Developing High Performance GaP/Si Heterojunction Solar Cells | Protocol (Translated to Turkish)
Yüksek performanslı GaP/Si Heterojunction güneş hücreleri gelişmekte
Burada, yüksek performanslı GaP/Si heterojunction güneş hücreleri bir yüksek Si azınlık taşıyıcı ömür boyu ile geliştirmek için bir protokol mevcut.
Si tabanlı güneş hücreleri Shockley-Queisser sınırlarını ötesinde verimliliğini artırmak için en iyi yolu onları III-V tabanlı güneş hücreleri ile entegre etmektir. Bu çalışmada, bir yüksek Si azınlık taşıyıcı ömür boyu ve Epitaksiyel GaP katmanları yüksek kristal kalitesi ile yüksek performanslı GaP/Si heterojunction güneş hücreleri mevcut. Bu fosfor (P) uygulayarak gösterilir-Si substrat katmanlara difüzyon ve SiNx katman, Si azınlık taşıyıcı ömür boyu moleküler ışın epitaxy (MBE) boşluk büyüme sırasında bakımlı olabilir. Büyüme koşulları kontrol ederek, Gap yüksek crystal kalite P-zengin Si yüzeyinde büyüdü. Film kalitesi atomik kuvvet mikroskobu ve yüksek çözünürlüklü x-ışını kırınım ile karakterizedir. Buna ek olarak, MoOx önemli bir artış yol delik-seçici bir ilgili kişi olarak uygulanan akım yoğunluğu kısa devre. GaP/Si heterojunction güneş hücreleri elde yüksek aygıt performansını daha fazla donanım fotovoltaik cihazlar Si tabanlı performans için yolu oluşturur.
Oldu sürekli bir çaba kafes eşleşmeme durumu farklı malzemelerle entegrasyonu üzerinde genel güneş pili verimliliği1,2geliştirmek için. III-V/Si entegrasyon daha fazla geçerli Si güneş hücresi verimliliği artırmak ve Si substrat multijunction güneş pili uygulamaları için pahalı III-V yüzeylerde (GaAs ve Ge gibi) yerine potansiyeline sahiptir. Si ve yüksek dolaylı bandgap ile en küçük kafes-uyuşmazlığı (~ %0,4) olduğu gibi tüm III-V ikili malzeme sistemleri arasında galyum fosfit (GaP) iyi bir bu amaç için adaydır. Bu özellikleri bir Gap yüksek kaliteli entegrasyon Si substrat etkinleştirebilirsiniz. GaP/Si heterojunction güneş hücreleri benzersiz grup uzaklık arasındaki boşluğu ve sı yararlanan tarafından geleneksel düzgünleştirilecek verici arka Si güneş hücreleri3,4 verimliliği artırmak teorik olarak gösterilmiştir (∆Ev ~1.05 eV ve ∆Ec ~0.09 eV). Bu boşluğu silikon güneş hücreleri için umut verici bir elektron seçmeli kişi yapar. Ancak, yüksek performanslı GaP/Si heterojunction güneş hücreleri elde etmek için bir yüksek Si toplu ömür boyu ve GaP/Si arabirimi kaliteli gereklidir.
III-V malzemelerin moleküler ışın epitaxy (MBE) ve metalorganic buharı faz epitaxy (MOVPE) tarafından Si substrat büyüme sırasında önemli Si ömür boyu bozulması yaygın olarak5,6,7, gözlenmiştir 8 , 9. yaşam boyu bozulması esas olarak reaktörler, Si gofret ısıl işlem sırasında yüzey oksit desorpsiyon ve/veya yüzey imar Epitaksiyel büyüme10önce için gereken olur ortaya çıktı. Bu bozulma büyüme reaktörler5,7' den kökenli kirleticiler dışsal difüzyon atfedilir. Birkaç yaklaşım bu Si ömür boyu bozulma bastırmak için önerilmiştir. Önceki çalışmalarda, iki yöntem hangi Si ömür boyu bozulması önemli ölçüde bastırılmış göstermiştir. İlk yöntem getirilmesiyle SiNx difüzyon bariyer7 ve P-Difüzyon tabakası bir gettering Ajan11 Si substrat tanıtımı tarafından ikincisi olarak gösterilmiştir.
Bu çalışmada, yüksek performanslı GaP/Si güneş hücreleri silikon toplu ömür boyu bozulması azaltmak için söz konusu yaklaşımlar alarak göstermiştir. Si ömür boyu korumak için kullanılan teknikler geniş uygulama multijunction güneş pilleri etkin Si alt hücreleri ve yüksek hareket yeteneği CMOS gibi elektronik cihazlar ile sahip olamaz. Bu ayrıntılı iletişim kuralında, GaP/Si heterojunction güneş hücreleri, P-difüzyon fırın, boşluk büyüme ve GaP/Si güneş hücreleri işleme, Si gofret Temizleme, dahil olmak üzere imalat detayları sunulmaktadır.
