Desenvolvimento de células solares de alta Performance GaP/Si Heterojunction

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para desenvolver alta performance GaP/Si heterojunction células solares com uma vida de minoria-portador de Si elevada.

Resumo

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 de_x 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, MoO_x 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.

Introdução

Tem havido um esforço contínuo sobre a integração de diferentes materiais com incompatibilidades de treliça para reforçar a célula solar total eficiência^1,2. 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 solares^3,4 por beneficiar o único banda-deslocamento entre GaP e Si (∆ e_v ~1.05 eV e ∆ e_c ~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 observada^{5,6,7, 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 reactores^5,7. 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 pecado_x 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.

Protocolo

Atenção: Por favor consulte todas as fichas de dados de segurança relevantes (MSDS) antes de lidar com produtos químicos. Por favor, use todas as práticas de segurança adequadas ao executar uma fabricação de células solares, incluindo a coifa e equipamento de protecção pessoal (óculos de segurança, luvas, jaleco, calça longa-metragem, sapatos fechados).

1. Si Wafer limpeza

1. Limpar wafers de Si na solução Piranha (H₂O2/h₂SO₄) a 110 ° C.
   1. Para produzir solução de Piranha, encher a banheira de ácido (tanque de polietileno de alta densidade e, mais adiante) com 15,14 L de H₂então₄ (96%) e, em seguida, 1,8 L de H₂O₂ (30%).
   2. Espere até que a temperatura da solução para estabilizar a 110 ° C.
   3. Coloque 4-polegadas-diâmetro, flutuar-zone (FZ), tipo n e duplo-lado-lustrado wafers de Si em uma limpo 4" bolacha gaveta (polipropileno e, mais adiante) e coloque o barco num banho de Piranha durante 10 min.
   4. Enxaguar por 10 minutos com água desionizada (DI).
2. Limpar wafers de Si com a RCA limpeza solução a 74 ° C.
   1. Prepare uma solução diluída de HCl:H₂O₂. Encher a banheira de ácido com 13,2 L de DI H₂O e 2.2 L de HCl. Spike a solução com 2,2 litros de H₂O₂ e ligar o aquecedor.
   2. Espere até que a temperatura da solução para estabilizar a 74 ° C antes do uso.
   3. Coloque bolachas de Si em uma gaveta de bolacha limpo 4" e coloque bolachas na solução RCA para 10 min.
   4. Enxaguar com água por 10 min.
3. Limpe wafers de Si em solução tamponada óxido Etch (BOE).
   1. Despeje 15,14 litros de solução BOE em banho de ácido.
   2. Posicione a fita de bolacha 4" no banho por 3 min.
   3. Enxaguar por 10 minutos com água.
   4. Seque a bolacha seca N₂.

2. P-difusão em forno de difusão

1. Coloque uma bolacha limpada em um barco de quartzo de difusão.
2. Carregá-lo em um tubo de quartzo que tem uma base temperatura de 800 ° C. A temperatura do forno para 820 ° C no ambiente₂ N de rampa. 820 ° c, comece a fluir o gás portador₂ N que bolhas através de oxicloreto de fósforo (POCl₃), no sccm 1000. Depois de 15 min, desligar o gás de portador de₂ N e aumentar a temperatura até 800 ° C antes de remover as amostras.
3. Coloca as amostras em uma solução BOE por 10 min remover o vidro de silicato de fósforo (PSG) e em seguida, executar um 10-min enxágue em água DI.

3. revestimento de_x pecado por PECVD

1. Colocar a bolacha em um barco limpo e mergulhá-lo em um banho BOE para 1 min remover o óxido nativo na superfície.
2. Enxaguar por 10 minutos com água.
3. Seque a bolacha com uma arma de₂ N seca.
4. Coloque a bolacha de Si em um portador de Si limpo (monocristalino 156mm Si).
5. Carrega a amostra na câmara de deposição (PECVD) reforçada vapor químico de plasma.
6. Depósito de 150 nm de espessura (38,5 s) SiN_x a 350 ° C, na câmara. Depósito de pecado_x no poder de 300 W RF com uma base pressão de 3,5 Torr e 60 sccm de SiH₄ como uma fonte de silício e 60 sccm de NH₃ como uma fonte de N (sccm 2000 de N₂ foi usado como diluente).
   1. Confirmar a taxa de crescimento do pecado_x (3.9 nm/s), mediante depósito de filmes de_x pecado com tempos diferentes de deposição em pastilhas polidas e medir as espessuras por elipsometria espectroscópicos de ângulo variável (vaso).

