Udvikle højtydende hul/Si Heterojunction solceller

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

Vi præsenterer her, en protokol for at udvikle højtydende hul/Si heterojunction solceller med høj Si mindretal-carrier levetiden.

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

For at forbedre effektiviteten af Si-baserede solceller ud over deres Shockley-Queisser grænse, er den optimale vej til at integrere dem med III-V-baserede solceller. I dette arbejde præsenterer vi højtydende hul/Si heterojunction solceller med høj Si mindretal-carrier levetid og høj crystal kvalitet epitaxial hul lag. Det er vist, at ved at anvende fosfor (P)-diffusion lag i Si substrat og en syndx lag, Si mindretal-carrier levetid kan være velholdt under GaP væksten i molekylær stråle epitaxy (MBE). Ved at kontrollere vækstbetingelserne, blev høj crystal kvalitet af kløften dyrket på P-rige Si overflade. Film kvalitet er karakteriseret ved atomic force mikroskopi og høj opløsning røntgen diffraktion. Derudover MoOx blev gennemført som en hul-selektiv kontakt, der førte til en betydelig stigning i at kortslutte strømtæthed. Opnåede høje enhed ydeevne af hullet/Si heterojunction solceller etablerer en vej for yderligere forbedring af udførelsen af Si-baserede solceller udstyr.

Introduction

Der har været en vedvarende indsats for integration af forskellige materialer med gitter uoverensstemmelser for at øge den samlede solcelle effektivitet1,2. III-V/Si integration har potentiale til yderligere øge den nuværende Si solcelle effektivitet og erstatte de dyre III-V substrater (f.eks GaAs og Ge) med en Si substrat for multijunction solcelle applikationer. Blandt alle III-V binære materiale-systemer er gallium indiumfosfid (GaP) en god kandidat til dette formål, da det har den mindste gitter-uoverensstemmelse (~ 0,4%) med Si og en høj indirekte bandgap. Disse funktioner kan aktivere høj kvalitet integration af hullet med Si substrat. Det teoretisk er blevet påvist at hullet/Si heterojunction solceller kunne øge effektiviteten af konventionelle passivated emitter bageste Si solceller3,4 af drager fordel af den unikke band-forskydning mellem hullet og Si (∆Ev ~1.05 eV og ∆Ec ~0.09 eV). Dette gør kløften en lovende elektron selektiv kontakt for silicium solceller. Men for at opnå høj ydeevne hul/Si heterojunction solceller, en høj Si bulk levetid og høj hul/Si interface kvalitet er påkrævet.

Under væksten af III-V materialer på en Si substrat af molekylære stråle epitaxy (MBE) og metalorganic dampe fase epitaxy (MOVPE), er væsentlig Si levetid nedbrydning blevet almindeligt observeret5,6,7, 8 , 9. det blev afsløret at levetid nedbrydning primært sker under termisk behandling af Si vafler i reaktorer, hvilke er krævede nemlig overflade oxid desorption og/eller overflade genopbygning før epitaxial vækst10. Denne nedbrydning blev tilskrevet den extrinsiske diffusion af forurenende stoffer stammer fra vækst reaktorer5,7. Flere metoder er blevet foreslået til at undertrykke denne Si levetid nedbrydning. I vores tidligere arbejde, har vi vist to metoder som Si levetid nedbrydning kan være betydeligt undertrykt. Den første metode blev demonstreret ved indførelsen af syndenx som en diffusion barriere7 og den anden ved at indføre P-diffusion layer som en gettering agent11 til Si substrat.

