Name: developing high performance gap/si heterojunction solar cells
Uploaded: 2018-11-16T15:00:00
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Gli autori vorrei ringraziare Ding L. e M. Boccard per i loro contributi nell'elaborazione e nella sperimentazione delle celle solari in questo studio. Gli autori riconoscono finanziamenti dal US Department of Energy sotto contratto DE-EE0006335 e il programma di centro di ricerca ingegneria del National Science Foundation e l'ufficio di efficienza energetica e delle energie rinnovabili del dipartimento dell'energia sotto NSF accordo cooperativo n CEE-1041895. Som de Cristofaro presso Solar Power Lab è stato sostenuto, in parte, dal contratto di NSF ECCS-1542160.

Attenzione: Si prega di consultare tutti i pertinenti schede di sicurezza (MSDS) prima di trattare con prodotti chimici. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue una fabbricazione di celle solari tra cui la cappa aspirante e dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice, pantaloni lunghi, Scarpe chiuse).
1. Si Wafer pulizia
<ol><li>Pulire wafer Si in soluzione Piranha (H2O2/h2SO4</s...

<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>

Uno strato di GaP nm di spessore nominale 25 epitaxially è stato coltivato su una superficie di P-ricchi Si tramite MBE. Per far crescere una migliore qualità dello strato di GaP su substrati di Si, un relativamente basso V/III rapporto (P/Ga) è preferibile. Una qualità buona cristallo dello strato di GaP è necessaria ottenere conducibilità alta e bassa densità dei centri di ricombinazione. Il AFM root-mean-square (RMS) della superficie del GaP è ~0.52 nm mostrando una superficie liscia con nessun pozzi, indicati...

C'è stato un continuo sforzo sull'integrazione di materiali diversi con reticolo mismatch al fine di migliorare la complessiva cella solare efficienza1,2. L'integrazione di III-V/Si ha il potenziale per aumentare l'efficienza di celle solari Si ulteriormente e sostituire i costosi substrati di III-V (come GaAs e Ge) con un substrato di Si per le applicazioni delle celle solari multigiunzione. Tra tutti i sistemi materiali binari di III-V, fosfuro di gallio (GaP) è un buon candidato per questo scopo, ed è il più piccolo divario di reticolo (~ 0,4%) con Si e un alta bandgap indiretta. Queste funzionalità abilitare l'integrazione con alta qualità di GaP con substrato di Si. È stato dimostrato teoricamente che GaP/celle solari eterogiunzione potrebbe migliorare l'efficienza di emettitore passivato convenzionale posteriore Si celle solari3,4 beneficiando l'unica band-offset tra GaP e Si (∆v ~1.05 eV e ∆ ec ~0.09 eV). Questo rende il GaP un promettente elettrone selettivo del contatto per celle solari al silicio. Tuttavia, al fine di realizzare celle solari ad alte prestazioni GaP/Si eterogiunzione, sono necessari un elevata durata di massa Si e alta qualità di interfaccia GaP/Si.
Durante la crescita dei materiali III-V su un substrato di Si di epitassia da fasci molecolari (MBE) ed epitassia di fase del vapore metallorganici (MOVPE), degradazione di durata significativa Si è stato ampiamente osservato5,6,7, 8 , 9. e ' stato rivelato che il degrado della vita accade principalmente durante il trattamento termico delle cialde Si nei reattori, che è necessario per la ricostruzione di desorbimento e/o superficie di ossido superficiale prima del10di crescita epitassiale. Questo degrado è stato attribuito alla diffusione estrinseca di contaminanti originati dalla crescita reattori5,7. Diversi approcci sono stati proposti per sopprimere questa degradazione di vita Si. Nel nostro lavoro precedente, abbiamo dimostrato due metodi in cui la degradazione di vita Si può essere soppresso significativamente. Il primo metodo è stato dimostrato tramite l'introduzione del peccatox come una barriera di diffusione7 e quello secondo introducendo lo strato di P-diffusione come un agente di gettering11 al substrato Si.
In questo lavoro, abbiamo dimostrato ad alte prestazioni celle solari di GaP/Si basa sui suddetti approcci per mitigare il degrado di vita massa di silicio. Le tecniche usate per preservare la durata Si possono avere vaste applicazioni in celle solari multigiunzione con le celle di fondo Si attiva e dispositivi elettronici quali CMOS ad alta mobilità. In questo protocollo dettagliato, i dettagli di fabbricazione di celle solari eterogiunzione GaP/Si, tra cui Si cialda pulizia, P-diffusione del forno, crescita di GaP e GaP/celle solari di elaborazione, sono presentati.

