Desarrollo de células solares de alto rendimiento brecha/Si Heterojunction

Resumen

Aquí, presentamos un protocolo para desarrollar alto rendimiento GaP/Si células solares de heterounión con alta Si minoría portador toda la vida.

Resumen

Para mejorar la eficiencia de células solares basadas en Si más allá de su límite Shockley-Queisser, la ruta óptima es integrarlas con las células solares basadas en III-V. En este trabajo, presentamos células solares de alto rendimiento brecha/Si heterojunction con una alta vida útil del portador de la minoría de Si y cristal alta calidad de capas epitaxiales de GaP. Se muestra que mediante la aplicación de fósforo (P)-capas de difusión en el sustrato Si y una capa de_x de pecado, la vida del portador de la minoría Si puede ser bien mantenida durante el crecimiento de la brecha en el epitaxy de viga molecular (MBE). Controlando las condiciones de crecimiento, la calidad de cristal alto de boquete se cultivaba en la superficie P-rico Si. La calidad de la película se caracteriza por microscopía de fuerza atómica y difracción de rayos x de alta resolución. Además, MoO_x se implementó como un contacto selectivo de agujero que llevó a un aumento significativo en la densidad de corriente de cortocircuito. El rendimiento alcanzado alta de las células de solares de heterounión GaP/Si establece una ruta para mejorar aún más el rendimiento de dispositivos fotovoltaicos basados en Si.

Introducción

Ha habido un esfuerzo continuo en la integración de diferentes materiales con desajustes del enrejado con el fin de mejorar la total eficiencia de células solares^1,2. La integración de III-V/Si tiene el potencial para aumentar la eficiencia de células solares de Si actual y reemplazar los sustratos caros de III-V (como el GaAs y el Ge) con un sustrato de Si para aplicaciones de células solares multiunión. Entre todos sistemas material binario de III-V, fosfuro de galio (GaP) es un buen candidato para este propósito, como lo ha hecho el menor desajuste de enrejado (~ 0.4%) y Si un bandgap indirecto alto. Estas características permiten alta calidad integración de brecha con un sustrato de Si. Se ha demostrado teóricamente que GaP/Si células solares de heterounión podría mejorar la eficacia del emisor apaciguado convencional posterior Si células solares^3,4 por beneficiarse del único banda-desplazamiento entre GaP y Si (∆E_v ~1.05 eV y ∆E_c ~0.09 eV). Esto hace diferencia un prometedor contacto selectivo electrón para células solares de silicio. Sin embargo, para lograr células solares de alto rendimiento brecha/Si heterounión, una alta brecha/Si interfaz calidad y alto curso de la vida a granel Si se requieren.

Durante el crecimiento de materiales III-V en un substrato de Si por epitaxia de haces moleculares (MBE) y epitaxy de la fase de vapor de metalorganic (MOVPE), degradación significativa de toda la vida Si se ha observado ampliamente^{5,6,7, 8 , 9}. se reveló que la degradación de la vida ocurre principalmente durante el tratamiento térmico de las obleas de Si en los reactores, que se requiere para la reconstrucción de desorción o superficie de óxido superficial antes del crecimiento epitaxial¹⁰. Esta degradación fue atribuida a la difusión extrínseca de contaminantes originados de los reactores de crecimiento^5,7. Se han propuesto varios enfoques para suprimir esta degradación de toda la vida Si. En nuestro trabajo anterior, hemos demostrado dos métodos en que la degradación de toda la vida Si puede ser suprimida significativamente. El primer método fue demostrado por la introducción del pecado_x como una barrera de difusión⁷ y la segunda mediante la introducción de la capa de difusión de P como un agente de seguir¹¹ al sustrato Si.

En este trabajo, hemos demostrado alto rendimiento brecha/Si células solares basadas en los enfoques mencionados para mitigar la degradación de toda la vida de silicio a granel. Las técnicas utilizadas para preservar la vida Si pueden tener amplias aplicaciones en las células solares multiunión con células activas de fondo Si y dispositivos electrónicos como el CMOS de alta movilidad. En este protocolo detallado, se presentan los detalles de fabricación de GaP/Si heterojunction células solares, incluyendo la limpieza de obleas de Si, P-difusión en el horno, crecimiento de la brecha y las células solares de la brecha/Si proceso.

Protocolo

PRECAUCIÓN: Por favor consulte todas hojas de datos de seguridad material (MSDS) antes de tratar con productos químicos. Utilice todas las prácticas de seguridad apropiadas cuando se realiza una fabricación de células solares como la campana y equipo de protección personal (gafas, guantes, bata, pantalones largos, zapatos cerrados).

