Name: developing high performance gap/si heterojunction solar cells
Uploaded: 2018-11-16T15:00:00
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Os autores gostaria agradecer Ding L. e M. Boccard por suas contribuições no processamento e teste das células solares neste estudo. Os autores reconhecem o financiamento do departamento de energia dos EUA, sob contrato DE-EE0006335 e o programa engenharia de centro de pesquisa da National Science Foundation e o escritório de eficiência energética e energia renovável do departamento de energia sob n º acordo cooperativo de NSF CEE-1041895. Som da Silva Moreira no laboratório de energia Solar foi apoiada, em parte, pelo contrato NSF ECCS-1542160.

Atenção: Por favor consulte todas as fichas de dados de segurança relevantes (MSDS) antes de lidar com produtos químicos. Por favor, use todas as práticas de segurança adequadas ao executar uma fabricação de células solares, incluindo a coifa e equipamento de protecção pessoal (óculos de segurança, luvas, jaleco, calça longa-metragem, sapatos fechados).
1. Si Wafer limpeza
<ol><li>Limpar wafers de Si na solução Piranha (H2O2/h2SO4) ...

<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>

Uma camada de abertura nominal 25 nm de espessura epitaxially foi cultivada em uma superfície rica em P Si via MBE. Para o cultivo de uma melhor qualidade da camada de GaP em substratos de Si, um relativamente baixo V/III (P/Ga) proporção é preferível. Uma qualidade boa de cristal da camada de GaP é necessária para atingir alta condutividade e baixa densidade dos centros de recombinação. O AFM root-mean-square (RMS) da superfície GaP é nm ~0.52 mostrando uma superfície lisa com sem caroços, indicativos de qu...

Tem havido um esforço contínuo sobre a integração de diferentes materiais com incompatibilidades de treliça para reforçar a célula solar total eficiência1,2. A integração de III-V/Si tem o potencial de aumentar a eficiência de células solares de Si atual e substituir os caros substratos de III-V (tais como o GaAs e Ge) com um substrato de Si para aplicações de células solares de multijunções. Entre todos os III-V binário materiais sistemas, Fosfeto de gálio (GaP) é um bom candidato para esta finalidade, como tem a menor incompatibilidade de retículo (~ 0,4%) com Si e uma alta bandgap indireto. Esses recursos podem permitem a integração de alta qualidade do GaP com substrato de Si. Teoricamente mostrou que GaP/Si heterojunction solar células poderiam aumentar a eficiência do emissor passivadas convencional traseira Si células solares3,4 por beneficiar o único banda-deslocamento entre GaP e Si (∆ ev ~1.05 eV e ∆ ec ~0.09 eV). Isto faz diferença um contato de elétron promissor seletiva para células solares de silício. No entanto, para atingir alto desempenho GaP/Si heterojunction células solares, uma alto Si maior tempo de vida e alta qualidade de interface GaP/Si são necessários.
Durante o crescimento dos materiais III-V sobre um substrato de Si por Epitaxia de feixe molecular (MBE) e metalorgânicos Epitaxia de fase de vapor (MOVPE), degradação de vida importante Si tem sido amplamente observada5,6,7, 8 , 9. foi revelado que a degradação da vida acontece principalmente durante o tratamento térmico das bolachas de Si nos reatores, que é necessário para a reconstrução de dessorção e/ou superfície de óxido superfície antes o crescimento epitaxial de10. Essa degradação foi atribuída a extrínseca difusão de contaminantes originada-se o crescimento reactores5,7. Várias abordagens têm sido propostas para suprimir essa degradação de tempo de vida de Si. Em nosso trabalho anterior, demonstrámos dois métodos em que a degradação de tempo de vida de Si pode ser significativamente suprimida. O primeiro método foi demonstrado pela introdução do pecadox como uma barreira de difusão7 e o segundo introduzindo a camada P-difusão como um agente de absorção11 ao substrato de Si.
Neste trabalho, temos demonstrado alta performance GaP/Si solar células com base em abordagens acima mencionadas para mitigar a degradação de vida de em massa de silício. As técnicas utilizadas para preservar a vida de Si podem ter aplicações amplas em células solares de multijunções com células ativas de fundo de Si e dispositivos eletrônicos, como CMOS de alta mobilidade. Neste protocolo detalhado, os detalhes da fabricação do GaP/Si heterojunction células solares, incluindo Si bolacha de limpeza, P-difusão na fornalha, crescimento de GaP e GaP/Si solar células de processamento, são apresentados.

