Utveckla högpresterande GaP/Si halvledarkontakt 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

Här presenterar vi ett protokoll för att utveckla högpresterande GaP/Si halvledarkontakt solceller med en hög Si minoritet-carrier livstid.

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

För att förbättra effektiviteten i Si-baserat solceller utöver deras Shockley-Queisser gräns, är den optimala vägen att integrera dem med III-V-baserade solceller. I detta arbete presenterar vi högpresterande GaP/Si halvledarkontakt solceller med en hög Si minoritet-carrier livslängd och hög crystal kvalitet av epitaxiell GaP lager. Det visas att genom tillämpning av fosfor (P)-diffusion lager i Si underlaget och en syndx lager, Si minoritet-carrier livstid kan vara välskött under GaP tillväxten i den molekylära stråla epitaxyen (MBE). Genom att kontrollera tillväxten villkorar, odlades hög crystal kvaliteten gap på P-rika Si ytan. Filmkvalitet kännetecknas av atomic force microscopy och högupplösta röntgendiffraktion. Dessutom MoOx genomfördes som en hål-selektiv kontakt som ledde till en betydande ökning av kortslutning strömtäthet. Uppnådd hög enhetens prestanda av solcellerna GaP/Si halvledarkontakt upprättar en sökväg för ytterligare förbättring av prestanda för Si-baserat solceller enheter.

Introduction

Det har funnits fortsatta ansträngningar på integration av olika material med galler missmatchningar för att förbättra övergripande solcell effektivitet1,2. III-V/Si integrationen har potential att ytterligare öka den nuvarande Si solcell effektiviteten och ersätta de dyra III-V substratesna (såsom GaAs och Ge) med ett Si substrat för multijunction solcell applikationer. Bland alla III-V binära materialsystem är gallium indiumfosid (GaP) en bra kandidat för detta ändamål, eftersom det har den minsta galler-mismatch (~ 0,4%) med Si och en hög indirekta bandgap. Dessa funktioner kan aktivera hög integration av GaP med Si substrat. Det teoretiskt har visats att GaP/Si halvledarkontakt solceller skulle kunna öka effektiviteten i konventionella passiverad emitter bakre Si solceller3,4 av nytta av den unika band-offset mellan GaP och Si (∆Ev ~1.05 eV och ∆Ec ~0.09 eV). Detta gör GaP en lovande elektron selektiv kontakt för kiselsolceller. För att uppnå hög prestanda GaP/Si halvledarkontakt solceller, krävs en hög Si bulk livstid och högkvalitativa GaP/Si gränssnitt dock.

Under tillväxten av III-V material på ett Si substrat av molekylärt stråla epitaxyen (MBE) och metalorganic dunsten arrangerar gradvis epitaxy (MOVPE), har betydande Si livstid försämring ofta observerats5,6,7, 8 , 9. det avslöjades att livstid nedbrytning främst händer under värmebehandling av de Si Oblaten i reaktorer, vilket krävs för ytan oxid desorption och/eller yta återuppbyggnad innan de epitaxiell tillväxt10. Denna nedbrytning var tillskrivs extrinsic spridningen av föroreningar som härstammar från den tillväxt reaktorer5,7. Flera metoder har föreslagits för att undertrycka denna Si livstid nedbrytning. I vårt tidigare arbete, har vi visat två metoder där Si livstid nedbrytningen kan dämpas avsevärt. Den första metoden demonstrerades genom införandet av syndx som en diffusion barriär7 och den andra genom att införa P-diffusionsskiktet som en gettering agent11 till Si substratet.

I detta arbete, har vi visat högpresterande GaP/Si solceller baserat på de ovannämnda metoderna att minska kisel bulk livstid nedbrytning. De tekniker som används för att bevara Si livstid kan ha breda program i multijunction solceller med aktiva Si nedre celler och elektroniska enheter såsom hög rörlighet CMOS. I denna detaljerade protokoll presenteras GaP/Si halvledarkontakt solceller, inklusive Si wafer rengöring, P-diffusion i ugnen, GaP tillväxt och GaP/Si solceller bearbetning, tillverkning Detaljer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Varning: Läs alla relevanta säkerhetsdatablad (MSDS) innan det arbetar med kemikalier. Använd alla lämpliga säkerhetsrutiner när du utför en solcell tillverkning inklusive spiskåpa och personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, handskar, labbrock, hellånga byxor, stängd tå skor).