1. Si oblea limpieza

1. Limpiar las obleas de Si en la solución de piraña (H₂O2/h₂SO₄) a 110 ° C.
   1. Para producir solución Piraña, llene la bañera de ácido (tanque de polietileno de alta densidad y más allá) con 15,14 L de H₂hasta₄ (96%) y 1.8 L de H₂O₂ (30%).
   2. Espere que la temperatura de la solución para estabilizar a 110 ° C.
   3. 4 pulgadas de diámetro, zona de flotador (FZ), obleas de Si tipo n y doble-lado-pulido en un limpio 4" oblea cassette (polipropileno y más allá) y el barco en el baño de piraña durante 10 minutos.
   4. Enjuague durante 10 minutos con agua desionizada (DI).
2. Limpiar las obleas de Si con RCA solución a 74 ° C.
   1. Preparar una solución diluida de HCl:H₂O₂. Llenan el baño ácido de 13,2 L de DI H₂O 2.2 L de HCl. Spike la solución con 2.2 L de H₂O₂ y encender el calentador.
   2. Espere a que la temperatura de la solución para estabilizar a 74 ° C antes de usar.
   3. Poner las obleas de Si en un cassette limpia 4" oblea y colocar las obleas en la solución RCA durante 10 minutos.
   4. Enjuague con agua desionizada durante 10 minutos.
3. Limpie las obleas de Si en la solución tampón óxido Etch (BOE).
   1. Vierta 15,14 L de solución de BOE en el baño ácido.
   2. Coloque el cartucho de oblea de 4" en el baño durante 3 minutos.
   3. Enjuague durante 10 minutos con agua desionizada.
   4. Seque la oblea seca N₂.

2. difusión de P en el horno de difusión

1. Poner una oblea limpia en un barco de cuarzo de difusión.
2. Carga en un tubo de cuarzo que tiene una temperatura base de 800 ° C. Rampa de la temperatura del horno a 820 ° C en el entorno de₂ N. A 820 ° C, empezar a fluir el gas de arrastre de₂ N que burbujea a través de oxicloruro de fósforo (POCl₃) en 1000 sccm. Después de 15 minutos, apague el gas portador del N₂ y rampa de temperatura hasta 800 ° C antes de sacar las muestras.
3. Coloque las muestras en una solución BOE por 10 min quitar el vidrio de silicato de fósforo (PSG) y realizar un enjuague de 10 minutos en agua desionizada.

3. recubrimiento de_x pecado por PECVD

1. Poner la oblea en un bote limpio y sumergir en un baño BOE para 1 minuto eliminar el óxido nativo en la superficie.
2. Enjuague durante 10 minutos con agua desionizada.
3. Seque la oblea con una pistola de₂ N seco.
4. Colocar la oblea de Si en un portador de Si limpiado (156 mm monocristalino Si).
5. Cargar la muestra en la cámara de (PECVD) la deposición de vapor químico mejorado de plasma.
6. Depósito 150 nm de espesor (38.5 s) pecado_x a 350 ° C en la cámara. Depósito del pecado_x en 300 W potencia con una presión base de 3,5 Torr y 60 sccm de SiH₄ como una fuente de silicio y 60 sccm de NH₃ como fuente de N (sccm 2000 de N₂ se utilizó como diluyente).
   1. Confirmar la tasa de crecimiento de pecado_x (3,9 nm/s) mediante el depósito de películas_x de pecado con tiempos diferentes de deposición en obleas pulidas y medir los espesores por Elipsometría espectroscópica de ángulo variable (Jarrón).

4. brecha crecimiento por MBE

1. Después de la deposición de pecado_x , carga la oblea en la cámara de MBE.
2. Los outgas de la cámara de iniciación (180 ° C por 3 h), luego los outgas de la cámara de amortiguación (240 ° C por 2 h). De la carga en la cámara de crecimiento y horneado a 850 ° C durante 10 minutos.
3. Disminuir la temperatura de 580 ° C. Temperatura de la célula de efusión del Ga aumento para producir presión de ~2.71×10^-7 Torr viga equivalente (BEP) y la temperatura de la célula de efusión del Si a 1250 ° C.
4. Ajustar el posicionador de la válvula p cracker para lograr ~1.16×10^-6 Torr BEP. Abrir las persianas Ga, P y Si y crecen a 25 nm de espesor hueco con un método de crecimiento interrumpido (10 ciclos de s 5 abiertas y 5 s cerrado) seguido por 121 s de crecimiento unshuttered (es decir, abrir Ga y p persianas al mismo tiempo).
5. Disminuir la temperatura del substrato a 200 ° C y descargar la muestra de la cámara de vacío.