<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

Para melhorar a eficiência das células solares de baseados em Si além do seu limite de Shockley-Queisser, o caminho ideal é integrá-los com células solares de III-V-baseado. Neste trabalho, apresentamos as células solares de alta performance GaP/Si heterojunction com alta vida de minoria-portador de Si e cristal de alta qualidade de camadas epitaxiais de GaP. Isso é mostrado através da aplicação de fósforo (P)-camadas de difusão no substrato de Si e uma camada dex do pecado, o tempo de vida das minorias-portador de Si pode ser bem mantido durante o crescimento de GaP na Epitaxia de feixe molecular (MBE). Ao controlar as condições de crescimento, a qualidade de cristal de alta do défice foi cultivada na superfície rica em P Si. A qualidade do filme é caracterizada por microscopia de força atômica e difração de raios x de alta resolução. Além disso, MoOx foi implementado como um buraco-seletivo contato que levou a um aumento significativo da densidade de corrente de curto-circuito. O desempenho alcançado alta dispositivo das células solares GaP/Si heterojunction estabelece um caminho para maior realce do desempenho de dispositivos fotovoltaicos baseados em Si.

Imagens de força atômica (AFM) a microscopia e exames de alta resolução de difração de raios x (XRD), incluindo a balanço curva nas proximidades da reflexão (004) e o mapa de espaço recíproco (RSM) nas proximidades de reflexão (224), foram coletados para o GaP/Si estrutura (Figura 1). O AFM foi usado para caracterizar a morfologia de superfície do GaP MBE-crescido e XRD foi usado para examinar a qualidade do cristal da camada de GaP. O tempo de vi...

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Developing High Performance GaP/Si Heterojunction Solar Cells

Aqui, apresentamos um protocolo para desenvolver alta performance GaP/Si heterojunction células solares com uma vida de minoria-portador de Si elevada.

Desenvolvimento de células solares de alta Performance 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 ...

