Utvikle høy ytelse GaP/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

Her presenterer vi en protokoll for å utvikle høy ytelse GaP/Si heterojunction solceller med høy Si mindretall-carrier levetid.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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 å forbedre effektiviteten av Si-baserte solceller utover deres Shockley-trombonens grense, er den optimale banen å integrere dem med III-V-baserte solceller. I dette arbeidet presenterer vi høy ytelse GaP/Si heterojunction solceller med høy Si mindretall-carrier levetid og høy krystall kvaliteten på epitaxial GaP lag. Det er vist at ved å bruke fosfor (P)-diffusjon lag i Si underlaget og en syndx lag, Si mindretall-carrier levetid kan være godt vedlikeholdt under GaP veksten i molekylær strålen epitaxy (MBE). Ved å kontrollere forholdene vekst, ble høy krystall kvaliteten på GaP dyrket på P-rik Si overflaten. Filmkvalitet kjennetegnes av atomic force mikroskopi og høy oppløsning x-ray Diffraksjon. I tillegg MoOx ble gjennomført som en hull-selektiv kontakt som førte til en betydelig økning i de kortslutte nåværende tetthet. Oppnådd høye enhet ytelse GaP/Si heterojunction solcellene oppretter en bane for ytterligere forbedring av ytelsen til Si photovoltaic enheter.

Introduction

Det har vært en vedvarende innsats på integrasjon av ulike materialer med gitter uoverensstemmelser for å forbedre generelle solcelle effektivitet1,2. III-V/Si integrering har potensial til å ytterligere øke den gjeldende Si solar cell effektiviteten og erstatte de dyre III-V underlag (for eksempel GaAs og Ge) med en Si substrat for multijunction solcelle formål. Blant alle III-V binære materiale systemer er gallium phosphide (GaP) en god kandidat for dette formålet, som har den minste gitter-feil (~ 0,4%) og Si en høy indirekte bandgap. Disse funksjonene kan aktivere høy kvalitet integrering av gapet med Si substrat. Det har teoretisk vist at gapet/Si heterojunction solceller kan forbedre effektiviteten av konvensjonelle paddivert emitter bakre Si solceller3,4 ved av unike band-forskyvningen mellom GaP og Si (∆Ev ~1.05 eV og ∆Ec ~0.09 eV). Dette gjør GaP en lovende elektron selektiv kontakt for silisium solceller. Men for å oppnå høy ytelse GaP/Si heterojunction solceller, er en høy Si bulk levetid og høy GaP/Si grensesnitt kvalitet nødvendig.

Under veksten av III-V materialer på et Si substrat av molekylære strålen epitaxy (MBE) og metalorganic damp fasen epitaxy (MOVPE), er betydelig Si levetid fornedrelse mye observert5,6,7, 8 , 9. det ble avslørt at levetid nedbrytning hovedsakelig skjer i løpet av den termale behandlingen Si wafere i reaktorer, som kreves for overflate og desorpsjon og/eller overflaten gjenoppbygging før epitaxial vekst10. Denne forringelsen ble tilskrevet ytre spredningen av forurensninger stammer fra vekst reaktorer5,7. Flere tilnærminger har blitt foreslått å undertrykke dette Si levetid degradering. I vår tidligere arbeid, har vi vist to metoder som Si levetid nedbrytning kan bli betydelig undertrykt. Den første metoden ble demonstrert av innføringen av SiNx som en diffusjon barriere7 og den andre ved å introdusere P-diffusjon laget som en gettering agent11 til Si underlaget.

I dette arbeidet har vi vist høyytelses GaP/Si solceller basert på de nevnte tilnærmingene til å redusere silisium bulk levetid nedbrytning. Teknikkene som brukes å bevare det Si levetiden kan har bred programmer i multijunction solceller aktive Si bunnen celler og elektroniske enheter som høy-mobilitet CMOS. Denne detaljerte protokollen, blir fabrikasjon detaljer om gapet/Si heterojunction solceller, inkludert Si wafer rengjøring, P-diffusjon i ovn, GaP vekst og GaP/Si solceller behandling, presentert.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

FORSIKTIG: Se alle relevante sikkerhetsdatablader (MSDS) før håndtering av kjemikalier. Kan bruke alle nødvendige sikkerhets praksis når en solar cellen fabrikasjon inkludert avtrekksvifte og personlig verneutstyr (vernebriller, hansker, laboratoriefrakk, full lengde bukser, lukket-toe sko).

