Разработка высокопроизводительных разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей

Резюме

Здесь мы представляем протокол для разработки высокопроизводительных разрыв/Si гетеропереход солнечных элементов с высоким жизни меньшинств перевозчик Si.

Аннотация

Для повышения эффективности на основе Si солнечных батарей пределы их Шокли-Квайзер, оптимальный путь заключается в интеграции их с основанные на III-V солнечных батарей. В этой работе мы представляем высокопроизводительных разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей с высоким жизни меньшинств перевозчик Si и качество высокое кристалл эпитаксиальных слоев разрыв. Показано, что путем применения фосфора (P)-диффузии слоев в подложке Si и SiN_x слой, Si жизни меньшинств перевозчик может быть ухоженные во время роста разрыва в эпитаксия молекулярного луча (MBE). Контролируя условия роста, качество высокое кристалл разрыв был выращен на поверхности Si P-богатые люди. Качество фильма характеризуется атомно-силовой микроскопии и высоким разрешением дифракции рентгеновских лучей. Кроме того, му_x был реализован как отверстие селективный контакт, что привело к значительному увеличению плотности тока короткого замыкания. Производительность достигается высокое устройство гетеропереход разрыв/Si солнечных батарей устанавливает путь для дальнейшего повышения производительности на основе Si фотоэлектрических устройств.

Введение

Продолжающиеся усилия был на интеграции различных материалов с решетки несоответствия с целью повышения общей солнечной ячейки эффективности^1,2. III-V/Si интеграции имеет потенциал для дальнейшего увеличения текущего Si солнечных фотоэлементов и заменить дорогие субстрата III-V (например, GaAs и Ge) Si субстрат для приложений многопереходных солнечных батарей. Среди всех III-V двоичные материальных систем Фосфид галлия (зазор) является хорошим кандидатом для этой цели, как это имеет наименьший решетки несоответствие (~ 0,4%) с Si и высокой косвенные bandgap. Эти возможности можно включить интеграцию высокого качества разрыва с Si субстрата. Было теоретически доказано, что разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей может повысить эффективность обычных пассивированы излучателя задних Si солнечных батарей^3,4 , пользующихся уникальной группы смещение между разрыв и Si (∆E_v ~1.05 eV и ∆E_c ~0.09 eV). Это делает разрыв перспективных электрона селективного контакт кремниевых солнечных элементов. Однако для достижения высокой производительности разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей, требуются высокие Si сыпучих жизни и высокое качество интерфейс разрыв/Si.

Во время роста III-V материалов на подложке Si эпитаксия молекулярного луча (MBE) и металлоорганических паров этапе эпитаксия (MOVPE) значительное ухудшение жизни Si широко наблюдается^{5,6,7, 8 , 9}. было установлено, что ухудшение жизни главным образом происходит во время термической обработки Si пластин в реакторах, который необходим для поверхности оксида десорбции и/или поверхности реконструкции до эпитаксиального роста¹⁰. Эта деградация был приписан к внешняя диффузии загрязнений, возникла из роста реакторов^5,7. Для подавления этой деградации жизни Si были предложены несколько подходов. В нашей предыдущей работы мы продемонстрировали два метода, в которых могут быть значительно подавлены деградации жизни Si. Первый метод было продемонстрировано введение SiN_x как диффузия барьер⁷ и второй, представляя P-диффузии слой как gettering агент¹¹ Si субстрата.

В этой работе мы продемонстрировали высокопроизводительных разрыв/Si солнечных батарей на основе вышеупомянутых подходов к смягчению деградации жизни массовых кремния. Методы, используемые для сохранения жизни Si может иметь широкое применение в многопереходных солнечных батарей с активной Si нижней клетки и электронных устройств, таких как высокомобильных CMOS. В этом подробный протокол изготовления детали разрыв/Si гетеропереход солнечных батарей, включая Чистка пластин Si, P-диффузии в печи, разрыв роста и разрыв/Si солнечных батарей обработки, представлены.

протокол

Предупреждение: Обратитесь все соответствующие паспорта безопасности материалов (MSDS) до рассмотрения химических веществ. Пожалуйста, используйте все практики безопасности при выполнении Изготовление солнечных батарей, включая зонта и средства индивидуальной защиты (очки, перчатки, лаборатории пальто, полнометражных брюки, закрыты носок обуви).