I dette arbejde, har vi vist højt ydende hul/Si solceller baseret på de ovennævnte tilgange til at afbøde silicium bulk levetid nedbrydning. De teknikker, der anvendes til at bevare Si levetid kan har brede anvendelsesmuligheder i multijunction solceller med aktive Si bunden celler og elektroniske enheder såsom høj-mobilitet CMOS. I denne detaljerede protokollen, er fabrikation detaljerne i hullet/Si heterojunction solar celler, herunder Si wafer rengøring, P-diffusion i ovnen, GaP vækst og hul/Si solceller forarbejdning, præsenteret.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Forsigtig: Kontakt venligst alle relevante materiale sikkerhedsdatablade (MSDS) før håndtering af kemikalier. Brug venligst alle relevante sikkerhedspraksis, når du udfører en solcelle fabrikation herunder stinkskab og personlige værnemidler (sikkerhedsbriller, handsker, laboratoriekittel, fuld længde bukser, lukket tå sko).

1. Si Wafer rengøring

  1. Ren Si vafler i Piranha løsning (H2O2h2SO4) på 110 ° C.
    1. For at producere Piranha løsning, fylde syre badet (high-density polyethylen tank og herefter) med 15.14 L H24 (96%) og derefter 1,8 L H2O2 (30%).
    2. Vente til temperaturen af løsningen at stabilisere på 110 ° C.
    3. Placere 4-tommer-diameter, float-zone (FZ), n-type, og dobbelt-side-poleret Si vafler i en ren 4" wafer kassette (polypropylen og herefter), og læg båden i Piranha badet i 10 min.
    4. Skyl i 10 min med deioniseret vand (DI) vand.
  2. Ren Si vafler med RCA rengøring løsning på 74 ° C.
    1. Forberede en fortyndet opløsning af HCl:H2O2. Fylde syre badet med 13,2 L DI H2O og 2.2 L af HCl. Spike løsningen med 2,2 L H2O2 og tænde ovnen.
    2. Vente til temperaturen af løsningen at stabilisere på 74 ° C før brug.
    3. Sætte Si vafler i en ren 4" wafer kassette og placere vafler i RCA løsning i 10 min.
    4. Skyl med Deioniseret vand i 10 min.
  3. Ren Si vafler i Buffered oxid Etch (BOE) løsning.
    1. Hæld 15.14 Larsen BOE løsning i syre badet.
    2. Placer 4" wafer kassetten i bad i 3 min.
    3. Skyl i 10 min med Deioniseret vand.
    4. Tør wafer af tørre Nielsen2.

2. P-diffusion i Diffusion ovnen

  1. Sætte en renset wafer i en diffusion kvarts båd.
  2. Læg det i en kvarts rør, der har en base temperatur på 800 ° C. Rampe temperaturen i ovnen til 820 ° C i N2 miljø. Ved 820 ° C, begynde at flyde N2 bæregassen, som bobler via fosfor oxychloride (POCl3) på 1000 sccm. Efter 15 min, sluk N2 bæregassen og rampe temperatur ned til 800 ° C før de prøveudtagninger.
  3. Anbring prøverne i en BOE til 10 min at fjerne fosfor silikatglas (PSG) og derefter udføre en 10-min skyl i osmosevand.

3. syndenx belægning af PECVD

  1. Sætte wafer i en ren båd og dyppe den i en BOE bad for 1 min til at fjerne de indfødte oxid på overfladen.
  2. Skyl i 10 min med Deioniseret vand.
  3. Tørre wafer med en tør N2 pistol.
  4. Sted Si-wafer på en ren Si carrier (156 mm monokrystallinske Si).
  5. Læg prøven i plasma forbedrede kemiske damp deposition (PECVD) kammer.
  6. Depositum 150 nm tykke (38,5 s) syndx ved 350 ° C i salen. Deponere syndenx på 300 W RF power med en base Tryk på 3,5 Torr og 60 sccm SiH4 som silicium kilde og 60 sccm af NH3 som en N kilde (2000 sccm af N2 blev brugt som et fortyndingsmiddel).
    1. Bekræfte vækstrate af syndenx (3,9 nm/s) ved at deponere syndenx film med forskellige deposition gange på poleret vafler og måle tykkelser af variabel vinkel spektroskopiske ellipsometry (VASEN).