Dikkat: Tüm ilgili malzeme güvenlik veri sayfaları (MSDS) kimyasallar ile ilgili önce danışın. Lütfen tüm uygun güvenlik uygulamaları duman hood ve kişisel koruyucu ekipman (koruyucu gözlük, eldiven, önlük, tam uzunlukta pantolon, kapalı-toe ayakkabı) de dahil olmak üzere güneş pili tamamen uydurma kullanırlar.
1. Si gofret Temizleme
Si gofret Piranha çözümde temiz (H2O2/h2SO4) 110 ° C'de
Piranha çözüm üretmek için asit banyosu (yüksek yoğunluklu polietilen tank ve ahiret) H215.14 L ile çok doldurun4 (% 96) ve sonra 1,8 L / H2O2 (% 30).
110 ° C'de stabilize etmek çözüm sıcaklığını bekleyin
4 çapıyla, float-zone (FZ), n-tipi ve çift yan cilalı Si gofret bir temiz 4" gofret kasete (polipropilen ve ahiret) yerleştirin ve 10 dk Piranha banyosu tekne yer.
10 dk deiyonize (DI) su ile durulama.
Temizleme solüsyonu 74 ° C'de RCA ile si gofret temizleyin
HCl:H2O2seyreltilmiş çözeltisi hazırlamak. Asit banyosu 13.2 L DI H2O ve 2,2 L HCl. Spike çözüm olarak 2,2 L / H2O2 ile doldurmak ve ısıtıcıyı.
Kullanmadan önce 74 ° C'de stabilize etmek için çözüm sıcaklığını bekleyin.
Si gofret bir temiz 4" gofret kasete koymak ve gofret RCA çözüm için 10 dk içinde yer.
10 dk için DI su ile durulayın.
Si gofret arabelleğe alınmış oksit Etch (BOE) çözümü temizle.
15.14 L BOE çözeltinin asit banyosu dökün.
3 dakika banyoda 4" gofret kaset yerleştirin.
10 dk DI su ile durulama.
Gofret, Kuru N2tarafından kuru.
2. difüzyon fırın içinde P-difüzyon
Temizlenmiş bir gofret difüzyon kuvars tekneye koymak.
Temel bir sıcaklık 800 ° c olan bir kuvars tüp yük Rampa 820 ° C N2 ortamında fırın sıcaklığı. 820 ° C'de fosfor oxychloride (POCl3) 1000 sccm adlı aracılığıyla kabarcıklar N2 taşıyıcı gaz akan başlatın. 15 dk sonra N2 taşıyıcı gaz kapalı açmak ve örnekleri çekmeden önce aşağı 800 ° C sıcaklık rampa.
Örnekleri BOE çözüm fosfor silikat cam (PSG) kaldırıp DI suda 10 dk. durulama gerçekleştirmek 10 dakika yerleştirin.
3. siNx kaplama PECVD tarafından
Gofret temiz bir tekne içinde koymak ve o bir BOE banyoda yüzeyi yerli oksit kaldırmak 1 dk için eğim.
Kuru kuru N2 silahlı bir gofret.
Si gofret temiz Si taşıyıcı (156 mm Monokristalin Si) yerleştirin.
Örnek plazma geliştirilmiş kimyasal buhar biriktirme (PECVD) odanın içine yükleyin.
Depozito 150 nm-kalın (38,5 s) SiNx 350 ° c odasında. 300 W RF Güç 3,5 Torr temel bir baskısı ve silikon kaynağı olarak SiH4 60 sccm ve NH3 N kaynağı olarak 60 sccm adlı SiNx mevduat (2000 sccm N2 bir eritici kullanıldı).
SiNx (3,9 nm/s) büyüme hızının üzerinde cilalı gofret SiNx filmler farklı ifade kez ile yatırma tarafından onaylayın ve kalınlıkları değişken açı spektroskopik ellipsometry (vazo) ölçmek.
4. boşluk büyüme MBE tarafından
SiNx biriktirme sonra gofret MBE odanın içine yükleyin.
Giriş odasında (3 h için 180 ° C) outgas sonra arabellek odasında (240 ° C 2 h) outgas. Büyüme odasına yüklemek ve 10 min için 850 ° C'de pişirin.