Este método pode dizer, responder a perguntas-chave na fabricação de células solares integradas de silício estratificados sobre como manter uma alta vida útil do silício durante o crescimento. As principais vantagens desse processo são que podemos alcançar uma longa vida útil em massa de silício, mesmo após o crescimento heterovalente do contato seletivo do portador de fosfato de gálio no silício. Isso nos permite acessar as lacunas de banda de outros semicondutores III-V.É uma forma de célula solar multijunção com uma célula de fundo de silício. Para começar, prepare uma solução de piranha em um banho de aquecimento de ácido polietileno de alta densidade, aquecendo-o a 110 graus Celsius, e aguarde a temperatura estabilizar. Em outro banho de ácido, prepare uma solução diluída de ácido clorídrico e peróxido de hidrogênio para remover a contaminação iônica, aquecendo-a a 74 graus Celsius e esperando a temperatura estabilizar.Coloque wafers de silício polidos de quatro polegadas de diâmetro em um de wafer limpo de quatro polegadas de diâmetro. Mergulhe os wafers na solução de piranha por 10 minutos. Em seguida, enxágue os wafers por 10 minutos com água desionizada, e coloque-os em um limpo.Mergulhe os wafers na solução de limpeza iônica por 10 minutos e enxágue-os com água deionizada por 10 minutos. Em seguida, mergulhe os wafers em uma solução de etch de óxido tamponado de 10 a um flúor de amônio para ácido fluorídrico por três minutos à temperatura ambiente, e enxágüe-os com água desionizada por 10 minutos. Seque os wafers limpos sob um fluxo de gás nitrogênio seco.Em seguida, coloque um wafer limpo em um barco de quartzo e carregue-o em um forno de tubo de quartzo, aquecido a 800 graus Celsius com uma atmosfera de gás nitrogênio fluindo. Aumente o forno para 820 graus Celsius ao longo de 20 minutos. Em seguida, mude o gás transportador para nitrogênio borbulhado através de fósforo oximolloreto a 1.000 SCCM.Após 15 minutos, pare o fluxo de gás transportador e aumente o forno até 800 graus Celsius. Retire o wafer do forno e deixe esfriar. Em seguida, mergulhe-o em uma solução de etch de óxido tampão fresco por 10 minutos para remover vidro silicato de fósforo.Enxágüe o wafer em água desionizada por 10 minutos e seque-o com gás nitrogênio. Pouco antes da deposição do nitreto de silício, mergulhe o wafer em uma solução de etch de óxido tamponado por um minuto para remover óxidos nativos. Enxágüe-o em água deionizada por 10 minutos e seque-a com gás nitrogênio seco.Coloque o wafer em um porta-silício monocristalino limpo e carregue-o em um instrumento PECVD, equipado com fontes de silano e amônia. Coloque a pressão da câmara em 3,5 torrs e deposite 150 nanômetros de nitreto de silício a 3,9 nanômetros por segundo, com 300 watts de potência RF. Em seguida, carregue o wafer em um instrumento MBE, equipado com gálio, fósforo e células de derrame de silício.Outgas o wafer na câmara introdutória a 180 graus Celsius por três horas. Em seguida, transfira o wafer para a câmara tampão, e adásse-lo a 240 graus Celsius por duas horas. Coloque o wafer na câmara de crescimento e leve-o a 850 graus Celsius por 10 minutos.Depois disso, esfrie o wafer a 580 graus Celsius, e prepare as células de derrame para gerar os fluxos apropriados. Abra o gálio, o fósforo e o silício estremece, e cresça 25 nanômetros de fosfato de gálio com um método de crescimento interrompido, seguido por 121 segundos de crescimento ininterrupto. Depois, esfrie a amostra a 200 graus Celsius e descarregue-a do instrumento.Em seguida, cubra a superfície do fosfeto de gálio com uma fita dicing resistente a ácido. Mergulhe o wafer em cerca de 300 mililitros de ácido 49% hidrofluorídrico por cinco minutos para remover a camada de nitreto de silício. Retire a fita, enxágue o wafer com água desionizada por 10 minutos e seque-a sob um fluxo de gás nitrogênio.Em seguida, cubra a superfície do fosfato de gálio com fita adesiva fresca. Em um béquer plástico, prepare 500 mililitros de uma mistura de ácido fluorídrico, ácido nítrico e ácido acético. Coloque cuidadosamente o wafer na solução HNA e deixe-o de molho à temperatura ambiente por três minutos.Retire a fita, enxágue o wafer com água desionizada e seque-a com nitrogênio. Use uma caneta de diamante para cortar o wafer preparado em quatro quartos. Coloque as peças em uma cesta, limpe-as completamente em um tanque de água deionizada e seque-as com gás nitrogênio.Em seguida, mergulhe as peças em uma solução de etch de óxido tamponado por 30 segundos, enxágue-as e seque-as com água deionizada e gás nitrogênio. Em seguida, deposite 50 nanômetros de silício amorfo em uma amostra, e verifique a vida útil do silício. Em seguida, deposite nove nanômetros de um silício amorfo intrínseco, e 16 nanômetros de um silício amorfo tipo p, com um dopante de boro, no lado de silício nu de uma segunda amostra.Em uma terceira amostra, use evaporação térmica para depositar nove nanômetros de óxido de molhênio no lado de silício nu a 0,5 angstroms por segundo, à temperatura ambiente, a partir de uma fonte de trióxido de moleguênio. Em seguida, coloque as amostras de silício amorfo e óxido de molhênio em um instrumento de sputtering RF, com o lado do fosfeto de gálio voltado para cima. Deposite 75 nanômetros de óxido de índio 10, com uma taxa de fluxo de oxigênio de 2,2 SCCM.Então, descarregue as amostras e vire-as. Coloque uma máscara de sombra de mesa em cada amostra. Carregue-os de volta no instrumento e deposite outros 75 nanômetros de ITO.Descarregue as amostras, troque a máscara por uma máscara de sombra de dedo e deposite 200 nanômetros de prata na mesa do ITO a um quilowatt e oito torr. Vire as amostras e deposite outros 200 nanômetros de prata no lado do fosfeto do gálio ITO, como o contato de trás. Por fim, as amostras em um forno a 220 graus Celsius e pressão atmosférica.A microscopia da força atômica mostrou que a camada de fosfito de gálio tinha uma rugosidade quadrada média raiz de cerca de 0,52 nanômetros, indicando alta qualidade de cristal com baixa densidade de luxação rosca. As franjas pendellosung observadas a partir da curva de balanço de ômega dois de cristal duplo na reflexão de silício e fósforo de gálio 004 eram consistentes com interfaces lisas. O mapa espacial recíproco de 224 pontos de defracção mostra picos coerentes de fosfato de gálio e silício, indicando que o fosfato de gálio está totalmente tenso para o substrato de silício com boa qualidade cristalina.Formar uma camada N plus por difusão de fósforo antes de adicionar a camada de fosfito de gálio manteve a vida útil do volume de silício em até níveis de milissegundos. A vida útil do silício de gálio foi de cerca de 100 microssegundos. Os dispositivos foram construídos usando uma camada de silício amorfo, ou uma camada de óxido de molhênio.A eficiência quântica interna do dispositivo de óxido de molisfodeno permaneceu alta em comprimentos de onda mais baixos do que um dispositivo de silício amorfo, mas também teve uma maior reflexão em comprimentos de onda mais baixos. O desempenho promissor das células solares foi observado para ambos os dispositivos. Os dispositivos de óxido de silício amorfo e molbdenum tinham eficiências comparáveis, tensões de circuito aberto e fatores de enchimento.No geral, a camada de óxido de molhênio teve melhor desempenho como um contato seletivo do que a camada de silício amorfo. Ao tentar este procedimento, lembre-se de manter o segundo wafer o mais limpo possível antes de carregar na câmara MBE, especialmente ao depositar nitreto de silício.

Research

JoVE Journal

Engineering

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Engenharia

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