4. hul vækst af MBE

  1. Efter syndenx deposition, skal du indlæse wafer i MBE kammer.
  2. Outgas i den indledende afdeling (180 ° C til 3 h), så outgas i buffer kammer (240 ° C i 2 timer). Indlæse i vækst afdeling og bages på 850 ° C i 10 min.
  3. Sænke temperaturen til 580 ° C. Stigning Ga effusion prøverummets temperatur til at producere ~2.71×10-7 Torr beam-tilsvarende pres (BEP) og Si effusion prøverummets temperatur til 1250 ° C.
  4. Justere p-ventil krakker positioner for at opnå ~1.16×10-6 Torr BEP. Åbn Ga, P og Si skodderne og vokse 25 nm-tyk hul med en afbrudt vækst metode (10 cyklusser af 5 s åbne og 5 s lukket) efterfulgt af 121 s af unshuttered vækst (dvs. åbne Ga og p skodder samtidigt).
  5. Formindske substrat temperaturen til 200 ° C og losse prøve fra den vakuumkammer.

5. Fjern tilbage n + og syndenx lag af våd ætsning

  1. Dække hullet overfladen med en beskyttende tape for at beskytte den mod HF skader.
  2. Forberede ~ 300 mL af 49% HF løsning i en plastik bæger.
  3. Prøven anbringes i opløsningen HF i 5 min til helt fjerne syndenx lag.
  4. Fjern den beskyttende tape, skyl med Deioniseret vand og tør af N2.
  5. Dække hullet overfladen med en ny beskyttende tape.
  6. Forberede HNA løsning i en plastik bæger (en blanding af flussyre (HF) (50 mL), salpetersyre (HNO3) (365 mL), og eddikesyre syrer (CH3COOH) (85 mL)) ved stuetemperatur.
    Advarsel: Anbring forsigtigt wafer i løsning til at undgå HNA trænge ind i kløften overflade.
  7. Læg prøven i HNA løsning i 3 min.
  8. Fjern den beskyttende tape og skyl med Deioniseret vand. Tør af N2.

6. hul-selektiv kontakt dannelse på den nøgne Si Side

  1. Kløve wafer med en diamant pen i fire kvartaler.
  2. Grundigt rene prøver i en DI vandtank.
  3. Ren prøver i et BOE bad for 30 s til at fjerne de indfødte oxid fra overfladen.
  4. Skyl i vafler i Deioniseret vand og derefter tørre af N2.
  5. Deponere en 50 nm tykke a-Si: H af PECVD på en af prøverne at kontrollere Si levetid.
    1. Indbetale a Si: H lag på 60 W RF power med et tryk på 3,2 Torr og 40 sccm SiH4 som silicium kilde (200 sccm H2 blev brugt som et fortyndingsmiddel).
    2. Bekræfte vækstrate på a-Si: H (1,6 nm/s) ved at indbetale a-Si film med forskellige deposition gange på poleret vafler og måling af tykkelse med VASE.
  6. Depositum (i) a-Si (9 nm) og (p +) a-Si (16 nm) på den ætsede (front) side af en separat Si prøve af PECVD.
    1. Deponere p-type a-Si lag på 37 W RF power med et tryk på 3,2 Torr og 40 sccm SiH4 som silicium kilde og 18 sccm B [CH3]3 som bor dopant (197 sccm H2 blev brugt som et fortyndingsmiddel).
    2. Bekræfte vækstrate af p-type a-Si (2,0 nm/s) ved at indbetale a-Si film med forskellige vækst gange på de polerede vafler og måle tykkelser med VASE.
  7. Deponere et 9 nm tykke MoOx lag på rumtemperaturen af termisk fordampning fra en kilde, MoO3 (99,99%) med en aflejring på 0,5 Å / s.