580 ° c sıcaklık azaltmak Artış Ga efüzyon hücre sıcaklık ~2.71×10-7 Torr ışın-eşdeğer basınç (BEP) ve Si efüzyon hücre sıcaklık ile 1250 ° c üretmek için
~1.16×10-6 Torr BEP ulaşmak için p-vanalı kraker Pozisyoner ayarlayın. Ga, P ve sı Panjurları açın ve 121 tarafından takip 25 nm-kalın boşluk bir kesintiye uğramış büyüme yöntemi (5 sn açık ve 5 sn kapalı 10 döngüleri) ile büyümek s unshuttered büyüme (Yani, açık Ga ve p aynı anda Panjurlar).
Yüzey sıcaklığı 200 ° c azaltmak ve vakum odası örnekten boşaltın.
5. arka n + SiNx katmanları birleştirerek ve ıslak gravür çıkarın
HF zararlardan korumak için koruyucu bir bant ile GaP yüzeyi kapsamaktadır.
~ 300 mL plastik bir ölçek % 49 HF çözeltisi hazırlamak.
Örnek HF çözüm SiNx kat tamamen kaldırmak 5 min için yerleştirin.
Koruyucu bandı çıkarın, DI su ile durulayın ve N2tarafından kuru.
Yeni bir koruyucu bant ile GaP yüzey kapsayacak.
HNA çözüm bir plastik ölçek hazırlamak (hidroflorik asit (HF) (50 mL), nitrik asit (HNO3) karışımı (365 mL) ve asetik asit (CH3COOH) (85 mL)) Oda sıcaklığında.
Dikkat: Gofret çözüm HNA GaP yüzeye nüfuz kaçınmak için dikkatli bir şekilde yerleştirin.
Örnek 3 dk HNA çözüm koymak.
Koruyucu bandı çıkarın ve DI suyla durulayın. N kuru2.
6. çıplak Si tarafında delik-Seçici iletişim oluşumu
Gofret elmas kalemle dört dört eşit parçaya bölmek.
İyice bir DI su deposu örneklerinde temizleyin.
BOE banyo için 30 örneklerinde temiz s yerli oksit yüzeyden kaldırmak için.
Gofret DI suda yıkayın ve ardından N2tarafından kuru.
Bir 50 nm-kalın a-Si mevduat: H Si ömür boyu kontrol etmek için PECVD birinde örnekleri tarafından.
A-Si mevduat: 60 W RF Güç 3.2 Torr baskısı ve silikon kaynağı olarak SiH4 40 sccm katmanında H (H2 200 sccm bir eritici kullanıldı).
A-Si büyüme hızının onaylayın: H (1.6 nm/s) a-Si filmleri ile farklı ifade kez cilalı gofret yatırma ve kalınlığı vazo ile ölçerek.
Mevduat (i) a-Si (9 nm) ve (p +) a-Si (16 nm) PECVD tarafından ayrı bir Si örnek (açık) kazınmış tarafında.
3.2 Torr baskısı ve silikon kaynağı olarak SiH4 40 sccm ve B [CH3]3 bor dopant olarak 18 sccm 37 W RF güç p-tipi a-Si katman mevduat (H2 197 sccm bir eritici kullanıldı).
P-tipi a-Si (2.0 nm/s) büyüme oranı ile farklı büyüme kez a-Si filmleri cilalı gofret yatırma ve kalınlıkları vazo ile ölçerek onaylayın.
9 nm-kalın MoOx katman 0,5 ifade oranıyla MoO3 (% 99.99) kaynağından termal buharlaşma tarafından oda sıcaklığında mevduat Å / s.
7. dış iletişim oluşumu
Mevduat 75 nm-kalın indiyum kalay oksit (ITO) (2O3/SnO2 = 95/5 (ağırlık yüzde), % 99.99) katmanları RF SAÇTIRMA tarafından örnekleri boşluk tarafındaki (RF güç 1 kW ve 5 Torr baskısı) 2,2 sccm bir oksijen akış hızı ile.
Örnekleri boşaltmak ve onları teslim. Daha sonra mesa gölge maske örnekleri üzerinde ITO mesa ifade için kullanın.
RF SAÇTIRMA tarafından 75 nm-kalın ITO Kasası. Depozito 200 nm-kalın gümüş (RF güç 1 kW ve 8 Torr baskısı) parmak parmak gölge maskesi için. 200 nm-kalın gümüş örnekleri GaP tarafında arka kişi olarak Kasası.
