Name: developing high performance gap/si heterojunction solar cells
Uploaded: 2018-11-16T15:00:00
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著者は、処理し、本研究では太陽電池のテストの彼らの貢献のため l. と m. Boccard を感謝したいです。著者が認める契約・ デ ・ EE0006335 の下で米国エネルギー省と全米科学財団とエネルギー効率のオフィスの工学研究センター プログラム、エネルギー省の再生可能エネルギーからの資金NSF の協力協定号下EEC-1041895。Som Dahal 太陽パワー研究室によって支えられた、一部では、NSF 契約 ECCS 1542160。

注意: は、化学物質を取扱う前にすべての関連化学物質等安全データ シート (MSDS) を参照してください。ヒューム フードと保護具 (保護メガネ、手袋、白衣、フルレングスのパンツ、閉じてつま先の靴) などを含む太陽電池作製を実行するときは、すべての適切な安全対策を使用してください。
1. Si ウエハの洗浄
<ol><li>ピラニア溶液中の Si ウェーハをクリーン (H2</su...

<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>

公称 25 nm 厚 GaP 層エピタキシャルに成長 MBE による P リッチ Si 表面へ。比較的低い V/III Si 基板上 GaP 層の質の向上を成長するには、(P/Ga) 比率が望ましい。GaP 層の良い結晶質は高い導電性と再結合準位の低密度を達成するために必要です。原子間力顕微鏡根二乗平均平方根 (RMS) GaP 表面の ~0.52 nm (図 1 a) 低貫通転位密度の高い結晶品質を示すピットを持たない滑らかな表?...

全体的な太陽電池効率1,2を強化するために異なる格子不整合材料の統合には継続されています。III-V/Si 集積化には、さらに現在の Si 太陽電池の効率を向上し、多接合太陽電池用 Si 基板 (GaAs、Ge) など高価な III-V 基板に置き換える可能性があります。すべて III-V 族バイナリ材料システム、間でリン化ガリウム (ギャップ) Si と高間接バンド ギャップ最小格子不整合 (〜 0.4%) があり、この目的のため良い候補者です。これらの機能は、Si 基板とのギャップの高品質の統合を有効にできます。ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池がギャップと Si の間ユニークなバンド オフセットの恩恵によって従来パッシベーションエミッタ後部 Si 太陽電池3,4の効率を高めることができること理論的に示されている (∆Ev~1.05 eV および ∆Ec ~0.09 eV)。これはギャップにシリコン太陽電池用有望な電子選択的接触を行う.ただし、高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を実現するために高 Si バルク寿命と品質ギャップ/Si インターフェイス必要です。
分子線エピタキシー (MBE) と有機金属気相成長 (MOVPE) 法による Si 基板上の III-V 族材料の成長の間に Si の寿命が大幅に低下観測されている広く5,6,7,8,9. 寿命劣化に対して、原子炉内で Si ウエハの熱処理中に発生する主に、エピタキシャル成長10前に表面酸化脱離および/または表面再構成に必要なことが明らかにされました。この劣化のせいにしたいた成長炉5,7由来の汚染物質の外部拡散。いくつかのアプローチは、この Si 寿命劣化を抑制する提案されている.筆者らは, Si 寿命劣化を大幅抑制できる 2 つの方法を説明してきました。最初のメソッドは、罪x拡散バリア7と Si 基板をゲッタリング エージェント11 P 拡散層を導入することで二つ目の導入によって示されました。
この作品で高パフォーマンス ギャップ/Si 太陽電池シリコン バルク寿命劣化を軽減するために前述のアプローチに基づくを説明してきました。Si の寿命を維持するために使用される技術は、アクティブな Si 下部セルと高移動度 CMOS などの電子機器の多接合太陽電池の広範なアプリケーションを使用できます。この詳細なプロトコル、ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池、Si ウェハ洗浄を含む P 拡散炉、格差の拡大、および処理、ギャップ/Si 太陽電池の作製の詳細が掲載されています。

<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

ショックレー現在に超えた Si 系太陽電池の効率を改善するために最適なパス III V 系太陽電池でそれらを統合することです。この作品は、高 Si 少数キャリア寿命と高結晶品質エピタキシャル成長層がギャップの高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を紹介します。リン (P) を適用することによってことを示した-Si 少数キャリア寿命は分子線エピタキシー法 (MBE) のギャップ成長中に手入れの行き届いた、Si 基板に拡散層と罪x層。成長条件を制御することにより P リッチ Si 表面のギャップの高結晶品質を育った。映画の質は、原子間力顕微鏡および高分解能 x 線回折によって特徴付けられます。さらに、x MoO の大幅な増加につながった穴選択的接触として実装されました、短絡電流密度。ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池の達成の高いデバイスのパフォーマンスは、Si 系太陽電池の性能の更なる向上のためパスを確立します。

ギャップ/Si の原子間力顕微鏡 (AFM) 画像と (004) 反射と (224) 反射近傍領域逆格子マップ (RSM) ロッキング カーブを含む高解像度の x 線回折 (XRD) スキャンを収集構造 (図 1)。AFM は MBE 成長したギャップの表面の形態を特徴付けるために使用された、XRD が GaP 層の結晶品質を調べるに使用されました。この作業で使用されるメソッドを保持する有効期?...

