Desenvolvimento de células solares de alta Performance GaP/Si Heterojunction
Summary
Aqui, apresentamos um protocolo para desenvolver alta performance GaP/Si heterojunction células solares com uma vida de minoria-portador de Si elevada.
Abstract
Para melhorar a eficiência das células solares de baseados em Si além do seu limite de Shockley-Queisser, o caminho ideal é integrá-los com células solares de III-V-baseado. Neste trabalho, apresentamos as células solares de alta performance GaP/Si heterojunction com alta vida de minoria-portador de Si e cristal de alta qualidade de camadas epitaxiais de GaP. Isso é mostrado através da aplicação de fósforo (P)-camadas de difusão no substrato de Si e uma camada dex do pecado, o tempo de vida das minorias-portador de Si pode ser bem mantido durante o crescimento de GaP na Epitaxia de feixe molecular (MBE). Ao controlar as condições de crescimento, a qualidade de cristal de alta do défice foi cultivada na superfície rica em P Si. A qualidade do filme é caracterizada por microscopia de força atômica e difração de raios x de alta resolução. Além disso, MoOx foi implementado como um buraco-seletivo contato que levou a um aumento significativo da densidade de corrente de curto-circuito. O desempenho alcançado alta dispositivo das células solares GaP/Si heterojunction estabelece um caminho para maior realce do desempenho de dispositivos fotovoltaicos baseados em Si.
Introduction
Tem havido um esforço contínuo sobre a integração de diferentes materiais com incompatibilidades de treliça para reforçar a célula solar total eficiência1,2. A integração de III-V/Si tem o potencial de aumentar a eficiência de células solares de Si atual e substituir os caros substratos de III-V (tais como o GaAs e Ge) com um substrato de Si para aplicações de células solares de multijunções. Entre todos os III-V binário materiais sistemas, Fosfeto de gálio (GaP) é um bom candidato para esta finalidade, como tem a menor incompatibilidade de retículo (~ 0,4%) com Si e uma alta bandgap indireto. Esses recursos podem permitem a integração de alta qualidade do GaP com substrato de Si. Teoricamente mostrou que GaP/Si heterojunction solar células poderiam aumentar a eficiência do emissor passivadas convencional traseira Si células solares3,4 por beneficiar o único banda-deslocamento entre GaP e Si (∆ ev ~1.05 eV e ∆ ec ~0.09 eV). Isto faz diferença um contato de elétron promissor seletiva para células solares de silício. No entanto, para atingir alto desempenho GaP/Si heterojunction células solares, uma alto Si maior tempo de vida e alta qualidade de interface GaP/Si são necessários.
Durante o crescimento dos materiais III-V sobre um substrato de Si por Epitaxia de feixe molecular (MBE) e metalorgânicos Epitaxia de fase de vapor (MOVPE), degradação de vida importante Si tem sido amplamente observada5,6,7, 8 , 9. foi revelado que a degradação da vida acontece principalmente durante o tratamento térmico das bolachas de Si nos reatores, que é necessário para a reconstrução de dessorção e/ou superfície de óxido superfície antes o crescimento epitaxial de10. Essa degradação foi atribuída a extrínseca difusão de contaminantes originada-se o crescimento reactores5,7. Várias abordagens têm sido propostas para suprimir essa degradação de tempo de vida de Si. Em nosso trabalho anterior, demonstrámos dois métodos em que a degradação de tempo de vida de Si pode ser significativamente suprimida. O primeiro método foi demonstrado pela introdução do pecadox como uma barreira de difusão7 e o segundo introduzindo a camada P-difusão como um agente de absorção11 ao substrato de Si.
Neste trabalho, temos demonstrado alta performance GaP/Si solar células com base em abordagens acima mencionadas para mitigar a degradação de vida de em massa de silício. As técnicas utilizadas para preservar a vida de Si podem ter aplicações amplas em células solares de multijunções com células ativas de fundo de Si e dispositivos eletrônicos, como CMOS de alta mobilidade. Neste protocolo detalhado, os detalhes da fabricação do GaP/Si heterojunction células solares, incluindo Si bolacha de limpeza, P-difusão na fornalha, crescimento de GaP e GaP/Si solar células de processamento, são apresentados.
Protocol
Representative Results
Discussion
Uma camada de abertura nominal 25 nm de espessura epitaxially foi cultivada em uma superfície rica em P Si via MBE. Para o cultivo de uma melhor qualidade da camada de GaP em substratos de Si, um relativamente baixo V/III (P/Ga) proporção é preferível. Uma qualidade boa de cristal da camada de GaP é necessária para atingir alta condutividade e baixa densidade dos centros de recombinação. O AFM root-mean-square (RMS) da superfície GaP é nm ~0.52 mostrando uma superfície lisa com sem caroços, indicativos de qu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostaria agradecer Ding L. e M. Boccard por suas contribuições no processamento e teste das células solares neste estudo. Os autores reconhecem o financiamento do departamento de energia dos EUA, sob contrato DE-EE0006335 e o programa engenharia de centro de pesquisa da National Science Foundation e o escritório de eficiência energética e energia renovável do departamento de energia sob n º acordo cooperativo de NSF CEE-1041895. Som da Silva Moreira no laboratório de energia Solar foi apoiada, em parte, pelo contrato 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 |
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).
