Name: developing high performance gap/si heterojunction solar cells
Uploaded: 2018-11-16T15:00:00
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Les auteurs tiens à remercier L. Ding et M. Boccard pour leur contribution au traitement et l’analyse des cellules solaires dans cette étude. Les auteurs remercient financé par le U.S. Department of Energy, sous contrat DE-EE0006335 et le Engineering Research Centre programme de la National Science Foundation et l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du département de l’énergie sous le n° d’accord de coopération NSF CEE-1041895. Dahmani som au solaire énergie Lab reposait, en partie, par contrat ECCS-1542160 de la NSF.

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
<ol><li>Nettoyer les plaquettes Si en solution de Piranha (H2O...

<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. N., 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=Improvement+of+GaP+crystal+quality+and+silicon+bulk+lifetime+in+GaP/Si+heteroepitaxy.">Improvement of GaP crystal quality and silicon bulk lifetime in GaP/Si heteroepitaxy.</a> Journal of Crystal Growth. 475, 83-87 (2017).</li><li>Garc&#237;a-Tabar&#233;s, 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=Evolution+of+silicon+bulk+lifetime+during+III-V-on-Si+multijunction+solar+cell+epitaxial+growth.">Evolution of silicon bulk lifetime during III-V-on-Si multijunction solar cell epitaxial growth.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 24, 634-644 (2016).</li><li>Varache, R., 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=Evolution+of+bulk+c-Si+properties+during+the+processing+of+GaP/c-Si+heterojunction+cell.">Evolution of bulk c-Si properties during the processing of GaP/c-Si heterojunction cell.</a> Energy Procedia. 77, 493-499 (2015).</li><li>Ishizaka, A., Shiraki, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low+temperature+surface+cleaning+of+silicon+and+its+application+to+silicon+MBE.">Low temperature surface cleaning of silicon and its application to silicon MBE.</a> Journal of The Electrochemical Society. 133, 666 (1986).</li><li>Zhang, C., Vadiee, E., King, R. 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>

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...

Il y a eu un effort constant sur l’intégration des différents matériaux avec treillis inadéquations afin d’améliorer ensemble cellule solaire efficacité1,2. 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 solaires3,4 en profitant de l’unique bande-offset entre GaP et TR (∆Ev ~1.05 et ∆Ec ~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 observée5,6,7, 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 réacteurs5,7. 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 SiNx 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.

<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

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 SiNx , 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, MoOx 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.

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 ...

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Developing High Performance GaP/Si Heterojunction Solar Cells

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

Développement de cellules solaires de hautes performances GaP/Si hétérojonction

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 ...

