Utveckla högpresterande GaP/Si halvledarkontakt solceller
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att utveckla högpresterande GaP/Si halvledarkontakt solceller med en hög Si minoritet-carrier livstid.
Abstract
För att förbättra effektiviteten i Si-baserat solceller utöver deras Shockley-Queisser gräns, är den optimala vägen att integrera dem med III-V-baserade solceller. I detta arbete presenterar vi högpresterande GaP/Si halvledarkontakt solceller med en hög Si minoritet-carrier livslängd och hög crystal kvalitet av epitaxiell GaP lager. Det visas att genom tillämpning av fosfor (P)-diffusion lager i Si underlaget och en syndx lager, Si minoritet-carrier livstid kan vara välskött under GaP tillväxten i den molekylära stråla epitaxyen (MBE). Genom att kontrollera tillväxten villkorar, odlades hög crystal kvaliteten gap på P-rika Si ytan. Filmkvalitet kännetecknas av atomic force microscopy och högupplösta röntgendiffraktion. Dessutom MoOx genomfördes som en hål-selektiv kontakt som ledde till en betydande ökning av kortslutning strömtäthet. Uppnådd hög enhetens prestanda av solcellerna GaP/Si halvledarkontakt upprättar en sökväg för ytterligare förbättring av prestanda för Si-baserat solceller enheter.
Introduction
Det har funnits fortsatta ansträngningar på integration av olika material med galler missmatchningar för att förbättra övergripande solcell effektivitet1,2. III-V/Si integrationen har potential att ytterligare öka den nuvarande Si solcell effektiviteten och ersätta de dyra III-V substratesna (såsom GaAs och Ge) med ett Si substrat för multijunction solcell applikationer. Bland alla III-V binära materialsystem är gallium indiumfosid (GaP) en bra kandidat för detta ändamål, eftersom det har den minsta galler-mismatch (~ 0,4%) med Si och en hög indirekta bandgap. Dessa funktioner kan aktivera hög integration av GaP med Si substrat. Det teoretiskt har visats att GaP/Si halvledarkontakt solceller skulle kunna öka effektiviteten i konventionella passiverad emitter bakre Si solceller3,4 av nytta av den unika band-offset mellan GaP och Si (∆Ev ~1.05 eV och ∆Ec ~0.09 eV). Detta gör GaP en lovande elektron selektiv kontakt för kiselsolceller. För att uppnå hög prestanda GaP/Si halvledarkontakt solceller, krävs en hög Si bulk livstid och högkvalitativa GaP/Si gränssnitt dock.
Under tillväxten av III-V material på ett Si substrat av molekylärt stråla epitaxyen (MBE) och metalorganic dunsten arrangerar gradvis epitaxy (MOVPE), har betydande Si livstid försämring ofta observerats5,6,7, 8 , 9. det avslöjades att livstid nedbrytning främst händer under värmebehandling av de Si Oblaten i reaktorer, vilket krävs för ytan oxid desorption och/eller yta återuppbyggnad innan de epitaxiell tillväxt10. Denna nedbrytning var tillskrivs extrinsic spridningen av föroreningar som härstammar från den tillväxt reaktorer5,7. Flera metoder har föreslagits för att undertrycka denna Si livstid nedbrytning. I vårt tidigare arbete, har vi visat två metoder där Si livstid nedbrytningen kan dämpas avsevärt. Den första metoden demonstrerades genom införandet av syndx som en diffusion barriär7 och den andra genom att införa P-diffusionsskiktet som en gettering agent11 till Si substratet.
I detta arbete, har vi visat högpresterande GaP/Si solceller baserat på de ovannämnda metoderna att minska kisel bulk livstid nedbrytning. De tekniker som används för att bevara Si livstid kan ha breda program i multijunction solceller med aktiva Si nedre celler och elektroniska enheter såsom hög rörlighet CMOS. I denna detaljerade protokoll presenteras GaP/Si halvledarkontakt solceller, inklusive Si wafer rengöring, P-diffusion i ugnen, GaP tillväxt och GaP/Si solceller bearbetning, tillverkning Detaljer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ett nominellt 25 nm tjock lucka lager odlades epitaxially på en P-rika Si yta via MBE. För att växa en bättre kvalitet på GaP lager på Si substrat, en relativt låg V/III är (P/Ga) förhållandet att föredra. En bra kristall kvalitet av GaP skikt är nödvändigt för att uppnå hög ledningsförmåga och låg densitet av rekombination centra. Den AFM root-mean-square (RMS) GaP yta är ~0.52 nm visar en slät yta med inga gropar, vägledande av hög crystal kvalitet med en låg trädande dislokation densitet (<st…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka L. Ding och M. Boccard för deras bidrag i bearbetning och provning av Solcellerna i denna studie. Författarna erkänner finansiering från US Department of Energy under kontrakt DE-EE0006335 och programmet Engineering Research Center National Science Foundation och den kontor av energieffektivitet och förnybar energi av Department of Energy enligt NSF samarbetsavtal No. EEG-1041895. Som Dahal på Solar Power Lab stöddes, 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).
