Utvikle høy ytelse GaP/Si Heterojunction solceller
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å utvikle høy ytelse GaP/Si heterojunction solceller med høy Si mindretall-carrier levetid.
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.
Protocol
Representative Results
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 (…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
Referências
- 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).