7. ekstern kontakt dannelse

  1. Depositum 75 nm tykke Indium Tin oxid (ITO) (i2O3/SnO2 = 95/5 (vægt procent), 99,99%) lag i kløften side af prøver af RF sputtering (RF power 1 kW og pres af 5 Torr) med en ilt flow af 2,2 sccm.
  2. Læsse prøverne og vende dem over. Brug derefter mesa skygge maske på prøverne for ITO mesa deposition.
  3. Deponere 75 nm tykke ITO af RF sputtering. Depositum 200 nm tykke sølv (RF power 1 kW og pres af 8 Torr) til fingrene der dækker finger skygge maske. Depositum 200 nm tykke sølv hul side af prøverne som den tilbage kontakt.
  4. Anneal prøver i en ovn under atmosfærisk tryk ved 220 ° C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Atomic force mikroskopi (AFM) billeder og høj opløsning røntgen diffraktion (XRD) scanninger, herunder den vuggende kurve (004) refleksion og gensidige plads kort (RSM) i nærheden af (224) refleksion, blev indsamlet til hul/Si struktur (figur 1). AFM blev brugt til at karakterisere MBE-vokset kløften overflade morfologi og XRD blev brugt til at undersøge crystal kvalitet af kløften lag. Effektiv mindretal-carrier levetid hul/Si struktur og Si bulk blev målt til at undersøge effektiviteten af levetid bevare metoder, der anvendes i dette arbejde. Eksterne kvante effektivitet (EQE), overfladen refleksion, pseudo lys Jørgensen-V (Sole-Voc), og lys Jørgensen-V i hullet/Si endelige enheder blev indsamlet (figur 2). Interne quantum-udbyttet (IQE) blev genereret fra refleksion korrigeret EQE data. Lys og pseudo Jørgensen-V parametre er angivet i tabel 1. Virkningsgrader på 13,1% og 14,1% med et åbent kredsløb spænding (Voc) af 618 mV og 598 mV er opnået fra struktur A og B, henholdsvis. MoOx lag i strukturen B som en hul-selektiv kontakt klaret sig bedre end bedre end a Si: H i struktur A.

Figure 1
Figur 1: karakterisering af kløften lag i strukturen hul/Si. (a) 1 x 1 μm2 AFM billede af 25 nm-tyk hul overflade. (b) de sammenhængende dobbelt krystal (DC) ω-2θ vuggende kurve (sort) i nærheden af Si og GaP (004) refleksioner (en monteret kurve (rød) af strukturen er også præsenteret). c gensidige plads kort over (224) diffraktion steder. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: elektriske egenskaber af hullet/Si heterojunction enheder. en a effektiv mindretal-carrier levetid af hullet/Si struktur (sorte prikker) og Si bulk levetid (røde prikker). b IQE og overfladereflektioner spektre af a-Si/Si/GaP (struktur A) (sort) og MoOx/Si/GaP (struktur B) (blå). c lys Jørgensen-V (sort) og pseudo lys Jørgensen-V (rød) af en Si/Si-/ GaP enhed. (d) lys Jørgensen-V (sort) og pseudo lys Jørgensen-V (rød) af MoOx/Si/GaP enhed. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

VOC JSC FF FF0 WOC Η Η0
(mV) (mA/cm2) (%) (%) (mV) (%) (%)
Struktur A 618 33.1 64 80 522 13.1 16,5
Struktur B 598 34.3 69 80 542 14.1 16,9

