Desarrollo de células solares de alto rendimiento brecha/Si Heterojunction
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para desarrollar alto rendimiento GaP/Si células solares de heterounión con alta Si minoría portador toda la vida.
Abstract
Para mejorar la eficiencia de células solares basadas en Si más allá de su límite Shockley-Queisser, la ruta óptima es integrarlas con las células solares basadas en III-V. En este trabajo, presentamos células solares de alto rendimiento brecha/Si heterojunction con una alta vida útil del portador de la minoría de Si y cristal alta calidad de capas epitaxiales de GaP. Se muestra que mediante la aplicación de fósforo (P)-capas de difusión en el sustrato Si y una capa dex de pecado, la vida del portador de la minoría Si puede ser bien mantenida durante el crecimiento de la brecha en el epitaxy de viga molecular (MBE). Controlando las condiciones de crecimiento, la calidad de cristal alto de boquete se cultivaba en la superficie P-rico Si. La calidad de la película se caracteriza por microscopía de fuerza atómica y difracción de rayos x de alta resolución. Además, MoOx se implementó como un contacto selectivo de agujero que llevó a un aumento significativo en la densidad de corriente de cortocircuito. El rendimiento alcanzado alta de las células de solares de heterounión GaP/Si establece una ruta para mejorar aún más el rendimiento de dispositivos fotovoltaicos basados en Si.
Introduction
Ha habido un esfuerzo continuo en la integración de diferentes materiales con desajustes del enrejado con el fin de mejorar la total eficiencia de células solares1,2. La integración de III-V/Si tiene el potencial para aumentar la eficiencia de células solares de Si actual y reemplazar los sustratos caros de III-V (como el GaAs y el Ge) con un sustrato de Si para aplicaciones de células solares multiunión. Entre todos sistemas material binario de III-V, fosfuro de galio (GaP) es un buen candidato para este propósito, como lo ha hecho el menor desajuste de enrejado (~ 0.4%) y Si un bandgap indirecto alto. Estas características permiten alta calidad integración de brecha con un sustrato de Si. Se ha demostrado teóricamente que GaP/Si células solares de heterounión podría mejorar la eficacia del emisor apaciguado convencional posterior Si células solares3,4 por beneficiarse del único banda-desplazamiento entre GaP y Si (∆Ev ~1.05 eV y ∆Ec ~0.09 eV). Esto hace diferencia un prometedor contacto selectivo electrón para células solares de silicio. Sin embargo, para lograr células solares de alto rendimiento brecha/Si heterounión, una alta brecha/Si interfaz calidad y alto curso de la vida a granel Si se requieren.
Durante el crecimiento de materiales III-V en un substrato de Si por epitaxia de haces moleculares (MBE) y epitaxy de la fase de vapor de metalorganic (MOVPE), degradación significativa de toda la vida Si se ha observado ampliamente5,6,7, 8 , 9. se reveló que la degradación de la vida ocurre principalmente durante el tratamiento térmico de las obleas de Si en los reactores, que se requiere para la reconstrucción de desorción o superficie de óxido superficial antes del crecimiento epitaxial10. Esta degradación fue atribuida a la difusión extrínseca de contaminantes originados de los reactores de crecimiento5,7. Se han propuesto varios enfoques para suprimir esta degradación de toda la vida Si. En nuestro trabajo anterior, hemos demostrado dos métodos en que la degradación de toda la vida Si puede ser suprimida significativamente. El primer método fue demostrado por la introducción del pecadox como una barrera de difusión7 y la segunda mediante la introducción de la capa de difusión de P como un agente de seguir11 al sustrato Si.
En este trabajo, hemos demostrado alto rendimiento brecha/Si células solares basadas en los enfoques mencionados para mitigar la degradación de toda la vida de silicio a granel. Las técnicas utilizadas para preservar la vida Si pueden tener amplias aplicaciones en las células solares multiunión con células activas de fondo Si y dispositivos electrónicos como el CMOS de alta movilidad. En este protocolo detallado, se presentan los detalles de fabricación de GaP/Si heterojunction células solares, incluyendo la limpieza de obleas de Si, P-difusión en el horno, crecimiento de la brecha y las células solares de la brecha/Si proceso.
Protocol
Representative Results
Discussion
Una capa de separación nominal de 25 nm de espesor epigenéticamente se cultiva en una superficie Si P-rico través de MBE. Para cultivar una mejor calidad de capa de brecha sobre sustratos de Si, un V/III relativamente baja ratio (P/Ga) es preferible. Una calidad de cristal de la capa de vacío es necesaria para lograr la alta conductividad y baja densidad de centros de recombinación. La AFM media cuadrática (RMS) de la superficie de separación es ~0.52 nm mostrando una superficie lisa con sin hoyos, indicativa de c…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a L. Ding y Boccard M. por sus contribuciones en el procesamiento y análisis de las células solares en este estudio. Los autores reconocen que la financiación del Departamento de energía estadounidense bajo contrato DE EE0006335 y el programa de centro de investigación ingeniería de la National Science Foundation y la oficina de eficiencia energética y energía renovable del Departamento de energía bajo NSF acuerdo cooperativo no. CEE-1041895. Dahal de SOM en el laboratorio de energía Solar fue apoyada, en parte, por contrato de NSF ECCS-1542160.
Materials
| 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 |
Referencias
- 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).
- Vadiee, E., et al. AlGaSb-Based Solar Cells Grown on GaAs: Structural investigation and device performance. IEEE Journal of Photovoltaics. , (2017).
- 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).
- 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).
- 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). , 2048-2051 (2016).
- Ding, L., et al. Silicon minority-carrier lifetime degradation during molecular beam heteroepitaxial III-V material growth. Energy Procedia. 92, 617-623 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ishizaka, A., Shiraki, Y. Low temperature surface cleaning of silicon and its application to silicon MBE. Journal of The Electrochemical Society. 133, 666 (1986).
- 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).
- Battaglia, C., et al. Hole Selective MoOx Contact for Silicon Solar Cells. Nano Letters. 14, 967-971 (2014).
