研制高性能的 gap-硅异构太阳能电池
概要
在这里, 我们提出了一个协议, 以开发高性能的 gap/si 异质结太阳能电池具有较高的硅少数民族载体寿命。
Abstract
为了将硅基太阳能电池的效率提高到高于其冲击-quisser 极限之外, 最佳路径是将其与基于 iii-v 的太阳能电池集成。在本工作中, 我们提出了高性能的 gap/硅异质结连接太阳能电池具有较高的硅载流子寿命和高晶体质量的外延 gap 层。结果表明, 在分子束外延 (mbe) 的 gap 生长过程中, 将磷 (p) 扩散层应用于硅基板和硅x层, 可以很好地保持硅的小载体寿命。通过控制生长条件, 在富 p 硅表面生长高晶质量的 gap。薄膜质量的特点是原子力显微镜和高分辨率 x 射线衍射。此外, moox是作为孔选择性接触实施的, 导致短路电流密度显著增加。实现了 gap/si 异质连接太阳能电池的高器件性能, 为进一步提高硅基光伏器件的性能奠定了基础。
Introduction
为了提高太阳能电池的整体效率 1,2, 一直在努力将不同的材料与晶格错配结合起来。iii-vsi 集成有可能进一步提高目前的 si 太阳能电池效率, 并将昂贵的 iii-v 基板 (如 gaas 和 ge) 替换为用于多结点太阳能电池应用的 si 基板。在所有 iii-v 二元材料系统中, 磷化镓 (gap) 是这方面的一个很好的候选系统, 因为它具有最小的网状不匹配 (~ 0.4%), 具有硅和高间接带隙。这些特性可以实现 gap 与硅基板的高质量集成。理论上已经证明, gap/si 异质结太阳能电池可以通过利用 gap 和 si 之间独特的带偏移 (e v v) 来提高传统钝化发射器后方硅太阳能电池的效率。~ 1.05 ev 和 ec ~ 0.09 ev)。这使得 gap 成为硅太阳能电池的一种很有前途的电子选择性接触。然而, 为了实现高性能的 gap/si 异质结太阳能电池, 需要高硅的体积寿命和较高的 gap/si 接口质量。
在分子束外延 (mbe) 和金属有机气相外延 (movpe) 在硅基板上生长 iii-v 材料的过程中, 广泛观察到硅的寿命显著退化 5,6,7,8,9. 结果表明, 寿命退化主要发生在反应器中硅晶片的热处理过程中, 这是外延生长前表面氧化物解吸和表面重建所必需的10。这种降解归因于来自生长反应器5,7的污染物的外在扩散。提出了几种抑制硅寿命退化的方法。在我们之前的工作中, 我们已经演示了两种方法, 其中 si 寿命退化可以显著抑制。第一种方法是将 sinx 引入扩散屏障7 , 第二种方法是将 p-扩散层作为带去示剂11引入硅基板.
在这项工作中, 我们已经证明了高性能的 gap/si 太阳能电池基于上述方法, 以减轻硅块寿命的退化。用于保持硅寿命的技术可广泛应用于具有活性硅底电池的多结点太阳能电池和高迁移率 cmos 等电子器件。在该详细协议中, 介绍了 gap/si 异质结太阳能电池的制备细节, 包括硅晶片清洗、炉内 p 扩散、gap 生长和 GaP/Si 太阳能电池加工。
Protocol
Representative Results
Discussion
通过 mbe 在富 p 硅表面上外延生长了一个公称25毫米厚的 gap 层。为了在硅基板上生长较好的 gap 层质量, 最好采用相对较低的 v/iii (p/ga) 比。为了实现重组中心的高导电性和低密度, 必须具有良好的 gap 层晶体质量。gap 表面的 afm 根均方 (rms) 为 ~ 0.52 nm, 表面光滑, 无坑, 表明晶体质量高, 螺纹位错密度低 (图 1a)。此外, 从-2 摇摆曲线 (图 1b) 中观察到了摆斯?…
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者要感谢 l. ding 和 m. boccard 在本研究中对太阳能电池的加工和测试所做的贡献。作者感谢美国能源部根据 de-e00063335 合同提供的资金, 以及国家科学基金会工程研究中心项目和能源部能源效率和可再生能源办公室提供的资金根据 nsf 合作协定第1号。eec-1041895。太阳能发电实验室的 som dahal 在一定程度上得到了 nsf 合同 eccs-1542160 的支持。
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 |
参考文献
- 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).
