Ontwikkeling van High Performance GaP/Si heterojunctie zonnecellen
Summary
Hier presenteren we een protocol voor de ontwikkeling van high-performance GaP/Si heterojunctie zonnecellen met een hoge Si minderheid-carrier levensduur.
Abstract
Ter verbetering van de efficiëntie van zonnecellen Si gebaseerde voorbij de limiet van hun Shockley-Queisser, is het optimale pad om ze te integreren met zonnecellen op basis van III-V. Hierbij presenteren wij hoge prestaties GaP/Si heterojunctie zonnecellen met een hoge Si minderheid-carrier levensduur en kristal van hoge kwaliteit van de epitaxiale kloof lagen. Het is aangetoond dat door het toepassen van fosfor (P)-diffusie lagen in het Si-substraat en een zondex laag, de levensduur van de minderheid-carrier Si tijdens de groei van de kloof in de moleculaire straal epitaxie (MBE) goed onderhouden kan worden. Door het beheersen van de groei-omstandigheden, werd de hoge crystal kwaliteit van GaP gekweekt op het oppervlak van de P-rijke Si. De kwaliteit van de film wordt gekenmerkt door atomaire kracht microscopie en hoge resolutie Röntgendiffractie. Daarnaast MoOx is geïmplementeerd als een gat-selectieve contactpersoon die hebben geleid tot een aanzienlijke toename van de stroomdichtheid kortsluiting. De bereikte hoge Apparaatprestaties van de zonnecellen van GaP/Si heterojunctie stelt een pad voor verdere verbetering van de prestaties van Si-fotovoltaïsche apparaten.
Introduction
Is er een voortdurende inspanning op de integratie van verschillende materialen met rooster incongruenties teneinde de algehele zonnecel efficiëntie-1,2. De integratie van III-V/Si heeft de potentie om verder de huidige Si zonnecel efficiëntie verhogen en de dure III-V substraten (zoals GaAs en Ge) vervangen door een Si-substraat voor multijunction zonnecel toepassingen. Tussen alle III-V binaire materiële systemen is gallium calciumfosfide (GaP) een goede kandidaat voor dit doel, zoals het de kleinste rooster-wanverhouding (~ 0,4%) met Si en een hoge indirecte bandgap heeft. Deze functies kunnen kwalitatief hoogwaardige integratie van kloof met Si substraat. Het is theoretisch aangetoond dat GaP/Si heterojunctie zonnecellen zou kunnen van de efficiëntie van conventionele speciaal emitter rear Si zonnecellen3,4 verbeteren door te profiteren van de unieke band-offset tussen GaP en Si (∆Ev ~1.05 eV en ∆Ec ~0.09 eV). Dit maakt de kloof een veelbelovende elektron selectieve contactpersoon voor silicium zonnecellen. Echter, met het oog op een high-performance GaP/Si heterojunctie zonnecellen, een hoge Si bulk levensduur en hoge kwaliteit van GaP/Si interface zijn vereist.
Tijdens de groei van III-V materialen op een substraat Si door moleculaire straal epitaxie (MBE) en metalorganic damp fase epitaxie (MOVPE), aanzienlijke achteruitgang van de levensduur van de Si algemeen geconstateerd5,6,7, 8 , 9. het bleek dat de aantasting van het leven voornamelijk tijdens de thermische behandeling van de Si-wafeltjes in de reactoren gebeurt, die nodig is voor oppervlakte oxide desorptie en/of oppervlak wederopbouw vóór de epitaxiale groei10. Deze afbraak werd toegeschreven aan de extrinsieke verspreiding van verontreinigingen afkomstig is van de groei reactoren5,7. Verschillende benaderingen hebben voorgesteld om te onderdrukken de aantasting van het leven van deze Si. In onze eerdere werk, hebben wij twee methoden waarin de aantasting van de Si-levensduur aanzienlijk kan worden onderdrukt aangetoond. De eerste methode werd aangetoond door de invoering van SiNx als een diffusie barrière7 en de tweede door de invoering van de P-diffusie-laag als een gettering agent11 aan de ondergrond van de Si.
In dit werk, hebben wij krachtige GaP/Si zonnecellen gebaseerd op de bovengenoemde benaderingen ter vermindering van de aantasting van de levensduur van het bulk van silicium aangetoond. De technieken voor het behoud van de levensduur van de Si hebben brede toepassingen in multijunction zonnecellen met actieve Si onder cellen en elektronische apparaten zoals hoge-mobiliteit CMOS. In dit gedetailleerde protocol, zijn de bijzonderheden van de fabricage van GaP/Si heterojunctie zonne-cellen, met inbegrip van Si wafer schoonmaken, P-diffusie in de oven, GaP groei en GaP/Si zonnecellen verwerking, opgenomen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een nominale 25 nm-dikke GaP laag werd epitaxially gekweekt op een P-rijke Si oppervlak via MBE. Om te groeien van een betere kwaliteit van GaP laag op Si substraten, een relatief lage V/III is (P/Ga) verhouding beter. Een goede kristallen kwaliteit van GaP laag is nodig om hoge geleidbaarheid en de lage dichtheid van recombinatie centra. De AFM–kwadratische gemiddelde (RMS) van het oppervlak van de kloof is ~0.52 nm met een glad oppervlak met geen kuilen, indicatieve van kristal van hoge kwaliteit met een lage threadin…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedank L. Ding en M. Boccard voor hun bijdragen in de verwerking en het testen van de zonnecellen in deze studie. De auteurs erkennen financiering uit het Amerikaanse Department of Energy onder contract DE-EE0006335 en de Engineering Research Center Program van de National Science Foundation en het kantoor van energie-efficiëntie en hernieuwbare energie van het Department of Energy onder NSF samenwerkingsovereenkomst nr. EEG-1041895. Som Dahal bij Solar Power Lab werd gesteund, gedeeltelijk door NSF contract 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 |
References
- 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).