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Developing High Performance GaP/Si Heterojunction Solar Cells

ここでは、高 Si 少数キャリア寿命の高性能ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を開発するためのプロトコルを提案する.

高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池の開発

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 ...

この方法は、成長中に高いシリコンバルク寿命を維持する方法についての層化シリコン統合太陽電池製造における重要な質問に答えることができます。このプロセスの主な利点は、シリコン上のリン化ガリウム担体の選択的接触のヘテロバレント成長後も、長いシリコンバルク寿命を達成できることです。これにより、他のIII-V半導体のバンドギャップにアクセスすることができます。これは、シリコン底セルを備えた多接合太陽電池の一形態です。まず、ピラニア溶液を高密度ポリエチレン酸加熱浴槽に準備し、110°Cに加熱し、温度が安定するのを待ちます。別の酸浴では、イオン汚染を除去し、74°Cに加熱し、温度が安定するのを待つために、希釈された塩酸および過酸化水素溶液を調製します。4インチの直径フロートゾーンエンドタイプの二重側研磨シリコンウエハースをクリーンポリプロピレン4インチウエハカセットに入れます。ウエハースをピラニア溶液に10分間浸します。その後、水を脱イオンにしてウエハースを10分間洗い流し、清潔なカセットに入れます。ウエハーをイオン洗浄液に10分間浸し、脱イオン水で10分間洗い流します。次に、ウエハースを10~1フッ化アンモニウムの緩衝酸化エッチ溶液に浸し、フッ化水素酸を室温で3分間浸し、脱イオン水で10分間洗い流します。乾燥窒素ガスの流れの下できれいなウエハースを乾燥させます。次に、石英船にきれいなウエハーを入れ、窒素ガスを流す雰囲気で摂氏800度に加熱した石英管炉に積み込みます。20分の間に820°Cに炉をランプ。次に、キャリアガスを1,000SCCMでオキシ塩化リンを通して泡立つ窒素に切り替えます。15分後、キャリアガスの流れを止め、炉を摂氏800度まで下げます。炉からウエハーを取り出し、冷却します。次いで、新鮮な緩衝酸化エッチ溶液に10分間浸し、リンケイ酸ガラスを除去する。ウェーハを脱イオン水で10分間リンスし、窒素ガスで乾燥させます。窒化ケイ素沈着の直前に、ウエハーを緩衝された酸化物エッチング液に1分間浸し、天然酸化物を除去する。脱イオン水で10分間リンスし、乾燥窒素ガスで乾燥させます。ウエハーをクリーンな単結晶シリコンキャリアに置き、シランとアンモニア源を備えたPECVD機器にロードします。チャンバーの圧力を3.5トルに設定し、150ナノメートルの窒化ケイ素を毎秒3.9ナノメートル、300ワットのRF電力で堆積させます。次に、ガリウム、リン、およびシリコン流出細胞を搭載したMBE機器にウエハーを積み込みます。入門室のウエハーを摂氏180度で3時間アウトガス。次いで、ウエハーを緩衝チャンバーに移し、2時間摂氏240度で外気にする。成長室にウエハースを積み込み、摂氏850度で10分間焼きます。その後、ウエハを摂氏580度まで冷却し、適切なフラックスを生成するようにエフュージョンセルを調製する。ガリウム、リン、シリコン震えを開き、中断された成長法で25ナノメートルのリン化ガリウムを成長させ、続いて121秒間の途切れない成長を続けます。その後、サンプルを摂氏200度まで冷却し、計器から降ろします。次に、酸抵抗性ダイシングテープでリン化ガリウム表面を覆います。ウエハーを約300ミリリットルの49%フッ化水素酸に5分間浸し、窒化ケイ素層を除去する。テープを取り出し、エウハを脱イオン水で10分間リンスし、窒素ガスの流れの下で乾燥させます。次に、新鮮なダイシングテープでリン化ガリウム表面を覆います。プラスチックビーカーで、フッ化水素酸、硝酸、酢酸の混合物を500ミリリットル調製します。慎重にHNA溶液にウエハを入れ、室温で3分間浸します。テープを取り出し、エウハを脱イオン水ですすいで、窒素で乾燥させます。ダイヤモンドペンを使用して、準備したウェハーを4四半期にスライスします。かごに入れ、脱イオン水のタンクで十分に洗浄し、窒素ガスで乾燥させます。その後、緩衝された酸化物エッチ溶液に30秒間浸し、脱イオン水と窒素ガスですすいで乾燥させます。次に、1つのサンプルに50ナノメートルのアモルファスシリコンを堆積させ、シリコン寿命を確認する。次いで、組み込みのアモルファスシリコンの9ナノメートル、および16ナノメートルのp型アモルファスシリコンを、ホウ素ドーパントを用いて、第2の試料の裸のシリコン側に付着する。3番目のサンプルでは、熱蒸発を使用して、モリブデン三酸化水源から、室温で、毎秒0.5オングストロームで、裸のシリコン側に9ナノメートルの酸化モリブデンを堆積させます。次に、非晶質シリコンと酸化モリブデンコーティングサンプルをRFスパッタリング装置に入れ、リン化ガリウム側を上に向けます。75ナノメートルのインジウム10酸化物を堆積させ、酸素流量は2.2 SCCMである。次に、サンプルをアンロードし、それらをひっくり返します。各サンプルにメサ シャドウ マスクを配置します。それらを装置に戻し、ITOの別の75ナノメートルを堆積させる。サンプルをアンロードし、マスクを指の影のマスクと交換し、1キロワットと8トルでITOメサに200ナノメートルの銀を堆積させます。サンプルをひっくり返し、背中の接触として、リン化されたITOガリウム側に別の200ナノメートルの銀を堆積させます。最後に、220°Cの炉内のサンプルをアニールし、大気圧。原子間力顕微鏡は、リン化ガリウム層が約0.52ナノメートルの根平均平方粗さを有することを示し、低いねじ転位密度で高い結晶質を示した。二結晶オメガ2のシテタロッキング曲線から観察されたペンデロスンフリンジと、リン化ガリウム004反射は、滑らかな界面と一致していた。224の屈折スポットの相互空間マップは、一貫したリン化ガリウムとシリコンピークを示し、リン化ガリウムが結晶質の良いシリコン基板に完全に張り込まれていることを示しています。リン化層を添加する前にリン拡散によってNプラス層を形成し、シリコンバルク寿命をミリ秒レベルまで維持した。このガリウムリン化シリコン寿命は約100マイクロ秒であった。デバイスは、非晶質シリコンの層、または酸化モリブデンの層のいずれかを使用して構築された。酸化モリブデンの内部量子効率は、非晶質シリコンデバイスよりも低波長で高いままであったが、低波長でも反射率が高かった。両方のデバイスに対して有望な太陽電池性能が観察された。非晶質シリコンとモリブデン酸化物デバイスは、同等の効率、開放回路電圧、および充填因子を有していた。全体として、酸化モリブデン層は、非晶質シリコン層よりも全体として選択的接触を行った。この手順を試みている間、特に窒化ケイ素を堆積させる場合は、MBEチャンバーにロードする前に、第2のウエハーをできるだけ清潔に保つことを忘れないでください。

