Lo sviluppo di celle solari ad alte prestazioni GaP/Si Heterojunction

Riepilogo

Qui, presentiamo un protocollo per sviluppare alte prestazioni GaP/Si eterogiunzione celle solari con una vita di minoranza-vettore Si alta.

Abstract

Per migliorare l'efficienza delle celle solari a base Si oltre il loro limite di Shockley-Queisser, il percorso ottimale è di integrarli con le celle solari basate su III-V. In questo lavoro, vi presentiamo le celle solari ad alte prestazioni GaP/Si eterogiunzione con un'elevata durata di minoranza-vettore Si e cristallo di alta qualità di strati epitassiali di GaP. È indicato che applicando il fosforo (P)-strati di diffusione nel substrato Si e uno strato di_x di peccato, la durata di minoranza-vettore Si può essere ben mantenuta durante la crescita di GaP nell'epitassia da fasci molecolari (MBE). Controllando le condizioni di crescita, la qualità di cristallo alta di GaP è stata coltivata sulla superficie Si P-ricco. La qualità della pellicola è caratterizzata da microscopia a forza atomica e diffrazione di raggi x ad alta risoluzione. Inoltre, MoO_x è stato implementato come un buco-selettivo del contatto che ha portato ad un significativo aumento della densità di corrente di corto circuito. Le prestazioni del dispositivo alto raggiunto delle celle solari eterogiunzione GaP/Si stabilisce un percorso per ulteriore incremento delle prestazioni dei dispositivi fotovoltaici Si-based.

Introduzione

C'è stato un continuo sforzo sull'integrazione di materiali diversi con reticolo mismatch al fine di migliorare la complessiva cella solare efficienza^1,2. L'integrazione di III-V/Si ha il potenziale per aumentare l'efficienza di celle solari Si ulteriormente e sostituire i costosi substrati di III-V (come GaAs e Ge) con un substrato di Si per le applicazioni delle celle solari multigiunzione. Tra tutti i sistemi materiali binari di III-V, fosfuro di gallio (GaP) è un buon candidato per questo scopo, ed è il più piccolo divario di reticolo (~ 0,4%) con Si e un alta bandgap indiretta. Queste funzionalità abilitare l'integrazione con alta qualità di GaP con substrato di Si. È stato dimostrato teoricamente che GaP/celle solari eterogiunzione potrebbe migliorare l'efficienza di emettitore passivato convenzionale posteriore Si celle solari^3,4 beneficiando l'unica band-offset tra GaP e Si (∆_v ~1.05 eV e ∆ e_c ~0.09 eV). Questo rende il GaP un promettente elettrone selettivo del contatto per celle solari al silicio. Tuttavia, al fine di realizzare celle solari ad alte prestazioni GaP/Si eterogiunzione, sono necessari un elevata durata di massa Si e alta qualità di interfaccia GaP/Si.

Durante la crescita dei materiali III-V su un substrato di Si di epitassia da fasci molecolari (MBE) ed epitassia di fase del vapore metallorganici (MOVPE), degradazione di durata significativa Si è stato ampiamente osservato^{5,6,7, 8 , 9}. e ' stato rivelato che il degrado della vita accade principalmente durante il trattamento termico delle cialde Si nei reattori, che è necessario per la ricostruzione di desorbimento e/o superficie di ossido superficiale prima del¹⁰di crescita epitassiale. Questo degrado è stato attribuito alla diffusione estrinseca di contaminanti originati dalla crescita reattori^5,7. Diversi approcci sono stati proposti per sopprimere questa degradazione di vita Si. Nel nostro lavoro precedente, abbiamo dimostrato due metodi in cui la degradazione di vita Si può essere soppresso significativamente. Il primo metodo è stato dimostrato tramite l'introduzione del peccato_x come una barriera di diffusione⁷ e quello secondo introducendo lo strato di P-diffusione come un agente di gettering¹¹ al substrato Si.

In questo lavoro, abbiamo dimostrato ad alte prestazioni celle solari di GaP/Si basa sui suddetti approcci per mitigare il degrado di vita massa di silicio. Le tecniche usate per preservare la durata Si possono avere vaste applicazioni in celle solari multigiunzione con le celle di fondo Si attiva e dispositivi elettronici quali CMOS ad alta mobilità. In questo protocollo dettagliato, i dettagli di fabbricazione di celle solari eterogiunzione GaP/Si, tra cui Si cialda pulizia, P-diffusione del forno, crescita di GaP e GaP/celle solari di elaborazione, sono presentati.

Protocollo

Attenzione: Si prega di consultare tutti i pertinenti schede di sicurezza (MSDS) prima di trattare con prodotti chimici. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue una fabbricazione di celle solari tra cui la cappa aspirante e dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice, pantaloni lunghi, Scarpe chiuse).