<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

Per migliorare l'efficienza delle celle solari a base Si oltre il loro limite di Shockley-Queisser, il percorso ottimale è di integrarli con le celle solari basate su III-V. In questo lavoro, vi presentiamo le celle solari ad alte prestazioni GaP/Si eterogiunzione con un'elevata durata di minoranza-vettore Si e cristallo di alta qualità di strati epitassiali di GaP. È indicato che applicando il fosforo (P)-strati di diffusione nel substrato Si e uno strato dix di peccato, la durata di minoranza-vettore Si può essere ben mantenuta durante la crescita di GaP nell'epitassia da fasci molecolari (MBE). Controllando le condizioni di crescita, la qualità di cristallo alta di GaP è stata coltivata sulla superficie Si P-ricco. La qualità della pellicola è caratterizzata da microscopia a forza atomica e diffrazione di raggi x ad alta risoluzione. Inoltre, MoOx è stato implementato come un buco-selettivo del contatto che ha portato ad un significativo aumento della densità di corrente di corto circuito. Le prestazioni del dispositivo alto raggiunto delle celle solari eterogiunzione GaP/Si stabilisce un percorso per ulteriore incremento delle prestazioni dei dispositivi fotovoltaici Si-based.

Forza atomica (AFM) la microscopia immagini e scansioni ad alta risoluzione diffrazione di raggi x (XRD), tra cui la curva a dondolo nelle vicinanze la riflessione (004) e la mappa di reciproco dello spazio (RSM) nelle vicinanze di riflessione (224), sono stati raccolti per il GaP/Si struttura (Figura 1). L'AFM è stato utilizzato per caratterizzare la morfologia superficiale del divario MBE-cresciuta e XRD è stato utilizzato per esaminare la qualità di cri...

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Developing High Performance GaP/Si Heterojunction Solar Cells

Qui, presentiamo un protocollo per sviluppare alte prestazioni GaP/Si eterogiunzione celle solari con una vita di minoranza-vettore Si alta.

Lo sviluppo di celle solari ad alte prestazioni GaP/Si Heterojunction

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 ...

