Name: developing high performance gap/si heterojunction solar cells
Uploaded: 2018-11-16T15:00:00
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作者要感谢 l. ding 和 m. boccard 在本研究中对太阳能电池的加工和测试所做的贡献。作者感谢美国能源部根据 de-e00063335 合同提供的资金, 以及国家科学基金会工程研究中心项目和能源部能源效率和可再生能源办公室提供的资金根据 nsf 合作协定第1号。eec-1041895。太阳能发电实验室的 som dahal 在一定程度上得到了 nsf 合同 eccs-1542160 的支持。

注意: 在处理化学品之前, 请查阅所有相关材料安全数据表 (msds)。在进行太阳能电池制造时, 请使用所有适当的安全做法, 包括烟罩和个人防护设备 (安全眼镜、手套、实验室外套、全长裤子、闭脚鞋)。
1. 硅晶圆清洗
<ol><li>在110°c 下, 在 piranha 溶液(h2o2/h2so4) 中的清洁硅晶片.<ol>
<li>要生产 piranha 溶液, 请在酸浴 (高密度聚乙烯罐和以下) 中加入 1...

<ol>
	<li>Friedman, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progress+and+challenges+for+next-generation+high-efficiency+multijunction+solar+cells.">Progress and challenges for next-generation high-efficiency multijunction solar cells.</a> Current Opinion in Solid State &amp; Materials Science. 14, 131-138 (2010).</li><li>Vadiee, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AlGaSb-Based+Solar+Cells+Grown+on+GaAs:+Structural+investigation+and+device+performance.">AlGaSb-Based Solar Cells Grown on GaAs: Structural investigation and device performance.</a> IEEE Journal of Photovoltaics. , (2017).</li><li>Wagner, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+numerical+simulation+study+of+gallium-phosphide/silicon+heterojunction+passivated+emitter+and+rear+solar+cells.">A numerical simulation study of gallium-phosphide/silicon heterojunction passivated emitter and rear solar cells.</a> Journal of Applied Physics. 115, 044508 (2014).</li><li>Limpert, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Results+from+coupled+optical+and+electrical+sentaurus+TCAD+models+of+a+gallium+phosphide+on+silicon+electron+carrier+selective+contact+solar+cell.">Results from coupled optical and electrical sentaurus TCAD models of a gallium phosphide on silicon electron carrier selective contact solar cell.</a> 2014 IEEE 40th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC). , 836-840 (2014).</li><li>Ding, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+source+of+silicon+minority-carrier+lifetime+degradation+during+molecular+beam+heteroepitaxial+growth+of+III-V+materials.">On the source of silicon minority-carrier lifetime degradation during molecular beam heteroepitaxial growth of III-V materials.</a> 2016 IEEE 43rd Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). , 2048-2051 (2016).</li><li>Ding, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+minority-carrier+lifetime+degradation+during+molecular+beam+heteroepitaxial+III-V+material+growth.">Silicon minority-carrier lifetime degradation during molecular beam heteroepitaxial III-V material growth.</a> Energy Procedia. 92, 617-623 (2016).</li><li>Zhang, C., Kim, Y., Faleev, N. 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R., Honsberg, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carrier-selective+contact+GaP/Si+solar+cells+grown+by+molecular+beam+epitaxy.">Carrier-selective contact GaP/Si solar cells grown by molecular beam epitaxy.</a> Journal of Materials Research. 33, 414-423 (2018).</li><li>Battaglia, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hole+Selective+MoOx+Contact+for+Silicon+Solar+Cells.">Hole Selective MoOx Contact for Silicon Solar Cells.</a> Nano Letters. 14, 967-971 (2014).</li></ol>

通过 mbe 在富 p 硅表面上外延生长了一个公称25毫米厚的 gap 层。为了在硅基板上生长较好的 gap 层质量, 最好采用相对较低的 v/iii (p/ga) 比。为了实现重组中心的高导电性和低密度, 必须具有良好的 gap 层晶体质量。gap 表面的 afm 根均方 (rms) 为 ~ 0.52 nm, 表面光滑, 无坑, 表明晶体质量高, 螺纹位错密度低 (图 1a)。此外, 从-2 摇摆曲线 (图 1b) 中观察到了摆斯?...