1. Si Wafer pulizia

1. Pulire wafer Si in soluzione Piranha (H₂O2/h₂SO₄) a 110 ° C.
   1. Per produrre la soluzione Piranha, riempire il bagno acido (serbatoio in polietilene ad alta densità e aldilà) 15,14 L di H₂così₄ (96%) e quindi 1,8 L di H₂O₂ (30%).
   2. Attendere che la temperatura della soluzione per stabilizzare a 110 ° C.
   3. Posto 4-pollici di diametro, galleggiante-zona (FZ), wafer Si n-tipo e doppio-lato-lucidato in una pulito 4" cassette di wafer (polipropilene e aldilà) e mettere la barca in bagno di Piranha per 10 min.
   4. Risciacquo per 10 min con acqua deionizzata (DI).
2. Pulire wafer Si con RCA pulizia soluzione a 74 ° C.
   1. Preparare una soluzione diluita di HCl:H₂O₂. Riempire il bagno acido con 13,2 L DI H₂O e 2.2 L di HCl. Spike la soluzione con 2,2 L di H₂O₂ e accendere la stufa.
   2. Attendere che la temperatura della soluzione per stabilizzare a 74 ° C prima dell'uso.
   3. Mettere wafer Si in una cassetta per 4" pulita e disponga le cialde nella soluzione RCA per 10 min.
   4. Risciacquare con acqua deionizzata per 10 min.
3. Pulire wafer Si in soluzione tamponata ossido Etch (BOE).
   1. Versare 15,14 L di soluzione di BOE in bagno acido.
   2. Posizionare la cassetta per 4" nel bagno per 3 min.
   3. Risciacquo per 10 min con dell'acqua distillata.
   4. Asciugare il wafer di dry N₂.

2. P-diffusione nella fornace a diffusione

1. Mettere un wafer pulito in una barca di quarzo di diffusione.
2. Caricarlo in un tubo di quarzo che ha una temperatura di 800 ° C. Rampa la temperatura del forno a 820 ° C nell'ambiente di₂ N. A 820 ° C inizia a fluire il gas di trasporto di₂ N che bolle attraverso Ossicloruro di fosforo (POCl₃) alle 1000 sccm. Dopo 15 min, spegnere il gas di trasporto₂ N e rampa la temperatura fino a 800 ° C prima di prendere i campioni.
3. Posizionare i campioni in una soluzione BOE per 10 min a rimuovere vetro silicato di fosforo (PSG) e quindi eseguire un risciacquo di 10 min in acqua deionizzata.

3. peccato_x rivestimento da PECVD

1. Mettere la cialda in una barca pulita e immergerlo in un bagno BOE per 1 min rimuovere l'ossido nativo sulla superficie.
2. Risciacquo per 10 min con dell'acqua distillata.
3. Asciugare la cialda con una pistola di₂ N asciutta.
4. Posizionare la cialda Si su un vettore Si pulito (monocristallino da 156 mm).
5. Caricare il campione nella camera plasma avanzata chemical vapor deposition (PECVD).
6. Cauzione 150 nm di spessore (38,5 s) SiN_x a 350 ° C in aula. Deposito peccato_x a potenza di 300 W RF con una pressione di base di 3,5 Torr e 60 sccm di SiH₄ come una fonte di silicio e 60 sccm di NH₃ come una fonte di N (2000 sccm di N₂ è stato utilizzato come diluente).
   1. Confermare il tasso di crescita del peccato_x (3,9 nm/s) depositando film_x peccato con tempi diversi di deposizione su wafer lucidato e misurare gli spessori di angolo variabile ellissometria (vaso).

4. gaP crescita di MBE

1. Dopo la deposizione di_x del peccato, è necessario caricare la cialda nella camera di MBE.
2. Outgas nella camera introduttiva (180 ° C per 3 h), quindi outgas nella camera di buffer (240 ° C per 2 h). Caricare nella camera di crescita e cuocere in forno a 850 ° C per 10 min.
3. Diminuire la temperatura di 580 ° C. Temperatura di cella di effusione aumento Ga per produrre ~2.71×10^-7 Torr fascio-equivalente pressione (BEP) e temperatura di cella di effusione Si a 1250 ° C.
4. Regolare il posizionatore con valvola p cracker per raggiungere ~1.16×10^-6 Torr BEP. Aprire le persiane Ga, P e Si e crescere 25 nm di spessore GaP con un metodo di crescita interrotta (10 cicli di 5 s aperta e 5 s chiuso) seguita da 121 s di alveoli non crescita (cioè, aprire Ga e p tapparelle contemporaneamente).
5. Diminuire la temperatura del substrato a 200 ° C e scaricare l'esempio dalla camera a vuoto.

