellule d’épanchement augmentation Ga pour produire la pression-7 Torr faisceau-équivalent de ~2.71×10 (BEP) et température de cellule Si épanchement à 1250 ° C.
  4. Ajuster le positionneur de valves p cracker pour atteindre ~1.16×10-6 Torr BEP. Ouvrir les volets Ga, P et Si et croître de 25 nm d’épaisseur GaP avec une méthode de croissance interrompue (10 cycles de 5 s ouvert et 5 s fermé) suivie de 121 s de croissance unshuttered (c.-à-d., ouvrez Ga et p volets simultanément).
  5. Diminuer la température du substrat jusqu'à 200 ° C et décharger l’échantillon de la chambre à vide.

5. Retirer les dos des couches dex n + et le péché de gravure humide

  1. Couvrir la surface d’écart avec un ruban de protection pour le protéger contre les dommages de HF.
  2. Préparer environ 300 mL de solution de HF de 49 % dans un gobelet en plastique.
  3. Placer l’échantillon dans la solution HF pendant 5 min enlever complètement la couche de SiNx .
  4. Retirez la pellicule protectrice, rincer à l’eau distillée et sécher le N2.
  5. Couvrir la surface de GaP avec une nouvelle bande de protection.
  6. Préparer la solution HNA dans un gobelet en plastique (un mélange d’acide fluorhydrique (HF) (50 mL), l’acide nitrique (HNO3) (365 mL) et l’acide acétique (CH3COOH) (85 mL)) à la température ambiante.
    ATTENTION : Placer soigneusement la plaquette dans la solution pour éviter HNA pénétrant dans la surface de GaP.
  7. Placer l’échantillon dans la solution HNA pendant 3 min.
  8. Retirez la pellicule protectrice et rinçage de l’eau distillée. Dry de N2.

6. trou-sélectif Formation Contact sur le côté Si nu

  1. Fendre la plaquette avec un stylo de diamant en quatre quartiers.
  2. Nettoyer soigneusement les échantillons dans un réservoir d’eau de DI.
  3. Nettoyer les échantillons dans un bain BOE pendant 30 s pour enlever l’oxyde natif de la surface.
  4. Rincez dans les copeaux dans l’eau distillée et sécher par N2.
  5. Déposer un nm d’épaisseur 50 a-Si : H par PECVD sur un des échantillons pour vérifier la durée de vie Si.
    1. Déposer l’a-Si : couche de H à 60 puissance RF W avec une pression de 3,2 Torr et 40 sccm de SiH4 comme étant la source de silicium (200 sccm de H-2 a été utilisé comme diluant).
    2. Confirmer le taux de croissance d’a-Si : H (1,6 nm/s) du dépôt des films d’a-Si avec des temps différents dépôts sur des plaquettes de poli et en mesurant l’épaisseur avec VASE.
  6. Dépôt (i) a-Si (9 nm) et (p +) a-Si (16 nm) sur le côté (avant) gravé d’un échantillon Si distinct par PECVD.
    1. Déposer la couche d’a-Si de type p à 37 puissance RF W avec une pression de 3,2 Torr et 40 sccm de SiH4 comme étant la source de silicium et sccm 18 B [CH3]3 comme le dopant de bore (197 sccm de H-2 a été utilisé comme diluant).
    2. Confirmer le taux de croissance de p-type a-Si (2,0 nm/s) du dépôt des films d’a-Si avec des temps de croissance différents sur les wafers polis et en mesurant les épaisseurs avec VASE.
  7. Déposer une couche dex 9 nm d’épaisseur MoO à la température ambiante par l’évaporation thermique de MoO3 (99,99 %) source avec un taux de dépôt de 0.5 Å / s.