1. Si пластин очистка

1. Чистота Si пластин в растворе Пиранья (H₂O₂ч₂т₄) при температуре 110 ° C.
   1. Для получения раствора пираньи, заполните кислоты ванна (полиэтилен танк и далее) с 15.14 L H₂так₄ (96%), а затем 1.8 L H₂O₂ (30%).
   2. Ждать для температуры раствора должен стабилизироваться на уровне 110 ° C.
   3. Место 4-дюймовый диаметр, поплавок зоны (ФЗ), n типа и двойной стороне полированные Si пластин чистый 4" вафельные кассету (полипропилен и далее) и место лодку в ванне Пиранья за 10 мин.
   4. Ополосните в течение 10 мин с дейонизированной водой (DI).
2. Чистота Si пластин с RCA, моющий раствор на 74 ° C.
   1. Подготовьте разбавленный раствор HCl:H₂O₂. Заполните кислоты Ванна с 13,2 Л ди H₂O и 2.2 L HCl. Spike решение с 2.2 L H₂O₂ и включите нагреватель.
   2. Подождите, пока температура раствора должен стабилизироваться на уровне 74 ° C перед использованием.
   3. Положите Si пластин в кассеты пластин чистый 4» и место пластин в RCA растворе втечение 10 мин.
   4. Промыть водой ди за 10 мин.
3. Чистота Si пластин в буфер оксид Etch (BOE) решение.
   1. Вливают 15.14 Л BOE раствора кислоты ванна.
   2. Место кассеты пластин 4» в ванной на 3 мин.
   3. Ополосните в течение 10 мин с ди водой.
   4. Насухо сухой N₂пластины.

2. P-диффузии в печи диффузии

1. Положите очищенные пластины в диффузии кварца лодки.
2. Загрузить его в кварцевая трубка, которая имеет базовый температуре 800 ° C. Рамп температуру печи до 820 ° C в среде N₂ . В 820 ° C начинают пропускать газ-носитель₂ N, что пузыри через хлорокись фосфора (POCl₃) на 1000 sccm. После 15 минут выключите газ перевозчик₂ N и увеличить температуру до 800 ° C до взятия проб.
3. Поместите образцы в BOE растворе втечение 10 мин для удаления фосфора силикатного стекла (ПСЖ) и затем выполнить 10-мин промыть в воде ди.

3. siN_x покрытие, PECVD

1. Поместите пластины в лодке чистой и окунуть его в ванну BOE за 1 мин для удаления собственного оксида на поверхности.
2. Ополосните в течение 10 мин с ди водой.
3. Сухие пластины с ружьем сухой N₂ .
4. Место Si пластин на чистый носитель Si (156 мм монокристаллического Si).
5. Загрузите образец в камеру плазмы расширенной химическое парофазное осаждение (PECVD).
6. Депозит 150 Нм толстая (38,5 s) SiN_x в 350 ° C в камере. Депозит SiN_x 300 Вт мощности с базовым давление 3,5 торр и 60 sccm SiH₄ как источником кремния и 60 sccm NH-₃ в качестве источника N (sccm 2000 N₂ был использован в качестве разбавителя).
   1. Подтвердите темп роста SiN_x (3,9 Нм/s), внесение SiN_x фильмов с разными осаждения раз на полированных пластин и измерения толщины переменный угол спектроскопических Эллипсометрия (ваза).

4. разрыв рост MBE

1. После SiN_x осаждения Загрузите пластины в камере MBE.
2. Outgas в зале вводный (180 ° C 3 h), а затем outgas в зале буфера (240 ° C на 2 ч). Загрузить в камере роста и выпекать при температуре 850 ° C в течение 10 мин.
3. Снижение температуры до 580 ° C. Температура камеры выпота увеличение Ga производить ~2.71×10^-7 Торр луч эквивалент давления (НПД) и Si выпота клеток температура 1250 ° C.
4. Настройка позиционера p клапанная взломщик для достижения ~1.16×10^-6 Торр НПД. Откройте Ga, P и Si жалюзи и расти 25 Нм толщиной разрыв с методом прерванного роста (10 циклов 5 открытых и 5 сек закрыт) следуют 121 s unshuttered роста (то есть, открыть Ga и p жалюзи одновременно).
5. Снизьте температуру субстрата до 200 ° C и выгрузить образец из вакуумной камеры.