1. Si Wafer rengöring

  1. Rengöra Si wafers i Piranha lösning (H2O2h2SO4) på 110 ° C.
    1. För att producera Piranha lösning, fyll den syra bad (HD-polyeten tank och härefter) med 15.14 L H24 (96%) och sedan 1,8 L H2O2 (30%).
    2. Vänta tills temperaturen av lösningen för att stabilisera vid 110 ° C.
    3. Plats 4-tum-diameter, float-zon (FZ), n-typ, och dubbel-sida-polerad Si wafers i en ren 4 ”wafer kassett (polypropen och nedan), och placera båten i Piranha badet i 10 min.
    4. Skölj i 10 min med avjoniserat vatten (DI).
  2. Ren Si wafers med RCA rengöring lösning på 74 ° C.
    1. Bereda en utspädd lösning av HCl:H2O2. Fyll den syra bad med 13,2 L DI H2O och 2.2 L av HCl. Spike lösningen med 2,2 L H2O2 och slå på värmaren.
    2. Vänta tills temperaturen av lösningen för att stabilisera vid 74 ° C före användning.
    3. Sätta Si wafers i en ren 4 ”wafer kassett och placera wafers i RCA lösningen i 10 min.
    4. Skölj med DI vatten i ca 10 min.
  3. Ren Si wafers i buffrad oxid Etch (BOE) lösning.
    1. Häll 15.14 L BOE lösning i syra bad.
    2. Placera 4 ”wafer kassetten i badet för 3 min.
    3. Skölj i 10 min med DI-vatten.
    4. Torka rånet av torra N2.

2. P-diffusion i Diffusion ugnen

  1. Sätt en rengjorda wafer i en diffusion kvarts båt.
  2. Läsa in den i en kvarts röret som har en bas temperatur på 800 ° C. Ramp i ugnen temperatur till 820 ° C i N2 -miljön. På 820 ° C, börja flöda den N2 bärgas som bubblar genom fosfor oxychloride (POCl3) på 1000 sccm. Efter 15 min, Stäng av den N2 bärgas och ramp temperaturen ner till 800 ° C innan du tar proverna ut.
  3. Placera proverna i en BOE lösning för 10 min bort fosfor silikatglas (PSG) och sedan utföra en 10-minuters sköljning i DI-vatten.

3. syndx beläggning av PECVD

  1. Sätter rånet i en ren båt och doppa den i ett BOE bad för 1 min att ta bort den infödda oxiden på ytan.
  2. Skölj i 10 min med DI-vatten.
  3. Torka rånet med en torr N2 pistol.
  4. Placera Si rånet på en ren Si bärare (156 mm monokristall Si).
  5. Lägg provet i plasma förbättrade chemical vapor deposition (PECVD) kammaren.
  6. Insättning 150 nm tjock (38,5 s) syndax vid 350 ° C i kammaren. Deponera syndx på 300 W RF power med 3,5 Torr bas trycket och 60 sccm SiH4 som kisel källa och 60 sccm NH3 som N källa (2000 sccm N2 användes som en spädningsvätska).
    1. Bekräfta tillväxttakten i syndx (3.9 nm/s) genom att deponera syndx filmer med olika nedfall gånger på polerad wafers och mäta tjockleken av variabel vinkel spektroskopisk ellipsometri (VAS).

4. gaP tillväxt av MBE

  1. Efter syndx nedfall, Ladda rånet i MBE kammaren.
  2. Outgas i den inledande avdelningen (180 ° C för 3 h), sedan outgas i buffert kammaren (240 ° C för 2 h). Ladda i till avdelningen som tillväxt och baka vid 850 ° C i 10 min.
  3. Minska temperaturen till 580 ° C. Ökning Ga utgjutning cell temperatur att producera ~2.71×10-7 Torr beam-motsvarande tryck (BEP) och Si utgjutning cell temperatur till 1250 ° C.
  4. Justera p-ventil cracker lägesställaren för att uppnå ~1.16×10-6 Torr BEP. Öppna Ga, P och Si fönsterluckorna och växa 25 nm tjock lucka med en avbruten tillväxt metod (10 cykler av 5 s öppen och 5 s stängd) följt av 121 s av unshuttered tillväxt (dvs öppna Ga och p fönsterluckor samtidigt).
  5. Minska substrat temperaturen till 200 ° C och lasta provet från vakuumkammare.

5. ta bort tillbaka n + och syndx lager genom våta etsning

  1. Täcka gapet ytan med en skyddande tejp för att skydda den från skador som HF.
  2. Bereda ~ 300 mL 49% HF lösning i en plast bägare.
  3. Placera provet i HF lösningen för 5 min att helt ta bort syndenx lagret.
  4. Ta bort skyddstejpen, skölj med DI vatten och torka av N2.
  5. Täcka gapet ytan med en ny skyddande tejp.
  6. Förbereda HNA lösning i en plast bägare (en blandning av fluorvätesyra (HF) (50 mL), salpetersyra (HNO3) (365 mL), och ättiksyra (CH3COOH) (85 mL)) vid rumstemperatur.
    FÖRSIKTIGHET: Placera försiktigt rånet i lösningen att undvika HNA genomträngande in i gapet ytan.
  7. Placera provet i HNA lösningen för 3 min.
  8. Ta bort skyddstejpen och skölj av DI-vatten. Torka av N2.