Research

JoVE Journal

Engineering

Research and Development of High-performance Explosives

高性能爆薬の研究開発

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

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バルクヘテロ接合太陽電池の印刷作製と<em&gt;その場で</em&gt;形態キャラクタリゼーション

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

色素増感太陽電池用二酸化チタンのデジタル印刷

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less ...

Probing C84-embedded Si Substrate Using Scanning Probe Microscopy and Molecular Dynamics

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Cプロービング<sub&gt; 84</sub&gt;走査型プローブ顕微鏡および分子動力学を用いたSi基板を-embedded

This paper reports an array-designed C84-embedded Si substrate fabricated using a controlled self-assembly method in an ultra-high vacuum chamber. The ...

A High Performance Impedance-based Platform for Evaporation Rate Detection

蒸発速度検出のための高性能インピーダンスベースのプラットフォーム

This paper describes the method of a novel impedance-based platform for the detection of the evaporation rate. The model compound hyaluronic acid was ...

Morphology Control for Fully Printable Organic&#8211;Inorganic Bulk-heterojunction Solar Cells Based on a Ti-alkoxide and Semiconducting Polymer

Morphology Control for Fully Printable OrganicÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã…â€œInorganic Bulk-heterojunction Solar Cells Based on a Ti-alkoxide and Semiconducting Polymer

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The photoactive layer of a typical organic thin-film bulk-heterojunction (BHJ) solar cell commonly uses fullerene derivatives as the electron-accepting ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

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CHの一価の陽イオンドーピング<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt;効率的なペロブスカイト太陽電池用

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

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To improve the accuracy of the chloride distribution along the depth of cement paste under cyclic wet-dry conditions, a new method is proposed to obtain a ...

高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池の開発

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