5. Удалите задней n + и SiN_x слои на мокрой травления

1. Покрытие поверхности разрыв с защитной лентой, чтобы защитить его от повреждений ВЧ.
2. Подготовьте ~ 300 мл раствора 49% HF в пластиковый стакан.
3. Поместите образец в ВЧ раствор на 5 минут, чтобы полностью удалить слой SiN_x .
4. Снимите защитную пленку, промойте водой ди и сухой, N₂.
5. Покрытие поверхности разрыв с новой защитной лентой.
6. Приготовляют раствор СКС в пластиковый стакан (смесь фтористоводородную кислоту (HF) (50 мл), азотной кислоты (₃HNO) (365 мл) и уксусной кислоты (CH₃COOH) (85 мл)) при комнатной температуре.
   Предупреждение: Осторожно поместите пластины в решение, чтобы избежать HNA проникая в поверхности разрыва.
7. Поместите образец в решении HNA за 3 мин.
8. Снимите защитную пленку и смыть водой ди. Сухой, N_2.

6. отверстие селективный контакт формирования на стороне голые Si

1. Рассекающий удар пластины с пером алмаз на четыре четверти.
2. Тщательно очистите образцы в резервуар с водой ди.
3. Очистить образцы в ванну BOE 30 s для удаления собственного оксида с поверхности.
4. Промойте пластины в воде ди и затем насухо N₂.
5. Депозит 50 Нм толстая Si: H, PECVD на одном из образцов для проверки существования Si.
   1. Депозит-Si: H слой на 60 Вт мощности с давлением 3.2 Торр и 40 sccm SiH₄ источником кремния (200 sccm H₂ был использован в качестве разбавителя).
   2. Подтверждают темпы роста-Si: H (1,6 Нм/s) путем депозировать фильмов-Si с различными осаждения раз на полированных пластин и измерения толщины с Ваза.
6. Депозит (i)-Si (9 Нм) и (p +)-Si (16 Нм) на стороне травления (Фронт) отдельный образец Si, PECVD.
   1. Депозит типа p-Si слой на 37 Вт мощности с давлением 3.2 Торр и 40 sccm SiH₄ источником кремния и 18 sccm₃ B [CH₃] как примеси бора (197 sccm H₂ был использован в качестве разбавителя).
   2. Подтверждают темпы роста типа p-Si (2.0 Нм/s) путем депозировать фильмов-Si с различными роста раз на полированных пластин и измерения толщины с Ваза.
7. Депозит 9 Нм толстый слой MoO_x при комнатной температуре, термическое испарение из источника MoO₃ (99.99%) с скорость осаждения 0.5 Å / s.

7. внешний контакт формирования

1. Депозит 75 Нм толщиной Индий олова оксид (ITO) (в₂O₃/SnO₂ = 95/5 (вес %), 99,99%) слои на стороне разрыв образцов путем распыления РФ (мощность 1 кВт и давление 5 торр) с скоростью потока кислорода 2.2 sccm.
2. Выгрузить образцы и переверните их. Затем используйте маску Меса тень на образцах для осаждения Меса Ито.
3. Депозит 75 Нм толщиной Ито по РФ распыления. Депозит 200 Нм толщиной серебро (мощность 1 кВт, давление 8 торр) для пальцев, охватывающих палец теневой маски. Депозит 200 Нм толщиной серебро на стороне разрыв образцов как обратно контакта.
4. Отжиг образцы в печи при атмосферном давлении в 220 ° C.

Результаты

Атомно-силовой микроскопии (АСМ) изображения и высокого разрешения рентгеновской дифракции (XRD) сканирования, включая кривой качания вблизи (004) отражение и взаимные карта (RSM) вблизи (224) отражение, были собраны на разрыв/Si Структура (рис. 1). АСМ был исполь?...

Обсуждение

Номинальный 25 Нм толстый слой разрыв epitaxially выращивается на поверхности Si P-богатые через MBE. Расти лучше качество разрыв слоя на Si субстратов, относительно низким V/III (P/Ga) соотношение является предпочтительным. Качество хорошее кристалла разрыв слоя необходимо для достижения высокой те...

Материалы

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