1. Si Wafer rengjøring

  1. Rengjør Si wafere i Piranha løsning (H2O2h2SO4) på 110 ° C.
    1. For å produsere Piranha løsning, acid badet fylles (høy tetthet polyetylen tank og heretter) med 15.14 L av H24 (96%) og deretter 1.8 L av H2O2 (30%).
    2. Vent til temperaturen i løsningen å stabilisere seg på 110 ° C.
    3. Plasser 4-tommers-diameter, float-sonen (FZ), n-type, og dobbel-side-polert Si wafere i en ren 4" wafer kassett (polypropylen og heretter), og plassere båten i Piranha badekaret for 10 min.
    4. Skyll i 10 min med deionisert (DI) vann.
  2. Rengjør Si wafere med RCA rensemiddel på 74 ° C.
    1. Forberede en utvannet løsning av HCl:H2O2. Acid badet fylles med 13,2 L DI H2O og 2.2 L av HCl. spiker løsningen med 2.2 L av H2O2 og slå på ovnen.
    2. Vent til temperaturen i løsningen å stabilisere ved 74 ° C før bruk.
    3. Si wafere innlegge en ren 4" wafer kassett og plasser wafere i RCA løsningen for 10 min.
    4. Skyll med DI vann i 10 minutter.
  3. Rengjør Si wafere i bufret oksid Etch (BOE) løsning.
    1. Hell 15.14 L BOE løsning i syre badekaret.
    2. Sett 4" wafer kassetten i badekaret for 3 min.
    3. Skyll i 10 min med DI vann.
    4. Tørr kjeks med tørr N2.

2. P-diffusjon i Diffusion ovn

  1. Sette en renset wafer i diffusjon kvarts båt.
  2. Laste det inn et quartz rør som har en base temperatur av 800 ° C. Rampen ovn temperatur 820 ° c i N2 miljøet. Ved 820 ° C, begynne å strømme N2 carrier gassen som bobler gjennom fosfor oxychloride (POCl3) på 1000 sccm. Etter 15 minutter, slå av N2 carrier gassen og rampen temperaturen ned til 800 ° C før du tar prøver ut.
  3. Sett prøvene i en BOE løsning for 10 min å fjerne fosfor silikat glass (PSG) og deretter utføre en 10-minutters skylling i DI vann.

3. syndx belegg av PECVD

  1. Sett kjeks i en ren båt og dyppe den i en BOE bad for 1 min fjerne innfødt oksid på overflaten.
  2. Skyll i 10 min med DI vann.
  3. Tørr kjeks med en tørr N2 pistol.
  4. Plass Si kjeks på en ren Si operatør (156 mm monokrystallinske Si).
  5. Laste inn prøven i plasma forbedret kjemiske damp avsetning (PECVD) kammeret.
  6. Innskudd 150 nm-tykk (38,5 s) syndx 350 ° c i kammeret. Sette inn SiNx 300 W RF power med en base presset av 3,5 Torr og 60 sccm SiH4 som silisium og 60 sccm NH3 som N (2000 sccm N2 ble brukt som en fortynner).
    1. Bekreft veksten av SiNx (3,9 nm/s) ved innskudd syndx filmer med forskjellige deponering ganger på polert wafere og måle tykkelser av variabel vinkel spektroskopiske ellipsometry (VASE).

4. gaP vekst av MBE

  1. Etter SiNx deponering, laste kjeks i MBE kammeret.
  2. Outgas i innledende chamber (180 ° C for 3t), deretter outgas i buffer chamber (240 ° C for 2t). Laster inn til vekst chamber og stek ved 850 ° C i 10 min.
  3. Redusere temperaturen til 580 ° C. Øke Ga effusjon celle temperatur for å produsere ~2.71×10-7 Torr strålen tilsvarende trykk (BEP) og Si effusjon celle temperatur til 1250 ° C.
  4. Justere p-valved sprakk positioner for å oppnå ~1.16×10-6 Torr BEP. Åpne skoddene Ga, P og Si og vokse 25 nm-tykk mellomrom med en avbrutt vekst metode (10 sykluser av 5 s åpen og 5 s lukket) etterfulgt av 121 s unshuttered vekst (dvs. åpne Ga og p vindusskodder samtidig).
  5. Reduser substrat temperaturen til 200 ° C og fjerne prøven fra vakuum kammeret.

5. ta tilbake n + og syndx lag av våt etsing

  1. Dekke gapet overflaten med en beskyttende tape for å beskytte den mot HF skaden.
  2. Forberede ~ 300 mL 49% HF løsningen i en plast kanne.
  3. Plass prøven i HF løsningen for 5 min å helt fjerne syndx laget.
  4. Fjerne beskyttelsesbåndet, skyll med Ionisert vann, og tørk av N2.
  5. Dekke gapet overflaten med en ny beskyttelsesbåndet.
  6. Forberede HNA løsning i et plast beaker (en blanding av flussyre (HF) (50 mL), salpetersyre (HNO3) (365 mL), og syrestyrken syren (CH3COOH) (85 mL)) i romtemperatur.
    FORSIKTIG: Forsiktig plassere kjeks i løsningen å unngå HNA trenge inn i gapet overflaten.
  7. Plasser prøven i den HNA løsningen for 3 min.
  8. Fjern den beskyttende tapen og skyll av DI vann. Tørr av N2.