5. rimuovere strati posteriori di_x di n + e peccato di attacco a umido

1. Coprire la superficie di GaP con un nastro protettivo per proteggerlo dai danni HF.
2. Preparare ~ 300 mL di soluzione di HF di 49% in un bicchiere di plastica.
3. Posizionare il campione nella soluzione di HF per 5 min rimuovere completamente lo strato di_x di peccato.
4. Rimuovere il nastro protettivo, sciacquare con acqua deionizzata e asciugare di N₂.
5. Coprire la superficie di GaP con un nuovo nastro protettivo.
6. Preparare la soluzione HNA in un bicchiere in plastica (una miscela di acido fluoridrico (HF) (50 mL), acido nitrico (HNO₃) (365 mL) e acidi acetici (CH₃COOH) (85 mL)) a temperatura ambiente.
   Attenzione: Posizionare la cialda nella soluzione per evitare HNA penetrando la superficie di GaP.
7. Mettere il campione nella soluzione HNA per 3 min.
8. Rimuovere il nastro protettivo e DI acqua per risciacquarlo. Secca di N_2.

6. foro-selettivo formazione contatto sul lato Si spoglia

1. Fendere la cialda con una penna di diamante in quattro quarti.
2. Pulire accuratamente i campioni in un serbatoio di acqua DI.
3. Pulire i campioni in un bagno BOE per 30 s per rimuovere l'ossido nativo dalla superficie.
4. Risciacquare i wafer in acqua deionizzata e poi asciugare di N₂.
5. Depositare un 50 nm di spessore a-Si: H da PECVD su uno dei campioni per verificare la durata di Si.
   1. Deposito a-Si: strato H alla potenza di 60 W RF con una pressione di 3,2 Torr e 40 sccm di SiH₄ come la fonte di silicio (200 sccm di H₂ è stato utilizzato come diluente).
   2. Confermare il tasso di crescita di a-Si: H (1,6 nm/s) depositando un-Si film con tempi diversi di deposizione su wafer lucidato e misurando lo spessore con il vaso.
6. Deposito (i) a-Si (9 nm) e (p +) a-Si (16 nm) su lato acidato (anteriore) di un campione separato Si da PECVD.
   1. Depositare lo strato di p-tipo a-Si a 37 W RF potenza con una pressione di 3,2 Torr e 40 sccm di SiH₄ come la fonte di silicio e 18 sccm di B [CH₃]₃ come il drogante di boro (197 sccm di H₂ è stato utilizzato come diluente).
   2. Confermare il tasso di crescita del p-tipo a-Si (2.0 nm/s) a-Si film con tempi di crescita diversi di deposito sui wafer lucidati e misurando gli spessori con vaso.
7. Deposito di uno strato di_x di 9 nm di spessore MoO a temperatura ambiente da evaporazione termica da una fonte di MoO₃ (99,99%) con una velocità di deposizione di 0,5 Å / s.

7. esterno contatto formazione

1. Ossido di Tin Indio (ITO) di cauzione 75 nm di spessore (₂O₃/SnO₂ = 95/5 (peso per cento), 99,99%) strati sul lato GaP dei campioni di RF sputtering (potenza RF di 1 kW e pressione di 5 Torr) con un tasso di flusso di ossigeno di 2,2 sccm.
2. Scaricare i campioni e loro turn over. Quindi utilizzare la maschera di ombra di mesa sui campioni per la deposizione di mesa di ITO.
3. Cassetta di 75 nm di spessore ITO di RF sputtering. Deposito 200 nm di spessore argento (potenza RF di 1 kW e pressione di 8 Torr) per le dita che coprono maschera forata dito. Cauzione 200 nm di spessore d'argento sul lato GaP dei campioni come contatto per la schiena.
4. Temprare i campioni in una fornace sotto pressione atmosferica a 220 ° C.

Risultati

Forza atomica (AFM) la microscopia immagini e scansioni ad alta risoluzione diffrazione di raggi x (XRD), tra cui la curva a dondolo nelle vicinanze la riflessione (004) e la mappa di reciproco dello spazio (RSM) nelle vicinanze di riflessione (224), sono stati raccolti per il GaP/Si struttura (Figura 1). L'AFM è stato utilizzato per caratterizzare la morfologia superficiale del divario MBE-cresciuta e XRD è stato utilizzato per esaminare la qualità di cri...

Discussione

Uno strato di GaP nm di spessore nominale 25 epitaxially è stato coltivato su una superficie di P-ricchi Si tramite MBE. Per far crescere una migliore qualità dello strato di GaP su substrati di Si, un relativamente basso V/III rapporto (P/Ga) è preferibile. Una qualità buona cristallo dello strato di GaP è necessaria ottenere conducibilità alta e bassa densità dei centri di ricombinazione. Il AFM root-mean-square (RMS) della superficie del GaP è ~0.52 nm mostrando una superficie liscia con nessun pozzi, indicati...

Materiali

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