Développement de cellules solaires de hautes performances GaP/Si hétérojonction

Résumé

Nous présentons ici un protocole visant à développer haute performance GaP/Si hétérojonction cellules solaires avec une durée de vie élevée Si porteurs minoritaires.

Résumé

Afin d’améliorer l’efficacité des cellules solaires Si au-delà de leur limite de Shockley-Queisser, le chemin optimal est de les intégrer avec des cellules solaires à base de III-V. Dans ce travail, nous présentons haute performance GaP/Si hétérojonction cellules solaires avec une grande durée de vie Si porteurs minoritaires et une qualité de haute Cristallerie de couches épitaxiales de GaP. On montre qu’en appliquant le phosphore (P)-couches de diffusion dans le substrat Si et une couche de SiN_x , la durée de vie Si porteurs minoritaires peut être bien entretenue au cours de la croissance de l’écart de l’épitaxie par jet moléculaire (MBE). En contrôlant les conditions de croissance, la qualité haute Cristallerie de GaP a été cultivée sur la surface Si riches en P. La qualité du film est caractérisée par microscopie à force atomique et diffraction de rayons x à haute résolution. En outre, MoO_x a été réalisé dans un contact trou sélectif qui a conduit à une augmentation significative de la densité de courant de court-circuit. La performance de l’appareil haute atteint des cellules solaires à hétérojonction GaP/Si établit un chemin pour davantage d’amélioration de la performance des dispositifs photovoltaïques à base de Si.

Introduction

Il y a eu un effort constant sur l’intégration des différents matériaux avec treillis inadéquations afin d’améliorer ensemble cellule solaire efficacité^1,2. L’intégration de III-V/Si a le potentiel pour accroître l’efficacité des cellules solaires Si actuelle et remplacer les substrats coûteux de III-V (par exemple GaAs et Ge) avec un substrat Si pour des applications de cellules solaires multi-jonctions. Parmi tous les systèmes de matériel binaires III-V, Phosphure de gallium (GaP) est un bon candidat à cet effet, comme il l’a le plus petit réseau-incompatibilité (~ 0,4 %) avec TR et un haut à bande interdite indirecte. Ces fonctionnalités peuvent activer l’intégration de la qualité de GaP avec substrat Si. Il a été démontré théoriquement que GaP/Si des cellules solaires à hétérojonction pourrait accroître l’efficacité des classiques émetteur passivé arrière Si des cellules solaires^3,4 en profitant de l’unique bande-offset entre GaP et TR (∆E_v ~1.05 et ∆E_c ~0.09 eV). Cela rend à GaP un prometteur contact sélective électrons des cellules solaires en silicium. Toutefois, afin d’atteindre les cellules solaires de hautes performances GaP/Si hétérojonction, une grande durée de vie Si en vrac et haute qualité d’interface de GaP/Si sont nécessaires.

Au cours de la croissance de matériaux III-V sur un substrat Si par épitaxie par jet moléculaire (MBE) et metalorganic épitaxie en phase vapeur (EPVOM), dégradation de vie Si importante a été largement observée^{5,6,7, 8 , 9}. il a été révélé que la dégradation de la vie arrive principalement pendant le traitement thermique des copeaux Si dans les réacteurs, qui est nécessaire pour la reconstruction de surface et/ou de désorption oxyde de surface avant la croissance épitaxiale de¹⁰. Cette dégradation a été attribuée à la diffusion extrinsèque des contaminants provenant de la croissance réacteurs^5,7. Plusieurs approches ont été proposées pour supprimer cette dégradation de vie Si. Dans nos travaux précédents, nous avons démontré deux méthodes dont la dégradation de vie Si peut être significativement supprimée. La première méthode a été démontrée par l’introduction de SiN_x comme une barrière de diffusion⁷ et la deuxième en introduisant la couche P-diffusion comme un agent de rassemblant¹¹ pour le substrat Si.

Dans ce travail, nous avons démontré haute performance GaP/Si des cellules solaires basées sur les approches susmentionnées afin d’atténuer la dégradation de vie silicium en bloc. Les techniques utilisées pour préserver la durée de vie Si peuvent avoir des applications larges dans des cellules solaires multi-jonctions avec cellules de fond Si actives et des appareils électroniques tels que CMOS haute mobilité. Dans ce protocole détaillé, les détails de fabrication de GaP/Si hétérojonction cellules solaires, y compris Si wafer nettoyage, P-diffusion dans le four, la croissance de GaP et GaP/Si des cellules solaires de traitement, sont présentés.

Protocole

ATTENTION : Veuillez consulter toutes pertinentes fiches signalétiques (FS) avant de traiter avec des produits chimiques. Copiez toutes les pratiques de sécurité qui s’imposent lorsque vous effectuez une fabrication de cellules solaires, y compris la hotte de laboratoire et des équipements de protection individuelle (lunettes, gants, blouse, pantalons longs, chaussures fermées).