7. externe Formation Contact

  1. Dépôt 75 nm d’épaisseur Indium Tin Oxide (ITO) (2O3/SnO2 = 95/5 (% en poids), 99,99 %) couches sur le côté de l’écart des échantillons par RF sputtering (puissance de RF de 1 kW et pression des 5 Torr) avec un débit d’oxygène de 2,2 sccm.
  2. Décharger les échantillons et les retourner. Puis utilisez le masque d’ombre mesa sur les échantillons pour les dépôts de mesa ITO.
  3. Dépôt de 75 nm d’épaisseur ITO par pulvérisation RF. Déposez 200 nm d’épaisseur argent (puissance de RF de 1 kW et pression de 8 Torr) pour les doigts couvrant le masque d’ombre de doigt. Déposer 200 argent nm d’épaisseur du côté de l’écart des échantillons comme les contacts en arrière.
  4. Recuire les échantillons dans un four sous la pression atmosphérique à 220 ° C.

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Representative Results

Images de microscopie de force atomique et scans haute résolution diffraction des rayons x (DRX), y compris la courbe oscillant aux alentours de la réflexion (004) et le plan de l’espace réciproque (RSM) dans les environs de réflexion (224), ont été recueillis pour le GaP/Si structure (Figure 1). L’AFM a été utilisée pour caractériser la morphologie de la surface de l’écart croissant MBE et XRD a permis d’examiner la qualité de cristal de couche de GaP. La durée de vie de porteurs minoritaires apparente de la structure de GaP/Si et Si ont été mesurés pour examiner l’efficacité des méthodes utilisées dans ce travail de préservation de la durée de vie. Rendement quantique externe (EEQ), réflexion, lumière pseudo J-V (soleils-COV), de surface et J-V de l’espace/is finales périphériques ont été prélevés de la lumière (Figure 2). Le rendement quantique interne (mis) provenait de la réflexion corrigé les données de l’examen européen de qualification. Les paramètres de J.-V. lumière et pseudo sont répertoriés dans le tableau 1. Efficacités de 13,1 % et 14,1 %, avec une tension de circuit ouvert (Voc) de 618 mV et 598 mV sont atteints de Structure A et B, respectivement. La couchex MoO Structure B comme contact trou sélectif performants que mieux que l’a-Si : H en Structure A.

Figure 1
Figure 1 : caractérisation de la couche de fossé de la structure de GaP/TR. (un) 1 x 1 μm2 image d’AFM de la surface de GaP 25 nm d’épaisseur. (b) les cristal double cohérente (DC) ω-2θ bascule courbe (noir) aux alentours du TR et GaP (004) réflexions (une courbe ajustée (rouge) de la structure est également présentée). c carte espace réciproque des taches de diffraction (224). S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2 : les caractéristiques électriques des appareils hétérojonction GaP/TR. (a) la durée de vie efficace porteurs minoritaires de structure de GaP/Si (points noirs) et Si en vrac à vie (points rouges). (b) la mis et les spectres de réflexion sur la surface d’a-Si/TR/GaP (Structure A) (noir) et MoOx/Si/GaP (Structure B) (bleu). (c) lumière J-V (noir) et pseudo clair J-V (rouge) du dispositif d’a-Si/TR/GaP. (d) lumière J-V (noir) et pseudo clair J-V (rouge) du dispositif de /Si/GaPxMoO. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

VOC JSC FF FF0 WOC Η Η0
(mV) (mA/cm2) (%) (%) (mV) (%) (%)
Structure A 618 33.1 64 80 522 13.1 16,5
Structure B 598 34,3 69 80 542 14.1 16,9

Le tableau 1. Lumière et pseudo valeurs de J-V pour les piles solaires de GaP/Si hétérojonctions.

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Discussion

Une couche de GaP nm d’épaisseur 25 nominal a été epitaxially cultivé sur une surface Si riches en P par l’intermédiaire de MBE. Pour développer une meilleure qualité de couche de GaP sur substrats de Si, un V/III relativement faible ratio (P/Ga) est préférable. Une qualité de cristaux de couche GaP est nécessaire pour atteindre une conductivité élevée et faible densité de centres de recombinaison. L’AFM moyenne quadratique (RMS) de la surface de GaP est nm ~0.52 montrant une surface lisse avec aucun puits, indication de cristal de haute qualité avec une faible densité de dislocations thread (Figure 1 a). En outre, pendellosung franges ont été observés de la courbe bascule ω-2θ (Figure 1 b) indicative des interfaces lisses. La largeur à mi-hauteur (FWHM) du pic écart mesuré de la ω de cristal triple courbe à bascule est ~ 14 arcsec et la densité de dislocations thread calculée est de ~ 2 × 106 cm-2. Le SMR (Figure 1C) dans les environs (224) taches de diffraction de l’échantillon de GaP/Si montre cohérente GaP et Si des pics, qui indique le que écart est complètement tendue sur le substrat de Si bonne qualité cristalline.