为了提高太阳能电池的整体效率 1,2, 一直在努力将不同的材料与晶格错配结合起来。iii-vsi 集成有可能进一步提高目前的 si 太阳能电池效率, 并将昂贵的 iii-v 基板 (如 gaas 和 ge) 替换为用于多结点太阳能电池应用的 si 基板。在所有 iii-v 二元材料系统中, 磷化镓 (gap) 是这方面的一个很好的候选系统, 因为它具有最小的网状不匹配 (~ 0.4%), 具有硅和高间接带隙。这些特性可以实现 gap 与硅基板的高质量集成。理论上已经证明, gap/si 异质结太阳能电池可以通过利用 gap 和 si 之间独特的带偏移 (e v v) 来提高传统钝化发射器后方硅太阳能电池的效率。~ 1.05 ev 和 ec ~ 0.09 ev)。这使得 gap 成为硅太阳能电池的一种很有前途的电子选择性接触。然而, 为了实现高性能的 gap/si 异质结太阳能电池, 需要高硅的体积寿命和较高的 gap/si 接口质量。
在分子束外延 (mbe) 和金属有机气相外延 (movpe) 在硅基板上生长 iii-v 材料的过程中, 广泛观察到硅的寿命显著退化 5,6,7,8,9. 结果表明, 寿命退化主要发生在反应器中硅晶片的热处理过程中, 这是外延生长前表面氧化物解吸和表面重建所必需的10。这种降解归因于来自生长反应器5,7的污染物的外在扩散。提出了几种抑制硅寿命退化的方法。在我们之前的工作中, 我们已经演示了两种方法, 其中 si 寿命退化可以显著抑制。第一种方法是将 sinx 引入扩散屏障7 , 第二种方法是将 p-扩散层作为带去示剂11引入硅基板.
在这项工作中, 我们已经证明了高性能的 gap/si 太阳能电池基于上述方法, 以减轻硅块寿命的退化。用于保持硅寿命的技术可广泛应用于具有活性硅底电池的多结点太阳能电池和高迁移率 cmos 等电子器件。在该详细协议中, 介绍了 gap/si 异质结太阳能电池的制备细节, 包括硅晶片清洗、炉内 p 扩散、gap 生长和 GaP/Si 太阳能电池加工。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Hydrogen peroxide, 30%</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td>10181019</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfuric acid, 96%</td>
			<td>KMG electronic chemicals, Inc.</td>
			<td>64103</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid, 37%</td>
			<td>KMG electronic chemicals, Inc.</td>
			<td>64009</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buffered Oxide Etch 10:1</td>
			<td>KMG electronic chemicals, Inc.</td>
			<td>62060</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrofluoric acid, 49%</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td>10181736</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetic acid</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td>10180830</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitride acid, 69.5%</td>
			<td>KMG electronic chemicals, Inc.</td>
			<td>200288</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

developing high performance gap/si heterojunction solar cells

为了将硅基太阳能电池的效率提高到高于其冲击-quisser 极限之外, 最佳路径是将其与基于 iii-v 的太阳能电池集成。在本工作中, 我们提出了高性能的 gap/硅异质结连接太阳能电池具有较高的硅载流子寿命和高晶体质量的外延 gap 层。结果表明, 在分子束外延 (mbe) 的 gap 生长过程中, 将磷 (p) 扩散层应用于硅基板和硅x层, 可以很好地保持硅的小载体寿命。通过控制生长条件, 在富 p 硅表面生长高晶质量的 gap。薄膜质量的特点是原子力显微镜和高分辨率 x 射线衍射。此外, moox是作为孔选择性接触实施的, 导致短路电流密度显著增加。实现了 gap/si 异质连接太阳能电池的高器件性能, 为进一步提高硅基光伏器件的性能奠定了基础。

为 gap/si 收集了原子力显微镜 (afm) 图像和高分辨率 x 射线衍射 (xrd) 扫描, 包括 (004) 反射附近的摇摆曲线和 (224) 反射附近的对等空间图 (rsm)结构 (图 1)。利用 afm 对 mpe 生长的 gap 表面形貌进行了表征, 并利用 xrd 对 gap 层的晶体质量进行了检测。测定了 gap/si 结构和 si 散体的有效小载货寿命, 考察了本工作中使用的寿命保持方法的有效性。收集了 gap/si ?...

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Developing High Performance GaP/Si Heterojunction Solar Cells

在这里, 我们提出了一个协议, 以开发高性能的 gap/si 异质结太阳能电池具有较高的硅少数民族载体寿命。

研制高性能的 gap-硅异构太阳能电池

To improve the efficiency of Si-based solar cells beyond their Shockley-Queisser limit, the optimal path is to integrate them with III-V-based solar ...