1. Si Wafer nettoyage

1. Nettoyer les plaquettes Si en solution de Piranha (H₂O2/h₂SO₄) à 110 ° C.
   1. Pour produire la solution Piranha, remplissez le bain d’acide (réservoir en polyéthylène haute densité et au-delà) avec 15,14 L H₂SO₄ (96 %), puis 1,8 L H₂O₂ (30 %).
   2. Attendez que la température de la solution pour se stabiliser à 110 ° C.
   3. Place 4 pouces de diamètre, de flotter-zone (FZ), de plaquettes Si n-type et double-côté-polie dans une cassette propre 4" wafer (polypropylène et au-delà) et placer le bateau dans le bain de Piranha pendant 10 min.
   4. Rincer pendant 10 min à l’eau désionisée (DI).
2. Nettoyer les plaquettes Si avec RCA nettoyant à 74 ° C.
   1. Préparer une solution diluée de HCl:H₂O₂. Remplissez le bain d’acide de 13,2 L DI H₂O et 2. 2 L d’HCl. Spike la solution avec 2,2 L H₂O₂ et allumez l’appareil de chauffage.
   2. Attendez que la température de la solution pour se stabiliser à 74 ° C avant utilisation.
   3. Mettre les plaquettes Si dans une cassette de gaufrette propre 4" et placer les tranches dans la solution RCA pendant 10 min.
   4. Rincer à l’eau distillée pendant 10 min.
3. Nettoyer les plaquettes Si en solution Buffered Oxide Etch (BOE).
   1. Versez 15,14 L de solution de la BOE dans le bain d’acide.
   2. Placez la cassette de gaufrette 4" dans le bain pendant 3 min.
   3. Rincer pendant 10 min avec l’eau distillée.
   4. Sécher la plaquette par sec N₂.

2. P-diffusion dans la fournaise de Diffusion

1. Mettre une plaquette nettoyée dans un bateau de quartz de diffusion.
2. Charger dans un tube de quartz qui a une base température de 800 ° C. Rampe de la température du four à 820 ° C dans l’environnement de₂ N. À 820 ° C, commencer à couler gaz vecteur N₂ qui se propage à travers l’oxychlorure de phosphore (POCl₃) à 1000 sccm. Après 15 min, éteindre le gaz porteur de N₂ , et augmenter la température jusqu'à 800 ° C avant de prendre les échantillons.
3. Placer les échantillons dans une solution BOE pendant 10 min pour enlever le verre de silicate de phosphore (PSG) et ensuite effectuer un rinçage de 10 min dans l’eau distillée.

3. revêtement_x péché par PECVD

1. Mettre les tranches dans un bateau propre et plonger dans un bain BOE pendant 1 min enlever l’oxyde natif à la surface.
2. Rincer pendant 10 min avec l’eau distillée.
3. Sécher la plaquette avec un canon de₂ N sec.
4. Placer la plaquette Si sur un support propre de TR (156 mm monocristallines Si).
5. Charger l’échantillon dans la chambre de dépôt (PECVD) plasma améliorée chimique en phase vapeur.
6. Dépôt de 150 nm d’épaisseur (38,5 s) SiN_x à 350 ° C dans la chambre. Déposer les SiN_x à la puissance 300 W RF avec une pression de base de 3,5 Torr et 60 sccm de SiH₄ comme une source de silicium et 60 sccm de NH₃ comme une source d’azote (2000 sccm de N₂ a été utilisé comme diluant).
   1. Confirmer le taux de croissance de SiN_x (3,9 nm/s) en déposant des films_x SiN avec des temps différents dépôts sur des plaquettes de poli et de mesurer les épaisseurs par ellipsométrie spectroscopique angle variable (VASE).

4. l’écart croissance par MBE

1. Après la déposition de SiN_x , charger la plaquette dans la chambre MBE.
2. Outgas dans la chambre d’introduction (180 ° C pendant 3 h), puis outgas dans la chambre de la mémoire tampon (240 ° C pendant 2 h). Charger dans la chambre de croissance et cuire au four à 850 ° C pendant 10 min.
3. Baisser la température à 580 ° C. Température de cellule d’épanchement augmentation Ga pour produire la pression^-7 Torr faisceau-équivalent de ~2.71×10 (BEP) et température de cellule Si épanchement à 1250 ° C.
4. Ajuster le positionneur de valves p cracker pour atteindre ~1.16×10^-6 Torr BEP. Ouvrir les volets Ga, P et Si et croître de 25 nm d’épaisseur GaP avec une méthode de croissance interrompue (10 cycles de 5 s ouvert et 5 s fermé) suivie de 121 s de croissance unshuttered (c.-à-d., ouvrez Ga et p volets simultanément).
5. Diminuer la température du substrat jusqu'à 200 ° C et décharger l’échantillon de la chambre à vide.