6. hål-selektiv kontakt bildandet på Bare Si sida

  1. Cleave rånet med en diamant penna i fyra kvartal.
  2. Ren noggrant proverna i en DI vattentank.
  3. Rengöra proverna i ett BOE bad för 30 s för att ta bort den infödda oxiden från ytan.
  4. Skölj i wafers i DI vatten och sedan torka av N2.
  5. Sätta in en 50 nm tjock a-Si: H av PECVD på en av proverna att kontrollera Si livstid.
    1. Insättning av a-Si: H lager på 60 W RF power med ett tryck på 3,2 Torr och 40 sccm SiH4 som kisel källa (200 sccm H2 användes som en spädningsvätska).
    2. Bekräfta tillväxttakten för a-Si: H (1,6 nm/s) genom att sätta in a-Si filmer med olika nedfall gånger på polerad wafers och mäta tjockleken med vas.
  6. Insättning (i) a-Si (9 nm) och (p +) a-Si (16 nm) på ett separat Si prov av PECVD etsade (front) sida.
    1. Insättning av p-skikt med a-Si på 37 W RF power med ett tryck på 3,2 Torr och 40 sccm SiH4 som kisel källa och 18 sccm B [CH3]3 som de boron dopämne (197 sccm H2 användes som en spädningsvätska).
    2. Bekräfta tillväxttakten av p-typ a-Si (2,0 nm/s) genom att sätta in a-Si filmer med olika tillväxt gånger på de polerade wafers och mäta tjockleken med vas.
  7. Sätta in ett 9 nm tjock MoOx lager på rumstemperaturen genom termisk avdunstningen från en MoO3 (99,99%) källa med en beläggningshastighet 0,5 Å / s.

7. extern kontakt bildandet

  1. Insättning 75 nm tjock Indium Tin oxid (ITO) (i2O3/SnO2 = 95/5 (viktprocent), 99,99%) lager på GaP sida av proverna med RF sputtering (RF-effekten 1 kW och tryck av 5 Torr) med en syre flöde av 2,2 sccm.
  2. Lasta av proverna och vänd dem. Använd sedan mesa skugga masken på proverna för ITO mesa nedfall.
  3. Insättning 75 nm tjock ITO av RF sputtring. Insättning 200 nm tjock silver (RF-effekten 1 kW och tryck av 8 Torr) för fingrarna som täcker finger skugga masken. Insättning 200 nm tjock silver på GaP sida av proverna som tillbaka kontakt.
  4. Glödga proverna i en ugn under atmosfäriskt tryck på 220 ° C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Atomic force microscopy (AFM) bilder och högupplösta röntgendiffraktion (XRD) genomsökningar, inklusive gungande kurvan i närheten av (004) reflektion och ömsesidiga utrymme karta (RSM) i närheten av (224) reflektion, samlades för GaP/Si struktur (figur 1). AFM användes att karakterisera ytan morfologi av MBE-odlade klyftan och XRD användes för att undersöka crystal kvaliteten GaP lager. Effektiv minoritet-carrier livstid GaP/Si struktur och Si bulk mättes för att undersöka effektiviteten av livstid bevara metoder som används i detta arbete. Yttre quantum effektivitet (EQE), ytan speglar, pseudo ljus J-V (Solar-Voc), och ljus J-V av GaP/Si sista enheter samlades (figur 2). Den interna quantum effektiviteten (IQE) genererades från reflektion korrigerade EQE data. Ljus och pseudo J-V parametrarna listas i tabell 1. Effektivitetsvinsterna av 13,1% och 14,1% med en öppen krets spänning (Voc) av 618 mV och 598 mV uppnås från struktur A och B, respektive. MoOx lagret i struktur B som en hål-selektiv kontakt presterade bättre än bättre än a-Si: H i struktur A.