该方法可以告诉、回答有关分层硅集成太阳能电池制造中如何保持高硅散装寿命的关键问题。这个过程的主要优点是，我们可以实现长硅散装寿命，即使在硅上的磷酸铀载体选择性接触的异质生长之后。这使我们能够访问其他 III-V 半导体的带隙。它是一种多结太阳能电池与硅底部电池的形式。首先，在高密度聚乙烯酸加热浴中准备食人鱼溶液，加热至110摄氏度，等待温度稳定。在另一个酸浴中，准备稀释的盐酸和过氧化氢溶液，以去除离子污染，加热至74摄氏度，等待温度稳定。将四英寸直径浮子区端型双面抛光硅晶片放在干净的聚丙烯四英寸晶圆盒中。将晶圆浸泡在食人鱼溶液中10分钟。然后，用去维化水冲洗晶圆10分钟，并把它们放在一个干净的盒式磁带中。将晶圆浸泡在离子清洁溶液中 10 分钟，然后用去离子水冲洗 10 分钟。然后，将晶圆浸泡在缓冲的氧化物蚀刻溶液中，将10至1个氟化铵浸泡至氢氟酸中，在室温下浸泡3分钟，然后用去硫化水冲洗10分钟。在干氮气流下干燥干净的晶圆。接下来，在石英船上放置一个干净的晶圆，然后装入石英管炉，在空气中流氮气的大气中加热到800摄氏度。在20分钟内将炉子温度降至820摄氏度。然后，将载波气体在1000 SCCM时通过磷氧氯化物冒泡。15分钟后，停止载气的流动，将炉子向下加热至800摄氏度。从炉子上取出晶圆，让它冷却。然后，将其浸泡在新鲜缓冲的氧化物蚀刻溶液中10分钟，以去除硅酸磷玻璃。在去化水中冲洗晶圆10分钟，然后用氮气干燥。就在氮化硅沉积之前，将晶圆浸泡在缓冲氧化物蚀刻溶液中一分钟，以去除原生氧化物。用去化水冲洗10分钟，然后用干氮气干燥。将晶圆放在干净的单晶硅载体上，然后装入PECVD仪器，该仪器配有硅烷和氨气源。将室压设置为 3.5 托勒，以 3.9 纳米/秒的速度沉积 150 纳米氮化硅，并具有 300 瓦的射频功率。接下来，将晶圆装入 MBE 仪器中，该仪器配有氦、磷和硅熔液电池。在180摄氏度的介绍室中，将晶圆加热3个小时。然后，将晶圆转移到缓冲室，并在240摄氏度下加热两个小时。将晶圆装入生长室，在850摄氏度下烘烤10分钟。之后，将晶圆冷却至580摄氏度，并准备输液细胞以产生适当的通量。打开氦、磷和硅不寒而栗，用中断生长法生长25纳米的磷酸铀，然后连续生长121秒。之后，将样品冷却至200摄氏度，然后从仪器上卸下。接下来，用耐酸的切化胶带覆盖磷酸铀表面。将晶圆浸泡在约300毫升49%氢氟酸中5分钟，去除氮化硅层。取出胶带，用去维水冲洗晶圆 10 分钟，并在氮气流下干燥。然后，用新鲜的切化胶带覆盖磷酸铀表面。在塑料烧杯中，准备500毫升的氢氟酸、硝酸和醋酸的混合物。小心地将晶圆放在海航溶液中，让它在室温下浸泡三分钟。取出胶带，用去化水冲洗晶圆，然后用氮气擦干。使用菱形笔将准备好的晶圆切成四个季度。将碎片放在篮子中，彻底清洁在去压水箱中，用氮气干燥。然后，将碎片浸泡在缓冲的氧化物蚀刻溶液中 30 秒，然后用去压水和氮气冲洗并干燥。接下来，在一个样品上沉积50纳米的非晶硅，并检查硅的寿命。然后，将9纳米的固有非晶硅和第二个样品的裸硅侧沉积9纳米的p型非晶硅，用一个带一个多普的硅。在第三个样本中，使用热蒸发将9纳米的氧化硅以0.5安格罗姆/秒的速度沉积在光硅边，在室温下，从三氧化硅源沉积9纳米的氧化硅。接下来，将非晶硅和氧化铝涂层样品放在射频溅射仪器中，磷酸铀侧朝上。沉积75纳米的氧化钛，氧流量为2.2 SCCM。然后，卸载样品并翻过来。在每个样品上放置一个梅萨阴影蒙版。将它们装回仪器中，再沉积75纳米的 ITO。卸载样品，用面罩换一个手指阴影面罩，在一千瓦和八托的 ITO mesa 上沉积 200 纳米的银。将样品翻过来，将另外200纳米的银沉积在伊托磷酸铀的一侧，作为背面接触。最后，在220摄氏度的高温下将样品在炉内退火，并承受大气压。原子力显微镜显示，磷酸铀层的根平均平方粗糙度约为0.52纳米，表明晶体质量高，线程错位密度低。从双晶欧米茄两个 theta 摇摆曲线观察到的彭德洛松边缘在硅和磷酸铀 004 反射中与平滑界面一致。224个除射点的对等空间图显示了相干磷酸和硅峰，表明磷酸铀与晶体质量良好的硅基板完全应变。在加入磷酸铀层之前，通过磷扩散形成N加层，使硅体积寿命保持在毫秒级。磷化硅的寿命约为100微秒。设备是使用一层非晶硅或一层氧化硅构建的。与非晶硅器件的波长较低，氧化铝装置的内部量子效率仍然很高，但在低波长时，其反射率也较高。两种器件都观察到了太阳能电池性能的可向性。非晶硅和氧化硅器件具有可比的效率、开路电压和填充系数。总体而言，氧化铝层作为整个选择性接触的表现优于非晶硅层。尝试此程序时，请记住在加载到 MBE 腔室之前保持第二个晶圆尽可能清洁，尤其是在沉积氮化硅时。

Research

JoVE Journal

Engineering

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科研

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