Lo sviluppo di celle solari ad alte prestazioni GaP/Si Heterojunction

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Summary

Qui, presentiamo un protocollo per sviluppare alte prestazioni GaP/Si eterogiunzione celle solari con una vita di minoranza-vettore Si alta.

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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

Per migliorare l'efficienza delle celle solari a base Si oltre il loro limite di Shockley-Queisser, il percorso ottimale è di integrarli con le celle solari basate su III-V. In questo lavoro, vi presentiamo le celle solari ad alte prestazioni GaP/Si eterogiunzione con un'elevata durata di minoranza-vettore Si e cristallo di alta qualità di strati epitassiali di GaP. È indicato che applicando il fosforo (P)-strati di diffusione nel substrato Si e uno strato dix di peccato, la durata di minoranza-vettore Si può essere ben mantenuta durante la crescita di GaP nell'epitassia da fasci molecolari (MBE). Controllando le condizioni di crescita, la qualità di cristallo alta di GaP è stata coltivata sulla superficie Si P-ricco. La qualità della pellicola è caratterizzata da microscopia a forza atomica e diffrazione di raggi x ad alta risoluzione. Inoltre, MoOx è stato implementato come un buco-selettivo del contatto che ha portato ad un significativo aumento della densità di corrente di corto circuito. Le prestazioni del dispositivo alto raggiunto delle celle solari eterogiunzione GaP/Si stabilisce un percorso per ulteriore incremento delle prestazioni dei dispositivi fotovoltaici Si-based.

Introduction

C'è stato un continuo sforzo sull'integrazione di materiali diversi con reticolo mismatch al fine di migliorare la complessiva cella solare efficienza1,2. L'integrazione di III-V/Si ha il potenziale per aumentare l'efficienza di celle solari Si ulteriormente e sostituire i costosi substrati di III-V (come GaAs e Ge) con un substrato di Si per le applicazioni delle celle solari multigiunzione. Tra tutti i sistemi materiali binari di III-V, fosfuro di gallio (GaP) è un buon candidato per questo scopo, ed è il più piccolo divario di reticolo (~ 0,4%) con Si e un alta bandgap indiretta. Queste funzionalità abilitare l'integrazione con alta qualità di GaP con substrato di Si. È stato dimostrato teoricamente che GaP/celle solari eterogiunzione potrebbe migliorare l'efficienza di emettitore passivato convenzionale posteriore Si celle solari3,4 beneficiando l'unica band-offset tra GaP e Si (∆v ~1.05 eV e ∆ ec ~0.09 eV). Questo rende il GaP un promettente elettrone selettivo del contatto per celle solari al silicio. Tuttavia, al fine di realizzare celle solari ad alte prestazioni GaP/Si eterogiunzione, sono necessari un elevata durata di massa Si e alta qualità di interfaccia GaP/Si.

Durante la crescita dei materiali III-V su un substrato di Si di epitassia da fasci molecolari (MBE) ed epitassia di fase del vapore metallorganici (MOVPE), degradazione di durata significativa Si è stato ampiamente osservato5,6,7, 8 , 9. e ' stato rivelato che il degrado della vita accade principalmente durante il trattamento termico delle cialde Si nei reattori, che è necessario per la ricostruzione di desorbimento e/o superficie di ossido superficiale prima del10di crescita epitassiale. Questo degrado è stato attribuito alla diffusione estrinseca di contaminanti originati dalla crescita reattori5,7. Diversi approcci sono stati proposti per sopprimere questa degradazione di vita Si. Nel nostro lavoro precedente, abbiamo dimostrato due metodi in cui la degradazione di vita Si può essere soppresso significativamente. Il primo metodo è stato dimostrato tramite l'introduzione del peccatox come una barriera di diffusione7 e quello secondo introducendo lo strato di P-diffusione come un agente di gettering11 al substrato Si.