6. hull-selektiv kontakt formasjon på nakne Si Side

  1. Cleave kjeks med en diamant inn i fire kvartaler.
  2. Rengjør eksemplene i en DI vanntank.
  3. Rengjør eksemplene i BOE badekar for 30 å fjerne den opprinnelige oksid fra overflaten.
  4. Skyll i wafere i DI vann og tørk av N2.
  5. Sette inn en 50 nm-tykk a-Si: H ved PECVD på en av prøvene å sjekke Si levetiden.
    1. Sette inn a-Si: H lag på 60 W RF power med et trykk på 3,2 Torr og 40 sccm SiH4 silisium kilde (200 sccm H2 ble brukt som en fortynner).
    2. Bekrefte veksten av a-Si: H (1.6 nm/s) ved innskudd a-Si filmer med forskjellige deponering ganger på polert wafere og måle tykkelsen med VASE.
  6. Innskudd (i) a-Si (9 nm) og (p +) a-Si (16 nm) på etset (front) siden i en egen Si utvalg av PECVD.
    1. Sette inn p-type a-Si lag 37 W RF power med et trykk på 3,2 Torr og 40 sccm SiH4 silisium kilde og 18 sccm B [lm3]3 som bor dopant (197 sccm H2 ble brukt som en fortynner).
    2. Kontrollere veksten av p-type a-Si (2.0 nm/s) ved innskudd a-Si filmer med ulike vekst ganger på polert wafere og måle tykkelser med VASE.
  7. Sette inn et 9 nm-tykk MoOx lag romtemperaturen av termisk fordampning fra noen MoO3 (99,99%) med en avsetning rate på 0,5 Å / s.

7. ekstern kontakt formasjon

  1. Innskudd 75 nm-tykk Indium Tin oksid (ITO) (i2O3/SnO2 = 95/5 (vekt prosent), 99,99%) lag på GaP side av prøvene av RF sputtering (RF power 1 kW og presset av 5 Torr) med en oksygen flow rate på 2,2 sccm.
  2. Losse prøvene og slå dem over. Deretter Bruk mesa skygge maske på prøvene til ITO mesa deponering.
  3. Innskudd 75 nm-tykk ITO av RF sputtering. Innskudd 200 nm-tykk sølv (RF power 1 kW og presset av 8 Torr) for fingrene dekker finger skygge masken. Innskudd 200 nm-tykk sølv på GaP side av prøvene som tilbake kontakten.
  4. Anneal eksemplene i en ovn under lufttrykk på 220 ° C.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Atomic force mikroskopi (AFM) bilder og høy oppløsning x-ray Diffraksjon (XRD) skanner, inkludert rocking buen i (004) refleksjon og gjensidige rom kartet (RSM) i (224) refleksjon, ble samlet for GaP/Si struktur (figur 1). AFM ble brukt til å prege overflaten morfologi av MBE dyrket gapet og XRD ble brukt til å undersøke krystall kvaliteten på GaP lag. Effektiv mindretall-carrier levetiden av gapet/Si struktur og Si bulk ble målt for å undersøke effektiviteten av levetiden bevare metoder som brukes i dette arbeidet. Eksterne quantum effektivitet (EQE), overflaten refleksjon, pseudo lys J-V (Suns-Voc), og lys J-V av gapet/Si endelig enheter ble samlet (figur 2). Intern quantum effektivitet (IQE) ble generert fra refleksjon korrigert EQE data. Lys og pseudo J-V parameterne er oppført i tabell 1. Effektiviteten av 13.1% og 14,1% med en åpen krets spenning (Voc) av 618 mV og 598 mV er oppnådd fra struktur A og B, henholdsvis. MoOx laget i strukturen B som hull-selektiv kontakt utført bedre enn bedre enn a-Si: H struktur A.