Figure 1
Figur 1: karakterisering av lagrets GaP GaP/Si struktur. (a) 1 x 1 μm2 AFM bilden av 25 nm tjock lucka ytan. (b) sammanhängande Dubbelrum crystal (DC) ω-2θ gungande kurva (svart) i närheten av Si och GaP (004) reflektioner (en monterad kurva (röd) struktur presenteras också). (c) ömsesidiga utrymme karta över (224) diffraktion ställen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: elektriska egenskaper GaP/Si halvledarkontakt enheter. (a) effektiv minoritet-carrier livstid GaP/Si struktur (svarta prickar) och Si bulk livstid (röda prickar). (b) IQE och ytreflektion spektra av a-Si/Si/GaP (struktur A) (svart) och MoOx/Si/GaP (struktur B) (blå). (c) ljus J-V (svart) och pseudo lätt J-V (röd) i a-Si/Si/GaP-enhet. (d) ljus J-V (svart) och pseudo lätt J-V (röd) i MoOx/Si/GaP enhet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

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

Tabell 1. Ljus och pseudo J-V värden för GaP/Si heterojunctions solceller.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ett nominellt 25 nm tjock lucka lager odlades epitaxially på en P-rika Si yta via MBE. För att växa en bättre kvalitet på GaP lager på Si substrat, en relativt låg V/III är (P/Ga) förhållandet att föredra. En bra kristall kvalitet av GaP skikt är nödvändigt för att uppnå hög ledningsförmåga och låg densitet av rekombination centra. Den AFM root-mean-square (RMS) GaP yta är ~0.52 nm visar en slät yta med inga gropar, vägledande av hög crystal kvalitet med en låg trädande dislokation densitet (figur 1a). Dessutom observerades pendellosung fransar från ω-2θ gungande kurvan (figur 1b) vägledande smidigt gränssnitt. Full bredd högst hälften (FWHM) GaP topp mätt från den tredubbla crystal ω rocking kurvan är ~ 14 man också påvisa och gängning dislokation densiteten beräknats är ~ 2 × 106 cm-2. RSM (figur 1 c) i närheten av (224) diffraktion fläckar av GaP/Si provet visar sammanhängande GaP och Si toppar, vilket indikerar att klyftan är fullt ansträngd till Si substratet med bra kristallina kvalitet.

Det kritiska steget för att uppnå hög prestanda Si-baserat solceller är att upprätthålla hög Si minoritet-carrier livstider i hela nedfall av GaP. Det är visat att genom att sätta n + lagret innan GaP tillväxten, Si bulk livstid kan vara välskött (upp till en millisekunder nivå). Dessutom mättes GaP/Si livstid vara ~ 100 μs efter GaP tillväxt i MBE kammaren. Si uppnått hög livslängd anger en lovande enhetsprestanda (som visas i figur 2 c). Ljus och pseudo J-V parametrarna för GaP/Si heterojunctions solceller (a-Si/Si/GaP (struktur A) och MoOx/Si/GaP (struktur B)) anges i tabell 1, mätt under en AM1.5G skick med bestrålning intensitet av 1 kW m-2. Medan ITO och Ag tillämpades som kontakt lagren i GaP skiktet i detta arbete, för att uppnå bättre prestanda för GaP/Si solceller, rekommenderas det dock att optimera ITO tjocklek, transparens och dess ledningsförmåga.

I detta arbete användes MoOx också som en hål selektiv kontakt att ytterligare effektivisera carrier samling vid korta våglängder. Benefitting från den högre bandgap MoOx jämfört med a-Si skikten, IQE visar en boost på kort våglängd regimen (300-600 nm). MoOx/Si/GaP solcell visat ett bättre resultat än de bäst presterande MoOx/Si solceller rapporteras i litteraturen12 utan att infoga det passivering lagret mellan MoOx och Si gränssnitt.

Även om en hög Si bulk livstid kan uppnås från den ovannämnda metoden, är minoritet-carrier livstid GaP/Si struktur fortfarande inte jämförbar med a-Si passiverad strukturer, vilket innebär att GaP lager kvalitet bör förbättras ytterligare. Det påvisade synsätt som kräver en diffusion steg och syndx ytskikt kan påverka ytan kvaliteten på Si; Därför kan efterföljande GaP kristall kvalitet påverkas. Dessutom ut fotoelektronspektroskopi mark i (XPS) och sekundär-ion mass spectrometry (SIMS) kan utföras för att undersöka P-diffusion profil i denna struktur.

I detta arbete, har vi visat de högpresterande GaP/Si halvledarkontakt solcellerna genom att infoga n + lager i Si substrat innan GaP tillväxten. Detta protokoll kan användas för att upprätthålla en hög minoritet-carrier livstid av Si medan epitaxially växer inte bara GaP (presenteras här) utan också till andra III-V eller II-VI material för att uppnå halvledarkontakt enheter. Dessutom kan multijunction solceller med högpresterande Si nedre celler förverkligas genom detta tillvägagångssätt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill tacka L. Ding och M. Boccard för deras bidrag i bearbetning och provning av Solcellerna i denna studie. Författarna erkänner finansiering från US Department of Energy under kontrakt DE-EE0006335 och programmet Engineering Research Center National Science Foundation och den kontor av energieffektivitet och förnybar energi av Department of Energy enligt NSF samarbetsavtal No. EEG-1041895. Som Dahal på Solar Power Lab stöddes, delvis av 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