In questo lavoro, abbiamo dimostrato ad alte prestazioni celle solari di GaP/Si basa sui suddetti approcci per mitigare il degrado di vita massa di silicio. Le tecniche usate per preservare la durata Si possono avere vaste applicazioni in celle solari multigiunzione con le celle di fondo Si attiva e dispositivi elettronici quali CMOS ad alta mobilità. In questo protocollo dettagliato, i dettagli di fabbricazione di celle solari eterogiunzione GaP/Si, tra cui Si cialda pulizia, P-diffusione del forno, crescita di GaP e GaP/celle solari di elaborazione, sono presentati.

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Protocol

Attenzione: Si prega di consultare tutti i pertinenti schede di sicurezza (MSDS) prima di trattare con prodotti chimici. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue una fabbricazione di celle solari tra cui la cappa aspirante e dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice, pantaloni lunghi, Scarpe chiuse).

1. Si Wafer pulizia

  1. Pulire wafer Si in soluzione Piranha (H2O2/h2SO4) a 110 ° C.
    1. Per produrre la soluzione Piranha, riempire il bagno acido (serbatoio in polietilene ad alta densità e aldilà) 15,14 L di H2così4 (96%) e quindi 1,8 L di H2O2 (30%).
    2. Attendere che la temperatura della soluzione per stabilizzare a 110 ° C.
    3. Posto 4-pollici di diametro, galleggiante-zona (FZ), wafer Si n-tipo e doppio-lato-lucidato in una pulito 4" cassette di wafer (polipropilene e aldilà) e mettere la barca in bagno di Piranha per 10 min.
    4. Risciacquo per 10 min con acqua deionizzata (DI).
  2. Pulire wafer Si con RCA pulizia soluzione a 74 ° C.
    1. Preparare una soluzione diluita di HCl:H2O2. Riempire il bagno acido con 13,2 L DI H2O e 2.2 L di HCl. Spike la soluzione con 2,2 L di H2O2 e accendere la stufa.
    2. Attendere che la temperatura della soluzione per stabilizzare a 74 ° C prima dell'uso.
    3. Mettere wafer Si in una cassetta per 4" pulita e disponga le cialde nella soluzione RCA per 10 min.
    4. Risciacquare con acqua deionizzata per 10 min.
  3. Pulire wafer Si in soluzione tamponata ossido Etch (BOE).
    1. Versare 15,14 L di soluzione di BOE in bagno acido.
    2. Posizionare la cassetta per 4" nel bagno per 3 min.
    3. Risciacquo per 10 min con dell'acqua distillata.
    4. Asciugare il wafer di dry N2.

2. P-diffusione nella fornace a diffusione

  1. Mettere un wafer pulito in una barca di quarzo di diffusione.
  2. Caricarlo in un tubo di quarzo che ha una temperatura di 800 ° C. Rampa la temperatura del forno a 820 ° C nell'ambiente di2 N. A 820 ° C inizia a fluire il gas di trasporto di2 N che bolle attraverso Ossicloruro di fosforo (POCl3) alle 1000 sccm. Dopo 15 min, spegnere il gas di trasporto2 N e rampa la temperatura fino a 800 ° C prima di prendere i campioni.
  3. Posizionare i campioni in una soluzione BOE per 10 min a rimuovere vetro silicato di fosforo (PSG) e quindi eseguire un risciacquo di 10 min in acqua deionizzata.

3. peccatox rivestimento da PECVD

  1. Mettere la cialda in una barca pulita e immergerlo in un bagno BOE per 1 min rimuovere l'ossido nativo sulla superficie.
  2. Risciacquo per 10 min con dell'acqua distillata.
  3. Asciugare la cialda con una pistola di2 N asciutta.
  4. Posizionare la cialda Si su un vettore Si pulito (monocristallino da 156 mm).
  5. Caricare il campione nella camera plasma avanzata chemical vapor deposition (PECVD).
  6. Cauzione 150 nm di spessore (38,5 s) SiNx a 350 ° C in aula. Deposito peccatox a potenza di 300 W RF con una pressione di base di 3,5 Torr e 60 sccm di SiH4 come una fonte di silicio e 60 sccm di NH3 come una fonte di N (2000 sccm di N2 è stato utilizzato come diluente).
    1. Confermare il tasso di crescita del peccatox (3,9 nm/s) depositando filmx peccato con tempi diversi di deposizione su wafer lucidato e misurare gli spessori di angolo variabile ellissometria (vaso).