Cette méthode peut dire, répondre aux questions clés dans la fabrication stratifiée de cellules solaires intégrées au silicium sur la façon de maintenir une durée de vie élevée en vrac de silicium pendant la croissance. Les principaux avantages de ce processus sont que nous pouvons atteindre une longue durée de vie en vrac de silicium, même après la croissance hétérovalente du transporteur de phosphide de gallium contact sélectif sur le silicium. Cela nous permet d’accéder aux écarts de bande d’autres semi-conducteurs III-V.C’est une forme de cellule solaire multijonction avec une cellule de fond en silicium. Pour commencer, préparez une solution piranha dans un bain de chauffage à l’acide polyéthylène à haute densité, chauffez-le à 110 degrés Celsius et attendez que la température se stabilise. Dans un autre bain acide, préparer une solution diluée d’acide chlorhydrique et de peroxyde d’hydrogène pour éliminer la contamination ionique, la chauffer à 74 degrés Celsius et attendre que la température se stabilise.Placer des plaquettes de silicium polies à double face de type zone flottante de quatre pouces de diamètre dans une cassette de gaufrette propre de quatre pouces en polypropylène. Faire tremper les gaufrettes dans la solution piranha pendant 10 minutes. Rincez ensuite les gaufrettes pendant 10 minutes à l’aide d’eau déionisée et mettez-les dans une cassette propre.Faire tremper les gaufrettes dans la solution de nettoyage ionique pendant 10 minutes, puis les rincer à l’eau déionisée pendant 10 minutes. Ensuite, tremper les gaufrettes dans une solution tampon d’échumure d’oxyde de 10 à un fluorure d’ammonium à l’acide fluorhydrique pendant trois minutes à température ambiante, et les rincer à l’eau déionisée pendant 10 minutes. Sécher les gaufrettes propres sous un jet de gaz azoté sec.Ensuite, placez une gaufrette propre dans un bateau à quartz et chargez-la dans un four à tubes à quartz, chauffé à 800 degrés Celsius avec une atmosphère de gaz azoté qui coule. Rampez le four à 820 degrés Celsius en 20 minutes. Ensuite, passez le gaz porteur à de l’azote bouillonne par oxychlorure de phosphore à 1000 SCCM.Après 15 minutes, arrêter l’écoulement du gaz du transporteur et faire descendre le four à 800 degrés Celsius. Retirer la gaufrette du four et laisser refroidir. Ensuite, trempez-le dans une solution d’échumeau d’oxyde tamponné frais pendant 10 minutes pour enlever le verre de silicate de phosphore.Rincer la gaufrette à l’eau déionisée pendant 10 minutes et la sécher avec du gaz azoté. Juste avant le dépôt de nitride de silicium, faire tremper la gaufrette dans une solution tamponnée d’échumure d’oxyde pendant une minute pour éliminer les oxydes indigènes. Rincez-le à l’eau déionisée pendant 10 minutes et séchez-le avec du gaz azoté sec.Placez la gaufrette sur un porte-silicium monocrystallin propre et chargez-la dans un instrument PECVD, équipé de sources de silane et d’ammoniac. Réglez la pression de la chambre à 3,5 torrs et déposez 150 nanomètres de nitride de silicium à 3,9 nanomètres par seconde, avec 300 watts de puissance RF. Ensuite, chargez la gaufrette dans un instrument MBE, équipé de cellules d’effusion de gallium, de phosphore et de silicium.Outgas la gaufrette dans la chambre d’introduction à 180 degrés Celsius pendant trois heures. Ensuite, transférez la gaufrette à la chambre tampon et la dégazez à 240 degrés Celsius pendant deux heures. Chargez la gaufrette dans la chambre de croissance et faites-la cuire à 850 degrés Celsius pendant 10 minutes.Après cela, refroidir la gaufrette à 580 degrés Celsius, et préparer les cellules d’effusion pour générer les flux appropriés. Ouvrez les frissons de gallium, de phosphore et de silicium, et cultivez 25 nanomètres de phosphide de gallium avec une méthode de croissance interrompue, suivie de 121 secondes de croissance ininterrompue. Ensuite, refroidir l’échantillon à 200 degrés Celsius et le décharger de l’instrument.Ensuite, recouvrez la surface du phosphide de gallium d’un ruban à dés résistant à l’acide. Faire tremper la gaufrette dans environ 300 millilitres d’acide hydrofluorique à 49 % pendant cinq minutes pour enlever la couche de nitride de silicium. Retirer le ruban, rincer la gaufrette avec de l’eau déionisée pendant 10 minutes et la sécher sous un jet de gaz azoté.Ensuite, couvrez la surface de phosphide de gallium avec du ruban à dés frais. Dans un bécher en plastique, préparer 500 millilitres d’un mélange d’acide fluorhydrique, d’acide nitrique et d’acide acétique. Placez soigneusement la gaufrette dans la solution HNA et laissez-la tremper à température ambiante pendant trois minutes.Retirer le ruban, rincer la gaufrette à l’eau déionisée et la sécher avec de l’azote. Utilisez un stylo diamant pour couper la gaufrette préparée en quatre quarts. Placez les morceaux dans un panier, nettoyez-les soigneusement dans un réservoir d’eau déionisée et séchez-les avec du gaz azoté.Ensuite, faire tremper les morceaux dans une solution tamponnée d’échumeau d’oxyde pendant 30 secondes, et les rincer et les sécher à l’eau déionisée et au gaz azoté. Ensuite, déposez 50 nanomètres de silicium amorphe sur un échantillon, et vérifiez la durée de vie du silicium. Ensuite, déposez neuf nanomètres d’un silicium amorphe intrinsèque, et 16 nanomètres d’un silicium amorphe de type P, avec un dopant de bore, sur le côté silicium nu d’un deuxième échantillon.Sur un troisième échantillon, utiliser l’évaporation thermique pour déposer neuf nanomètres d’oxyde de molybdène sur le côté silicium nu à 0,5 angstroms par seconde, à température ambiante, à partir d’une source de trioxyde de molybdène. Ensuite, placez les échantillons de silicium amorphe et d’oxyde de molybdène dans un instrument de pulvérisation RF, avec le côté phosphide de gallium face vers le haut. Déposez 75 nanomètres d’oxyde d’indium 10, avec un débit d’oxygène de 2,2 SCCM.Ensuite, déchargez les échantillons et retournez-les. Placez un masque d’ombre mesa sur chaque échantillon. Chargez-les de nouveau dans l’instrument, et déposez encore 75 nanomètres d’ITO.Déchargez les échantillons, échangez le masque contre un masque d’ombre de doigt, et déposez 200 nanomètres d’argent sur le mesa d’ITO à un kilowatt et huit torr. Retournez les échantillons et déposez 200 nanomètres d’argent sur le côté phosphide de gallium ito, comme contact arrière. Enfin, anneal les échantillons dans un four à 220 degrés Celsius et la pression atmosphérique.La microscopie de force atomique a prouvé que la couche de phosphide de gallium a eu une rugosité carrée moyenne de racine d’environ 0.52 nanomètres, indiquant la qualité élevée de cristal avec une basse densité de dislocation de filetage. Les franges pendellosung observées à partir de la double courbe de basculement en cristal oméga deux theta au silicium et au phosphide de gallium 004 étaient compatibles avec des interfaces lisses. La carte spatiale réciproque de 224 taches de défraction montre des pics cohérents de phosphide de gallium et de silicium, ce qui indique que le phosphide de gallium est complètement tendu vers le substrat de silicium de bonne qualité cristalline.La formation d’une couche N plus par diffusion de phosphore avant d’ajouter la couche de phosphide de gallium a maintenu la durée de vie en vrac de silicium jusqu’à des niveaux millisecondes. La durée de vie du silicium au phosphide de gallium était d’environ 100 microsecondes. Les dispositifs ont été construits à l’aide soit d’une couche de silicium amorphe, soit d’une couche d’oxyde de molybdène.L’efficacité quantique interne du dispositif d’oxyde de molybdène est restée élevée à des longueurs d’onde inférieures à celles d’un dispositif de silicium amorphe, mais elle a également eu une réflectance plus élevée à des longueurs d’onde inférieures. Des performances prometteuses de cellules solaires ont été observées pour les deux dispositifs. Les dispositifs amorphes de silicium et d’oxyde de molybdène ont eu des efficacités comparables, des tensions de circuit ouvert, et des facteurs de remplissage.Dans l’ensemble, la couche d’oxyde de molybdène a obtenu de meilleurs résultats dans l’ensemble que la couche de silicium amorphe. Tout en essayant cette procédure, n’oubliez pas de garder la deuxième gaufrette aussi propre que possible avant de charger dans la chambre MBE, en particulier lors du dépôt de nitride de silicium.

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JoVE Journal

Engineering

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