Figure 1
Figur 1: karakterisering av gapet laget av gapet/Si. (a) 1 x 1 μm2 AFM bilde av 25 nm-tykk GaP overflaten. (b) sammenhengende Dobbeltrom crystal (DC) ω-2θ rock kurve (svart) i Si og GaP (004) tanker (en montert kurve (rød) av strukturen er også presentert). (c) gjensidige plass kart over (224) Diffraksjon flekker. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: elektriske egenskaper GaP/Si heterojunction enhetene. (a) effektiv mindretall-carrier levetid på GaP/Si struktur (svarte prikker) og Si bulk levetid (røde prikker). (b) IQE og overflaterefleksjon spektra av a-Si/Si/GaP (struktur A) (svart) og MoOx/Si/GaP (strukturen B) (blå). (c) lys J-V (svart) og pseudo lys J-V (rød) a-Si/Si/GaP enhet. (d) lys J-V (svart) og pseudo lys J-V (rød) av MoOx/Si/GaP enhet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

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

Tabell 1. Lys og pseudo J-V verdier for GaP/Si heterojunctions solceller.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

En nominell 25 nm-tykk GaP lag var epitaxially dyrket på en P-rik Si overflate via MBE. For å vokse en bedre kvalitet på GaP lag på Si underlag, en relativt lav V/III er (P/Ga) forholdet å foretrekke. En god krystall kvalitet GaP lag er nødvendig for å oppnå høy ledningsevne og lav tetthet av rekombinasjon sentre. Det AFM root-betyr-torget (RMS) av gapet overflaten er ~0.52 nm viser en glatt overflate med ingen groper, indikativ av høy krystall kvalitet med lav tråder forvridning tetthet (figur 1a). Videre ble pendellosung frynser observert fra ω-2θ rock kurven (figur 1b) indikativ av glatt grensesnitt. Full bredde med halv maksimum (FWHM) av gapet toppen målt fra trippel krystall ω rocking kurven er ~ 14 arcsec tråder forvridning tetthet beregnet er ~ 2 × 106 cm-2. RSM (figur 1 c) i (224) Diffraksjon flekker på GaP/Si utvalget viser sammenhengende GaP og Si topper, som indikerer gapet er fullt anstrengt å Si underlaget med god krystallinsk kvalitet.

Det avgjørende skrittet for å oppnå høy ytelse Si-baserte solceller er å opprettholde høy Si mindretall-carrier levetid gjennom avsetning gap. Det er vist at ved å sette inn n + laget før gapet veksten, Si bulk levetid kan godt vedlikeholdt (opp til et millisekunder nivå). I tillegg ble GaP/Si levetid målt for å være ~ 100 μs etter gapet vekst i MBE kammeret. Oppnådd høye levetiden til Si angir en lovende enhet ytelse (som vist i figur 2 c). Lys og pseudo J-V parameterne for GaP/Si heterojunctions solceller (a-Si/Si/GaP (struktur A) og MoOx/Si/GaP (strukturen B)) er oppført i tabell 1, målt under en AM1.5G tilstand med bestråling intensiteten av 1 kW m-2. Mens ITO og Ag ble brukt som kontakt lagene på GaP laget i dette arbeidet, men anbefales for å oppnå bedre ytelse av gapet/Si solceller, å optimalisere ITO tykkelse, gjennomsiktighet og dens ledningsevne.

I dette arbeidet, ble MoOx også brukt som hull selektiv kontakt for å forbedre carrier samling effektiviteten på korte bølgelengder. Fordeler fra de høyere bandgap av MoOx i forhold til a-Si lag, IQE viser et løft på kort bølgelengde regimet (300-600 nm). MoOx/Si/GaP solar cellen viste en bedre ytelse enn de beste resultater MoOx/Si solceller rapportert i litteraturen12 uten å sette inn passivation laget mellom MoOx og Si grensesnitt.

Selv om en høy Si bulk levetid kan oppnås fra nevnte tilnærming, er mindretall-carrier levetid GaP/Si struktur fortsatt ikke sammenlignes med a-Si paddivert strukturer, som innebærer at gapet lag kvaliteten bør forbedres ytterligere. Demonstrert tilnærming som krever en diffusjon trinn og syndx belegg lag kan påvirke overflaten kvaliteten på Si; Derfor kan påfølgende GaP krystall kvaliteten bli påvirket. Videre x-ray photoelectron spektroskopi (XPS) og sekundær-ion massespektrometri (SIMS) kan utføres for å undersøke P-diffusjon profilen i denne strukturen.

I dette arbeidet har vi vist solceller for høy ytelse GaP/Si heterojunction ved å sette inn n + lag i Si underlag før gapet veksten. Denne protokollen kan brukes for å opprettholde en høy mindretall-carrier levetid på Si mens epitaxially vokser ikke bare GaP (presentert her) men også til andre III-V eller II-VI materialer for å oppnå heterojunction enheter. Videre kan multijunction solceller med høy ytelse Si bunnen celler realiseres ved denne tilnærmingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil takke L. Ding og M. Boccard for deres bidrag på behandling og testing av solceller i denne studien. Forfatterne bekrefter finansiering fra US Department of Energy kontrakt DE-EE0006335 og Engineering Research Center programmet av National Science Foundation og Office av energieffektivisering og fornybar energi av Department of Energy under NSF samarbeidsavtale nr. EEC-1041895. Som Dahal ved Solar Power Lab ble støttet, 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