5. Retirer les dos des couches de_x n + et le péché de gravure humide

1. Couvrir la surface d’écart avec un ruban de protection pour le protéger contre les dommages de HF.
2. Préparer environ 300 mL de solution de HF de 49 % dans un gobelet en plastique.
3. Placer l’échantillon dans la solution HF pendant 5 min enlever complètement la couche de SiN_x .
4. Retirez la pellicule protectrice, rincer à l’eau distillée et sécher le N₂.
5. Couvrir la surface de GaP avec une nouvelle bande de protection.
6. Préparer la solution HNA dans un gobelet en plastique (un mélange d’acide fluorhydrique (HF) (50 mL), l’acide nitrique (HNO₃) (365 mL) et l’acide acétique (CH₃COOH) (85 mL)) à la température ambiante.
   ATTENTION : Placer soigneusement la plaquette dans la solution pour éviter HNA pénétrant dans la surface de GaP.
7. Placer l’échantillon dans la solution HNA pendant 3 min.
8. Retirez la pellicule protectrice et rinçage de l’eau distillée. Dry de N_2.

6. trou-sélectif Formation Contact sur le côté Si nu

1. Fendre la plaquette avec un stylo de diamant en quatre quartiers.
2. Nettoyer soigneusement les échantillons dans un réservoir d’eau de DI.
3. Nettoyer les échantillons dans un bain BOE pendant 30 s pour enlever l’oxyde natif de la surface.
4. Rincez dans les copeaux dans l’eau distillée et sécher par N₂.
5. Déposer un nm d’épaisseur 50 a-Si : H par PECVD sur un des échantillons pour vérifier la durée de vie Si.
   1. Déposer l’a-Si : couche de H à 60 puissance RF W avec une pression de 3,2 Torr et 40 sccm de SiH₄ comme étant la source de silicium (200 sccm de H-₂ a été utilisé comme diluant).
   2. Confirmer le taux de croissance d’a-Si : H (1,6 nm/s) du dépôt des films d’a-Si avec des temps différents dépôts sur des plaquettes de poli et en mesurant l’épaisseur avec VASE.
6. Dépôt (i) a-Si (9 nm) et (p +) a-Si (16 nm) sur le côté (avant) gravé d’un échantillon Si distinct par PECVD.
   1. Déposer la couche d’a-Si de type p à 37 puissance RF W avec une pression de 3,2 Torr et 40 sccm de SiH₄ comme étant la source de silicium et sccm 18 B [CH₃]₃ comme le dopant de bore (197 sccm de H-₂ a été utilisé comme diluant).
   2. Confirmer le taux de croissance de p-type a-Si (2,0 nm/s) du dépôt des films d’a-Si avec des temps de croissance différents sur les wafers polis et en mesurant les épaisseurs avec VASE.
7. Déposer une couche de_x 9 nm d’épaisseur MoO à la température ambiante par l’évaporation thermique de MoO₃ (99,99 %) source avec un taux de dépôt de 0.5 Å / s.

7. externe Formation Contact

1. Dépôt 75 nm d’épaisseur Indium Tin Oxide (ITO) (₂O₃/SnO₂ = 95/5 (% en poids), 99,99 %) couches sur le côté de l’écart des échantillons par RF sputtering (puissance de RF de 1 kW et pression des 5 Torr) avec un débit d’oxygène de 2,2 sccm.
2. Décharger les échantillons et les retourner. Puis utilisez le masque d’ombre mesa sur les échantillons pour les dépôts de mesa ITO.
3. Dépôt de 75 nm d’épaisseur ITO par pulvérisation RF. Déposez 200 nm d’épaisseur argent (puissance de RF de 1 kW et pression de 8 Torr) pour les doigts couvrant le masque d’ombre de doigt. Déposer 200 argent nm d’épaisseur du côté de l’écart des échantillons comme les contacts en arrière.
4. Recuire les échantillons dans un four sous la pression atmosphérique à 220 ° C.

Résultats

Images de microscopie de force atomique et scans haute résolution diffraction des rayons x (DRX), y compris la courbe oscillant aux alentours de la réflexion (004) et le plan de l’espace réciproque (RSM) dans les environs de réflexion (224), ont été recueillis pour le GaP/Si structure (Figure 1). L’AFM a été utilisée pour caractériser la morphologie de la surface de l’écart croissant MBE et XRD a permis d’examiner la qualité de cristal de ...

Discussion

Une couche de GaP nm d’épaisseur 25 nominal a été epitaxially cultivé sur une surface Si riches en P par l’intermédiaire de MBE. Pour développer une meilleure qualité de couche de GaP sur substrats de Si, un V/III relativement faible ratio (P/Ga) est préférable. Une qualité de cristaux de couche GaP est nécessaire pour atteindre une conductivité élevée et faible densité de centres de recombinaison. L’AFM moyenne quadratique (RMS) de la surface de GaP est nm ~0.52 montrant une surface lisse avec aucun...

matériels

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