5. Retire el traseras capas de_x n + y pecado por aguafuerte mojada

1. Cubrir la superficie de separación con una cinta protectora para proteger contra el daño de HF.
2. Preparación de ~ 300 mL de solución de HF de 49% en un vaso de plástico.
3. Coloque la muestra en la solución de HF durante 5 min eliminar completamente la capa de_x de pecado.
4. Retire la cinta protectora, enjuague con agua desionizada y seque N₂.
5. Cubrir la superficie de separación con una nueva cinta protectora.
6. HNA la solución en un vaso de precipitados de plástico (una mezcla de ácido fluorhídrico (HF) (50 mL), ácido nítrico (HNO₃) (365 mL) y ácidos acético (CH₃COOH) (85 mL)) a temperatura ambiente.
   PRECAUCIÓN: Coloque con cuidado la oblea en la solución para evitar HNA penetra en la superficie de separación.
7. Poner la muestra en la solución HNA durante 3 minutos.
8. Retire la cinta protectora y enjuague agua desionizada. Seco por N_2.

6. agujero selectivo formación contacto en el lado de Si desnudo

1. Hiende la oblea con una pluma de diamante en cuatro cuartos.
2. Limpiar cuidadosamente las muestras en un tanque de agua DI.
3. Limpiar las muestras en un baño BOE de 30 s para quitar el óxido nativo de la superficie.
4. Enjuague en las obleas en agua desionizada y séquelo por N₂.
5. Depositar un 50 nm de espesor A-si: H por PECVD en una de las muestras para comprobar la vida Si.
   1. A-Si el depósito: capa H de 60 W potencia con una presión de 3,2 Torr y 40 sccm de SiH₄ como la fuente de silicio (sccm 200 de H₂ se utilizó como diluyente).
   2. Confirmar la tasa de crecimiento de a-Si: H (1,6 nm/s) depositar películas de A-si con tiempos diferentes de deposición en obleas pulidas y midiendo el espesor con florero.
6. Depósito (i) A-si (9 nm) y (p +) A-si (16 nm) en el grabado (frontal) de una muestra independiente de Si por PECVD.
   1. Depositar la capa de al-Si tipo p en 37 W potencia con una presión de 3,2 Torr y 40 sccm de SiH₄ como la fuente de silicio y sccm 18 B [CH₃]₃ como el dopant de boro (197 sccm de H₂ se utilizó como diluyente).
   2. Confirmar la tasa de crecimiento de tipo p a-Si (2.0 nm/s) depositar películas de A-si con tiempos de crecimiento diferente de las obleas pulidas y midiendo los espesores con florero.
7. Depositar una capa de_x 9 nm de grosor MoO en la temperatura por la evaporación térmica de una fuente de MoO₃ (99.99%) con una tasa de deposición de 0.5 Å / s.

7. externa formación contacto

1. Depósito de 75 nm de espesor indio estaño óxido (ITO) (en₂O₃/SnO₂ = 95/5 (% peso), 99.99%) capas en el lado de la brecha de las muestras por RF sputtering (potencia de RF de 1 kW y una presión de 5 Torr) con una tasa de flujo de oxígeno de sccm 2.2.
2. Descarga las muestras y darles la vuelta. Utilice la máscara de sombra de mesa en las muestras para OIC deposición de mesa.
3. Depósito de 75 nm de espesor ITO por RF sputtering. Depósito 200 nm de espesor plata (potencia de RF de 1 kW y una presión de 8 Torr) para los dedos cubriendo la máscara de sombra del dedo. Depósito de 200 nm de espesor plata al lado de la brecha de las muestras como el contacto posterior.
4. Templar las muestras en un horno bajo presión atmosférica a 220 ° C.

Resultados

Imágenes de fuerza atómica (AFM) la microscopia y las exploraciones de alta resolución difracción de rayos x (DRX), incluyendo la curva oscilante de la reflexión (004) y el mapa del espacio recíproco (RSM) en las cercanías de reflexión (224), fueron recogidas por el boquete/Si estructura (figura 1). El AFM fue utilizada para caracterizar la morfología superficial de la brecha crecido de MBE y XRD fue utilizado para examinar la calidad cristalina de l...

Discusión

Una capa de separación nominal de 25 nm de espesor epigenéticamente se cultiva en una superficie Si P-rico través de MBE. Para cultivar una mejor calidad de capa de brecha sobre sustratos de Si, un V/III relativamente baja ratio (P/Ga) es preferible. Una calidad de cristal de la capa de vacío es necesaria para lograr la alta conductividad y baja densidad de centros de recombinación. La AFM media cuadrática (RMS) de la superficie de separación es ~0.52 nm mostrando una superficie lisa con sin hoyos, indicativa de c...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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