4. gaP crescita di MBE

  1. Dopo la deposizione dix del peccato, è necessario caricare la cialda nella camera di MBE.
  2. Outgas nella camera introduttiva (180 ° C per 3 h), quindi outgas nella camera di buffer (240 ° C per 2 h). Caricare nella camera di crescita e cuocere in forno a 850 ° C per 10 min.
  3. Diminuire la temperatura di 580 ° C. Temperatura di cella di effusione aumento Ga per produrre ~2.71×10-7 Torr fascio-equivalente pressione (BEP) e temperatura di cella di effusione Si a 1250 ° C.
  4. Regolare il posizionatore con valvola p cracker per raggiungere ~1.16×10-6 Torr BEP. Aprire le persiane Ga, P e Si e crescere 25 nm di spessore GaP con un metodo di crescita interrotta (10 cicli di 5 s aperta e 5 s chiuso) seguita da 121 s di alveoli non crescita (cioè, aprire Ga e p tapparelle contemporaneamente).
  5. Diminuire la temperatura del substrato a 200 ° C e scaricare l'esempio dalla camera a vuoto.

5. rimuovere strati posteriori dix di n + e peccato di attacco a umido

  1. Coprire la superficie di GaP con un nastro protettivo per proteggerlo dai danni HF.
  2. Preparare ~ 300 mL di soluzione di HF di 49% in un bicchiere di plastica.
  3. Posizionare il campione nella soluzione di HF per 5 min rimuovere completamente lo strato dix di peccato.
  4. Rimuovere il nastro protettivo, sciacquare con acqua deionizzata e asciugare di N2.
  5. Coprire la superficie di GaP con un nuovo nastro protettivo.
  6. Preparare la soluzione HNA in un bicchiere in plastica (una miscela di acido fluoridrico (HF) (50 mL), acido nitrico (HNO3) (365 mL) e acidi acetici (CH3COOH) (85 mL)) a temperatura ambiente.
    Attenzione: Posizionare la cialda nella soluzione per evitare HNA penetrando la superficie di GaP.
  7. Mettere il campione nella soluzione HNA per 3 min.
  8. Rimuovere il nastro protettivo e DI acqua per risciacquarlo. Secca di N2.

6. foro-selettivo formazione contatto sul lato Si spoglia

  1. Fendere la cialda con una penna di diamante in quattro quarti.
  2. Pulire accuratamente i campioni in un serbatoio di acqua DI.
  3. Pulire i campioni in un bagno BOE per 30 s per rimuovere l'ossido nativo dalla superficie.
  4. Risciacquare i wafer in acqua deionizzata e poi asciugare di N2.
  5. Depositare un 50 nm di spessore a-Si: H da PECVD su uno dei campioni per verificare la durata di Si.
    1. Deposito a-Si: strato H alla potenza di 60 W RF con una pressione di 3,2 Torr e 40 sccm di SiH4 come la fonte di silicio (200 sccm di H2 è stato utilizzato come diluente).
    2. Confermare il tasso di crescita di a-Si: H (1,6 nm/s) depositando un-Si film con tempi diversi di deposizione su wafer lucidato e misurando lo spessore con il vaso.
  6. Deposito (i) a-Si (9 nm) e (p +) a-Si (16 nm) su lato acidato (anteriore) di un campione separato Si da PECVD.
    1. Depositare lo strato di p-tipo a-Si a 37 W RF potenza con una pressione di 3,2 Torr e 40 sccm di SiH4 come la fonte di silicio e 18 sccm di B [CH3]3 come il drogante di boro (197 sccm di H2 è stato utilizzato come diluente).
    2. Confermare il tasso di crescita del p-tipo a-Si (2.0 nm/s) a-Si film con tempi di crescita diversi di deposito sui wafer lucidati e misurando gli spessori con vaso.
  7. Deposito di uno strato dix di 9 nm di spessore MoO a temperatura ambiente da evaporazione termica da una fonte di MoO3 (99,99%) con una velocità di deposizione di 0,5 Å / s.