4. lacuna crescimento por MBE

1. Após a deposição de_x pecado, carrega a bolacha na câmara da MBE.
2. Gerava na câmara introdutória (180 ° C por 3 h) e, em seguida, gerava na câmara reserva (240 ° C por 2 h). Carregar em para a câmara de crescimento e asse a 850 ° C por 10 min.
3. Diminuir a temperatura para 580 ° C. Temperatura da célula de efusão de aumento Ga para produzir a pressão de ~2.71×10^-7 Torr feixe-equivalente (BEP) e temperatura da célula de efusão de Si a 1250 ° C.
4. Ajuste o posicionador de válvula p bolacha para alcançar ~1.16×10^-6 Torr BEP. Abra as persianas Ga, P e Si e crescer 25 nm de espessura GaP com um método de crescimento interrompido (10 ciclos de 5 s aberto e 5 s fechado) seguido por 121 s de crescimento fichas (ou seja, abrir o Ga e p persianas simultaneamente).
5. Diminuir a temperatura do substrato a 200 ° C e descarregar o exemplo da câmara de vácuo.

5. remover camadas de_x n + e pecado volta pela gravura molhada

1. Cubra a superfície de abertura com uma fita protetora para protegê-lo contra os danos de HF.
2. Prepare ~ 300 mL de solução de HF 49% num copo de plástico.
3. Coloca a amostra na solução de HF por 5 min remover totalmente a camada de_x de pecado.
4. Remover a fita protetora, enxágue com água e seque, N₂.
5. Cubra a superfície de abertura com uma nova fita protetora.
6. Preparar a solução HNA num copo de plástico (uma mistura de ácido fluorídrico (HF) (50 mL), ácido nítrico (HNO₃) (365 mL) e ácidos acéticos (CH₃COOH) (85 mL)) à temperatura ambiente.
   Atenção: Coloque cuidadosamente a bolacha na solução para evitar HNA penetrando na superfície de GaP.
7. Colocar a amostra na solução HNA por 3 min.
8. Remover a fita protetora e passe por água DI. Seco por N_2.

6. buraco-seletiva formação contato no lado de Si próprias

1. Cleave a bolacha com uma caneta de diamante em quatro trimestres.
2. Limpe cuidadosamente as amostras em um tanque de água DI.
3. Limpar as amostras em um banho BOE por 30 s para remover o óxido nativo da superfície.
4. Enxaguar nas bolachas no DI água e depois seque por N₂.
5. Depositar uma 50 nm de espessura a-Si: H por PECVD das amostras para verificar o tempo de vida de Si.
   1. Depositar o um-Si: camada de H a potência de RF W 60 com uma pressão de 3,2 Torr e 40 sccm de SiH₄ como fonte de silício (200 sccm de H₂ foi usado como diluente).
   2. Confirmar a taxa de crescimento de um-Si: H (1,6 nm/s) depositar um-Si filmes com tempos diferentes de deposição em pastilhas polidas e medindo a espessura com vaso.
6. Depósito (i) por-Si (9 nm) e (p +) um-Si (16 nm) no lado gravado (frente) de uma amostra separada de Si por PECVD.
   1. Depositar a camada de um-Si do tipo p a potência de RF W 37 com uma pressão de 3,2 Torr e 40 sccm de SiH₄ como fonte de silício e sccm 18 de B [CH₃]₃ como o dopant do boro (197 sccm de H₂ foi usado como diluente).
   2. Confirme a taxa de crescimento do tipo p-a-Si (2,0 nm/s) depositar um-Si filmes com tempos diferentes de crescimento sobre as bolachas polidas e medindo as espessuras com vaso.
7. Depositar uma camada de_x de MoO 9 do nm de espessura na temperatura de quarto por evaporação térmica de uma fonte de MoO₃ (99,99%) com uma taxa de deposição de 0,5 Å / s.

7. externa formação contato

1. Depósito de 75 nm de espessura índio óxido de estanho (ITO) (em₂O₃/SnO₂ = 95/5 (% peso), 99,99%) camadas do lado do fosso das amostras por pulverização catódica RF (potência de RF de 1 kW e pressão de 5 Torr) com uma taxa de fluxo de oxigênio de 2.2 sccm.
2. Descarregar as amostras e entregá-los. Em seguida, use a máscara de sombra da mesa sobre as amostras para deposição de mesa ITO.
3. Depósito de 75 nm de espessura ITO por pulverização catódica RF. Depósito de 200 nm de espessura prata (potência de RF de 1 kW e pressão de 8 Torr) para os dedos cobrindo a máscara de sombra do dedo. Depósito de 200 nm de espessura prata do lado de abertura das amostras contato de volta.
4. Recozer as amostras em uma fornalha sob pressão atmosférica a 220 ° C.

Resultados

Imagens de força atômica (AFM) a microscopia e exames de alta resolução de difração de raios x (XRD), incluindo a balanço curva nas proximidades da reflexão (004) e o mapa de espaço recíproco (RSM) nas proximidades de reflexão (224), foram coletados para o GaP/Si estrutura (Figura 1). O AFM foi usado para caracterizar a morfologia de superfície do GaP MBE-crescido e XRD foi usado para examinar a qualidade do cristal da camada de GaP. O tempo de vi...

Discussão

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...

Materiais

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