Tabel 1. Lys og pseudo Jørgensen-V værdier for GaP/Si heterojunctions solceller.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En nominel 25 nm-tyk hul lag var epitaxially vokset på en P-rige Si overflade via MBE. For at dyrke en bedre kvalitet af kløften lag på Si substrater, en relativt lav V/III er (P/Ga) forholdet at foretrække. En god crystal kvalitet af kløften lag er nødvendige for at opnå høj ledningsevne og lav befolkningstæthed rekombination Centre. Den AFM root-betyde-square (RMS) af kløften overfladen er ~0.52 nm viser en glat overflade med ingen gruber, vejledende af høj crystal kvalitet med lav threading dislokation befolkningstæthed (figur 1a). Yderligere, pendellosung frynser blev observeret fra ω-2θ vuggende kurven (figur 1b) vejledende glat grænseflader. Den fulde bredde på halv maksimum (FWHM) af kløften peak målt fra den tredobbelte krystal ω vuggende kurve er ~ 14 arcsec og threading dislokation massefylden beregnes er ~ 2 × 106 cm-2. RSM (figur 1 c) i nærheden af (224) diffraktion steder i eksemplet hul/Si viser sammenhængende GaP og Si toppe, som angiver forskellen er fuldt belastet til Si underlaget med god krystallinske kvalitet.

De afgørende skridt for at opnå lang-arbejdsindsats Si-baserede solceller er at opretholde høje Si mindretal-carrier levetider i hele aflejring af kløften. Det er vist, at ved at indsætte n + lag før hullet vækst, Si bulk levetid kan være velholdt (op til en millisekunder niveau). Derudover blev hul/Si levetid målt til ~ 100 μs efter hul vækst i salen, MBE. Den opnåede høje levetid af Si angiver en lovende enhed ydeevne (som vist i figur 2 c). Lys og pseudo Jørgensen-V parametrene for GaP/Si heterojunctions solceller (a-Si/Si/GaP (struktur A) og MoOx/Si/GaP (struktur B)) er angivet i tabel 1, målt under en AM1.5G betingelse med bestråling intensiteten af 1 kW Møller-2. Mens ITO og Ag blev anvendt som de kontakt lag GaP-laget i dette arbejde, men anbefales for at opnå bedre ydelse af hullet/Si solceller, det at optimere ITO tykkelse, gennemsigtighed og dens ledningsevne.

I dette arbejde, blev MoOx også brugt som en hul selektiv kontakt til yderligere for at forbedre carrier udskillelsesgrad på korte bølgelængder. Nyder godt af den højere bandgap af MoOx i forhold til a-Si lag, at IQE viser et løft på kort bølgelængde regime (300-600 nm). MoOx/Si/GaP solar celle demonstreret en bedre ydeevne end de bedste resultater MoOx/Si solceller rapporteret i litteraturen12 uden at indsætte passivation lag mellem MoOx og Si interface.

Selv om en høj Si bulk levetid kan opnås fra de ovennævnte tilgang, minoritet-carrier levetiden hul/Si struktur er stadig ikke kan sammenlignes med en Si passivated strukturer, hvilket indebærer, at kløften lag kvalitet bør forbedres yderligere. De påviste tilgang, som kræver en diffusion trin og syndenx belægning kan påvirke overfladekvalitet af Si; dermed kan den efterfølgende GaP crystal kvalitet blive påvirket. Derudover x-ray photoelectron spektroskopi (XPS) og sekundære-ion massespektrometri (SIMS) kan udføres for at undersøge P-diffusion profilen i denne struktur.

I dette arbejde, har vi vist højtydende hul/Si heterojunction solar celler ved at indsætte n + lag i Si substrater før hullet vækst. Denne protokol kan anvendes til at opretholde en høj mindretal-carrier levetid på Si mens epitaxially vokser ikke kun hul (præsenteres her) men også til andre III-V eller II-VI materialer for at opnå heterojunction enheder. Derudover kan multijunction solceller med høj ydeevne Si bunden celler realiseres i denne tilgang.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke L. Ding og M. Boccard for deres bidrag i behandling og afprøvning af solceller i denne undersøgelse. Forfatterne anerkender støtte fra det amerikanske Department of Energy kontrakt DE-EE0006335 og Engineering Research Center Program af National Science Foundation og Office of Energy Efficiency og vedvarende energi af Department of Energy under NSF samarbejdsaftale nr. EOEF-1041895. Som Dahal på Solar Power Lab blev støttet, en del af NSF kontrakt 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