L’étape critique de la réalisation de cellules solaires à base Si haute performance est de maintenir les vies de porteurs minoritaires Si élevés tout au long de la déposition de GaP. Il est démontré qu’en insérant la couche n + avant la croissance de GaP, la durée de vie Si en vrac peut être bien entretenue (jusqu'à un niveau de millisecondes). En outre, la durée de vie de GaP/Si a été mesurée à ~ 100 μs après une croissance de GaP dans la chambre MBE. La durée de vie élevée atteinte d’is indique une performance prometteuse de l’appareil (comme illustré à la Figure 2c). Les paramètres de J.-V. lumière et pseudo GaP/Si des cellules solaires hétérojonctions (a-Si/TR/GaP (Structure A) et MoOx/Si/GaP (Structure B)) sont répertoriés dans le tableau 1, mesurée dans un État AM1.5G avec l’intensité d’irradiation de 1 kW m-2. Tandis que ITO et Ag ont été appliqués comme les couches de contact à la couche d’écart dans ce travail, cependant, pour obtenir de meilleures performances de GaP/Si des cellules solaires, il est recommandé d’optimiser l’épaisseur de ITO, transparence et sa conductivité.

Dans cet ouvrage, MoOx servait aussi un contact sélective du trou pour améliorer encore l’efficacité de captage de transporteur à courtes longueurs d’onde. Bénéficiant de la plus élevée à bande interdite de MoOx par rapport aux couches-Si, le mis montre un coup de pouce sous le régime de courte longueur d’onde (300-600 nm). La cellule solaire de MoOx/Si/GaP a démontré une meilleure performance que les plus performants MoOx/si des cellules solaires rapportés dans la littérature12 sans insérer de la couche de passivation entre MoOx et interface Si.

Même si sa vie en vrac Si élevée peut être atteints de l’approche susmentionnée, la durée de vie de porteurs minoritaires de structure de GaP/Si est l’encore pas comparable aux structures passivés-Si, ce qui implique que la qualité de couche GaP doit être encore améliorée. L’approche démontrée qui nécessite une étape de diffusion et de la couche d’enduit de SiNx susceptibles d’affecter la qualité de surface de l’is ; par conséquent, la qualité de cristal GaP subséquente peut être affectée. En outre, la spectroscopie de photoélectrons (XPS) de rayons x et spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS) peut être menée afin d’étudier le profil de P-diffusion dans cette structure.

Dans ce travail, nous avons démontré les cellules solaires de hautes performances GaP/Si hétérojonction en y insérant n + couches de substrats de Si avant la croissance de GaP. Ce protocole peut être appliqué afin de maintenir une vie tout en epitaxially de plus en plus non seulement GaP (présenté ici) mais aussi d’autre III-V ou matériaux II-VI pour atteindre hétérojonction dispositifs porteurs minoritaires haute Si. En outre, des cellules solaires multi-jonctions avec haute performance Si bas des cellules peut être réalisées par cette approche.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Les auteurs tiens à remercier L. Ding et M. Boccard pour leur contribution au traitement et l’analyse des cellules solaires dans cette étude. Les auteurs remercient financé par le U.S. Department of Energy, sous contrat DE-EE0006335 et le Engineering Research Centre programme de la National Science Foundation et l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du département de l’énergie sous le n° d’accord de coopération NSF CEE-1041895. Dahmani som au solaire énergie Lab reposait, en partie, par contrat ECCS-1542160 de la NSF.

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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