7. esterno contatto formazione

  1. Ossido di Tin Indio (ITO) di cauzione 75 nm di spessore (2O3/SnO2 = 95/5 (peso per cento), 99,99%) strati sul lato GaP dei campioni di RF sputtering (potenza RF di 1 kW e pressione di 5 Torr) con un tasso di flusso di ossigeno di 2,2 sccm.
  2. Scaricare i campioni e loro turn over. Quindi utilizzare la maschera di ombra di mesa sui campioni per la deposizione di mesa di ITO.
  3. Cassetta di 75 nm di spessore ITO di RF sputtering. Deposito 200 nm di spessore argento (potenza RF di 1 kW e pressione di 8 Torr) per le dita che coprono maschera forata dito. Cauzione 200 nm di spessore d'argento sul lato GaP dei campioni come contatto per la schiena.
  4. Temprare i campioni in una fornace sotto pressione atmosferica a 220 ° C.

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Representative Results

Forza atomica (AFM) la microscopia immagini e scansioni ad alta risoluzione diffrazione di raggi x (XRD), tra cui la curva a dondolo nelle vicinanze la riflessione (004) e la mappa di reciproco dello spazio (RSM) nelle vicinanze di riflessione (224), sono stati raccolti per il GaP/Si struttura (Figura 1). L'AFM è stato utilizzato per caratterizzare la morfologia superficiale del divario MBE-cresciuta e XRD è stato utilizzato per esaminare la qualità di cristallo dello strato di GaP. La durata effettiva minoranza-elemento portante della GaP/Si struttura e massa Si sono stati misurati per esaminare l'efficacia del ciclo di vita conservando metodi utilizzati in questo lavoro. Efficienza quantica esterna (EQE), riflessione, pseudo luce J-V (Suns-Voc), di superficie e luce J-V del GaP/Si dispositivi finali sono stati raccolti (Figura 2). L'efficienza quantica interna (IQE) generato dalle riflessioni EQE dati corretti. I parametri di luce e pseudo J-V sono elencati nella tabella 1. Efficienze del 13,1% e 14,1% con una tensione di circuito aperto (Voc) di 618 mV e 598 mV sono raggiunti dalla struttura A e B, rispettivamente. Lo strato dix di MoO in struttura B come un buco-selettivo del contatto eseguito meglio meglio di a-Si: H nella struttura A.

Figure 1
Figura 1: caratterizzazione dello strato GaP della struttura GaP/Si. (a) 1 x 1 μm2 immagine AFM della superficie di GaP del 25 nm di spessore. (b) il coerente doppia (DC) ω-2 θ a dondolo curva (nero) nelle vicinanze Si e GaP (004) riflessi cristallini (una curva (rossa) della struttura inoltre è presentata). (c) mappa di spazio reciproco di macchie di diffrazione (224). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: caratteristiche elettriche dei dispositivi eterogiunzione GaP/Si. (a) la durata di efficace minoranza-elemento portante della struttura GaP/Si (punti neri) e Si massa durata (punti rossi). (b) l'IQE e spettri di riflessione sulla superficie di a-Si/Si/GaP (struttura A) (nero) e MoOx/Si/GaP (struttura B) (blu). (c) luce J-V (nero) e pseudo luce J-V (rosso) del dispositivo di a-Si/Si/GaP. (d) luce J-V (nero) e pseudo luce J-V (rosso) del dispositivo di MoOx/Si/GaP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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

Tabella 1. Luce e pseudo valori di J-V per le celle solari di eterogiunzioni GaP/Si.

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Discussion

Uno strato di GaP nm di spessore nominale 25 epitaxially è stato coltivato su una superficie di P-ricchi Si tramite MBE. Per far crescere una migliore qualità dello strato di GaP su substrati di Si, un relativamente basso V/III rapporto (P/Ga) è preferibile. Una qualità buona cristallo dello strato di GaP è necessaria ottenere conducibilità alta e bassa densità dei centri di ricombinazione. Il AFM root-mean-square (RMS) della superficie del GaP è ~0.52 nm mostrando una superficie liscia con nessun pozzi, indicativo di crystal di alta qualità con una bassa densità di dislocazione threading (Figura 1a). Ulteriormente, frange pendellosung sono stati osservati da ω-2 θ a dondolo curva (Figura 1b) indicativa di interfacce lisce. L'intera larghezza a metà altezza (FWHM) del picco GaP misurato dal triplo cristallo ω a dondolo curva è ~ 14 arcsec e la densità di dislocazione threading calcolata è ~ 2 × 106 cm-2. La RSM (Figura 1C) nelle vicinanze (224) macchie di diffrazione del campione GaP/Si Mostra coerente GaP e Si picchi, che indica il che divario è completamente tesa al substrato Si con buona qualità cristallina.