Questo metodo può dire, rispondere alle domande chiave nella fabbricazione di celle solari integrate in silicio stratificato su come mantenere un'elevata durata della massa di silicio durante la crescita. I principali vantaggi di questo processo sono che possiamo ottenere una lunga durata alla rinfusa di silicio, anche dopo la crescita eterovalente del contatto selettivo del portatore di fosfuro di gallio sul silicio. Questo ci permette di accedere agli spazi vuoti di banda di altri semiconduttori III-V.È una forma di cella solare multigiunzione con una cella inferiore in silicio. Per iniziare, preparare una soluzione di piranha in un bagno di riscaldamento ad alta densità di acido polietilene, riscaldarlo a 110 gradi Celsius e attendere che la temperatura si stabilizzi. In un altro bagno acido, preparare una soluzione diluita di acido cloridrico e perossido di idrogeno per rimuovere la contaminazione ionica, riscaldarla a 74 gradi Celsius e attendere la stabilizzazione della temperatura.Posizionare wafer di silicio lucido a doppia estremità a zona galleggiante di quattro pollici di diametro in una cassetta wafer in polipropilene pulito da quattro pollici. Immergere i wafer nella soluzione di piranha per 10 minuti. Quindi, sciacquare i wafer per 10 minuti con acqua deionizzata e metterli in una cassetta pulita.Immergere i wafer nella soluzione di pulizia ionica per 10 minuti, quindi sciacquarli con acqua deionizzata per 10 minuti. Quindi, immergere i wafer in una soluzione tamponata di ossido di ossido da 10 a un fluoruro di ammonio in acido fluoridrico per tre minuti a temperatura ambiente e sciacquarli con acqua deionizzata per 10 minuti. Asciugare i wafer puliti sotto un flusso di gas azoto secco.Quindi, posizionare un wafer pulito in una barca al quarzo e caricarlo in un forno a tubo di quarzo, riscaldato a 800 gradi Celsius con un'atmosfera di gas azoto che scorre. Aumentare il forno a 820 gradi Celsius nel corso di 20 minuti. Quindi, passare il gas vettore all'azoto soffiato attraverso l'ossloruro di fosforo a 1.000 SCCM.Dopo 15 minuti, interrompere il flusso di gas vettore e far scendere il forno a 800 gradi Celsius. Rimuovere il wafer dal forno e lasciarlo raffreddare. Quindi, immergerlo in una soluzione di incisione di ossido tamponata fresca per 10 minuti per rimuovere il vetro silicato di fosforo.Risciacquare il wafer in acqua deionizzata per 10 minuti e asciugarlo con gas azoto. Poco prima della deposizione di nitruro di silicio, immergere il wafer in una soluzione tamponata di ossido di ossido per un minuto per rimuovere gli ossidi nativi. Sciacquarlo in acqua deionizzata per 10 minuti e asciugarlo con gas azoto secco.Posizionare il wafer su un supporto di silicio monocristallino pulito e caricarlo in uno strumento PECVD, dotato di sorgenti di silano e ammoniaca. Impostare la pressione della camera su 3,5 torr e depositare 150 nanometri di nitruro di silicio a 3,9 nanometri al secondo, con 300 watt di potenza RF. Successivamente, caricare il wafer in uno strumento MBE, dotato di cellule di effusione di gallio, fosforo e silicio.Degasa il wafer nella camera introduttiva a 180 gradi Celsius per tre ore. Quindi, trasferire il wafer nella camera tampone e degasarlo a 240 gradi Celsius per due ore. Caricare il wafer nella camera di crescita e cuocerlo a 850 gradi Celsius per 10 minuti.Successivamente, raffreddare il wafer a 580 gradi Celsius e preparare le cellule di effusione per generare i flussi appropriati. Aprire il gallio, il fosforo e il silicio rabbrividire e coltivare 25 nanometri di fosfuro di gallio con un metodo di crescita interrotto, seguito da 121 secondi di crescita ininterrotta. Successivamente, raffreddare il campione a 200 gradi Celsius e scaricarlo dallo strumento.Quindi, coprire la superficie del fosfuro di gallio con un nastro adesivo resistente agli acidi. Immergere il wafer in circa 300 millilitri di acido fluoridrico al 49% per cinque minuti per rimuovere lo strato di nitruro di silicio. Rimuovere il nastro, sciacquare il wafer con acqua deionizzata per 10 minuti e asciugarlo sotto un flusso di gas azoto.Quindi, coprire la superficie del fosfuro di gallio con nastro adesivo fresco. In un bicchiere di plastica, preparare 500 millilitri di una miscela di acido fluoridrico, acido nitrico e acido acetico. Posizionare con cura il wafer nella soluzione HNA e lasciarlo immergere a temperatura ambiente per tre minuti.Rimuovere il nastro, sciacquare il wafer con acqua deionizzata e asciugarlo con azoto. Utilizzare una penna di diamante per tagliare il wafer preparato in quattro quarti. Mettere i pezzi in un cesto, pulirli accuratamente in un serbatoio di acqua deionizzata e asciugarli con gas azoto.Quindi, immergere i pezzi in una soluzione di incisione di ossido tamponato per 30 secondi e risciacquarli e asciugarli con acqua deionizzata e gas azoto. Quindi, depositare 50 nanometri di silicio amorfo su un campione e controllare la durata del silicio. Quindi, depositare nove nanometri di un silicio amorfo intrinseco, e 16 nanometri di un silicio amorfo di tipo p, con un drogante di boro, sul lato nudo del silicio di un secondo campione.Su un terzo campione, utilizzare l'evaporazione termica per depositare nove nanometri di ossido di molibdeno sul lato nudo del silicio a 0,5 angstrom al secondo, a temperatura ambiente, da una sorgente di triossido di molibdeno. Quindi, posizionare i campioni di silicio amorfo e ossido di molibdeno in uno strumento di sputtering RF, con il lato fosfuro di gallio rivolto verso l'alto. Depositare 75 nanometri di ossido di indio 10, con una portata di ossigeno di 2,2 SCCM.Quindi, scaricare i campioni e girarli. Posizionare una maschera d'ombra mesa su ogni campione. Caricarli di nuovo nello strumento e depositare altri 75 nanometri di ITO.Scaricare i campioni, scambiare la maschera con una maschera ombra per le dita e depositare 200 nanometri d'argento sulla mesa ITO a un kilowatt e otto torr. Girare i campioni e depositare altri 200 nanometri di argento sul lato del fosfuro di gallio ITO, come contatto posteriore. Infine, ricottura dei campioni in un forno a 220 gradi Celsius e pressione atmosferica.La microscopia a forza atomica ha mostrato che lo strato di fosfuro di gallio aveva una rugosità quadrata media della radice di circa 0,52 nanometri, indicando un'alta qualità cristallina con una bassa densità di lussazione della filettatura. Le frange pendellosung osservate dalla curva a dondolo a doppio cristallo omega two theta ai riflessi del fosfuro di silicio e gallio 004 erano coerenti con interfacce lisce. La mappa spaziale reciproca di 224 punti di defrazione mostra picchi coerenti di fosfuro di gallio e silicio, indicando che il fosfuro di gallio è completamente teso al substrato di silicio con una buona qualità cristallina.Formare uno strato N plus per diffusione del fosforo prima di aggiungere lo strato di fosfuro di gallio ha mantenuto la durata di massa del silicio a livelli fino a millisecondi. La durata del silicio fosfuro di gallio era di circa 100 microsecondi. I dispositivi erano costruiti usando uno strato di silicio amorfo o uno strato di ossido di molibdeno.L'efficienza quantistica interna del dispositivo di ossido di molibdeno rimase alta a lunghezze d'onda più basse rispetto a un dispositivo di silicio amorfo, ma aveva anche una maggiore riflettanza a lunghezze d'onda più basse. Sono state osservate promettenti prestazioni delle celle solari per entrambi i dispositivi. I dispositivi amorfo di silicio e ossido di molibdeno avevano efficienze comparabili, tensioni a circuito aperto e fattori di riempimento.Nel complesso, lo strato di ossido di molibdeno ha funzionato meglio come un contatto selettivo complessivo rispetto allo strato di silicio amorfo. Durante il tentativo di questa procedura, ricordarsi di mantenere il secondo wafer il più pulito possibile prima di caricare nella camera MBE, specialmente quando si deposita nitruro di silicio.

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