Il passaggio fondamentale di realizzare celle solari a base Si ad alte prestazioni è quello di mantenere alta durata di minoranza-vettore Si durante la deposizione di GaP. È indicato che inserendo lo strato n + prima che la crescita di GaP, il ciclo di vita di massa Si può essere ben mantenuto (fino ad un livello di millisecondi). Inoltre, la durata di GaP/Si è stata misurata per essere ~ 100 μs dopo crescita GaP nella camera di MBE. La vita alta raggiunta di Si indica una promettente le prestazioni del dispositivo (come mostrato nella Figura 2 c). I parametri di J-V luce e pseudo per GaP/eterogiunzioni celle solari (a-Si/Si/GaP (struttura A) e MoOx/Si/GaP (struttura B)) sono elencati in tabella 1, misurata in una circostanza AM1.5G con intensità di irradiazione di 1 kW m-2. Mentre ITO e Ag sono stati applicati come gli strati del contatti al livello di GaP in questo lavoro, tuttavia, per migliorare le prestazioni delle celle solari di GaP/Si, si consiglia di ottimizzare lo spessore ITO, la trasparenza e la sua conducibilità.

In questo lavoro, MoOx è stato utilizzato anche come contatto foro selettiva per migliorare ulteriormente l'efficienza di raccolta di vettore a brevi lunghezze d'onda. Beneficiando della bandgap maggiore di MoOx rispetto agli strati a-Si, il IQE Mostra una spinta al regime di breve lunghezza d'onda (300-600 nm). La cella solare di MoOx/Si/GaP ha dimostrato una performance migliore rispetto le migliori prestazioni MoOx/Si celle solari riportate nella letteratura12 senza inserire lo strato di passivazione tra MoOx e Si interfaccia.

Anche se un'elevata durata di massa Si può essere raggiunto dall'approccio di cui sopra, la durata di minoranza-elemento portante della struttura di GaP/Si è ancora non paragonabile alle strutture passivati a-Si, che implica che la qualità del livello di GaP deve essere ulteriormente migliorata. L'approccio dimostrato che richiede un passaggio di diffusione e di strato di rivestimento di peccatox poteva influenzare la qualità della superficie del Si; quindi, la qualità di cristallo GaP successiva possa essere influenzata. Inoltre, x-ray spettroscopia di fotoelettroni (XPS) e spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS) possa essere intrapresi per studiare il profilo di P-diffusione in questa struttura.

In questo lavoro, abbiamo dimostrato celle solari ad alte prestazioni GaP/Si eterogiunzione inserendo n + strati nei substrati di Si prima che la crescita di GaP. Questo protocollo può essere applicato per mantenere una vita alta minoranza-vettore di Si mentre epitaxially in crescita non solo GaP (presentata qui) ma anche per altri III-V o materiali II-VI per raggiungere heterojunction dispositivi. Inoltre, le celle solari multigiunzione con le celle ad alte prestazioni Si fondo può essere realizzate da questo approccio.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Gli autori vorrei ringraziare Ding L. e M. Boccard per i loro contributi nell'elaborazione e nella sperimentazione delle celle solari in questo studio. Gli autori riconoscono finanziamenti dal US Department of Energy sotto contratto DE-EE0006335 e il programma di centro di ricerca ingegneria del National Science Foundation e l'ufficio di efficienza energetica e delle energie rinnovabili del dipartimento dell'energia sotto NSF accordo cooperativo n CEE-1041895. Som de Cristofaro presso Solar Power Lab è stato sostenuto, in parte, dal contratto di 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

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