220 ° C'de atmosferik basınç altında bir fırını örneklerinde tavlama
Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) görüntüleri ve yüksek çözünürlüklü x-ışını kırınım (XRD) inceden inceye gözden geçirmek (004) yansıma ve yakın çevresinde (224) yansıma, karşılıklı uzay Haritası (RSM) civarında sallanan eğrisi de dahil olmak üzere, GaP/Si için toplandı Yapı (Şekil 1). AFM MBE-yetiştirilen Gap yüzey morfolojisi karakterize etmek için kullanıldı ve XRD crystal kalite GaP tabakasının incelemek için kullanılmıştır. GaP/Si yapısı ve Si toplu etkili azınlık taşıyıcı ömrünü bu çalışmada kullanılan yöntemler koruyarak ömür boyu etkinliğini incelemek için ölçülen. Dış kuantum verimliliği (EQE), yüzey yansıma, sözde ışık J-V (güneş-Voc) ve J-v. GaP/Si son cihazlar toplanan ışık (Şekil 2). İç kuantum verimliliği (IQE) üzerinden oluşturulan yansıması EQE veri düzeltildi. Işık ve sözde J-V parametreleri Tablo 1' de listelenmiştir. Verimliliği ve %13,1 %14,1 ile bir açık-voltaj (Voc) 618, mV ve 598 mV sırasıyla yapısından A ve B, elde edilir. MoOx katman yapısı b delik-seçici bir ilgili kişi olarak gerçekleştirilen a-Si daha iyi daha iyi: H yapısı A.
Şekil 1: GaP/Si yapısı GaP tabakası karakterizasyonu. (a) 1 x 1 mikron2 AFM görüntü 25 nm-kalın boşluk yüzey. (b) (yapısı ile donatılmış bir eğri (kırmızı) Ayrıca sunulur) tutarlı çift kristal (DC) ω-2θ sallanan eğrisi (siyah) Si ve boşluk (004) civarında yansımaları. (c) karşılıklı uzay Haritası (224) kırınım noktalar. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: GaP/Si heterojunction cihazların elektrik özellikleri. (a) etkili azınlık taşıyıcı ömür boyu GaP/Si yapısı (siyah nokta) ve Si toplu uzun ömür (kırmızı nokta). (b) IQE ve yüzey yansımasını spectra a-Si/Si/bir boşluk (a yapı) (siyah) ve MoOx/Si/GaP (B) (mavi) yapısı. (c) ışık J-V (siyah) ve sözde J-V (kırmızı) a-Si/Si/GaP cihazın hafif. (d) J-V (kırmızı) MoOx/Si/GaP cihazın ışık ışık J-V (siyah) ve sözde. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Yapı A 618 33.1 64 80 522 13,1 16,5
Yapısı B 598 34.3 69 80 542 14,1 16,9
Tablo 1. GaP/Si heterojunctions güneş hücreleri ışık ve sözde J-V değerleri.
Nominal 25 nm-kalın boşluk katman epitaxially MBE üzerinden bir P-zengin Si yüzey üzerinde büyüdü. Daha kaliteli bir Si yüzeylerde, nispeten düşük bir V/III katmanda boşluk büyümeye (P/Ga) oranı tercih edilir. GaP katman iyi kristal kalitesini yüksek iletkenlik ve düşük yoğunluklu rekombinasyon merkezlerinden elde etmek gereklidir. AFM-ortalama-karekök (RMS) GaP yüzey yok çukurları, düz bir yüzeyle yüksek crystal kalite düşük iş parçacığı çıkığı yoğunluklu (Şekil 1a) göstergesi gösterilen ~0.52 nm olduğunu. Ayrıca, pendellosung saçaklar ω-2θ sallanan eğri (Şekil 1b) düzgün arayüzlerini gösterge tespit edildi. Tam genişlikli eğrisi sallanan Üçlü kristal ω ölçülen GaP tepe yarım maksimumda (FWHM) ~ 14 yay ve hesaplanan iş parçacığı çıkığı yoğunluğu ~ 2 × 106 cm-2. GaP/Si örneği (224) kırınım noktalar civarında RSM (Şekil 1 c) tutarlı bir boşluk ve Si tepeler, GaP tamamen Si substrat kaliteli kristal için gergin olduğunu gösterir gösterir.
Yüksek performanslı Si tabanlı güneş hücreleri ulaşmanın kritik adım yüksek Si azınlık taşıyıcı ömürleri devrilmesinden sonra boşluk boyunca muhafaza etmektir. N + katman daha önce boşluk büyüme ekleyerek, Si toplu ömür boyu (mili saniye seviyeye kadar) bakımlı olabilir gösterilir. Buna ek olarak, GaP/Si ömür boyu sonra boşluk büyüme MBE odasında ~ 100 μs olmak ölçüldü. Si elde yüksek ömrünü ( Şekil 2 ciçinde gösterildiği gibi) gelecek vaat eden bir aygıtı performansını gösterir. GaP/Si heterojunctions güneş hücreleri (a-Si/Si/GaP (a yapı) ve MoOx/Si/GaP (yapısı B)) için ışık ve sözde J-V parametreler Tablo 1AM1.5G koşul altında 1 kW m-2ışınlama yoğunluğu ile ölçülen, listelenir. ITO ve Ag iletişim katmanları olarak bu eser GaP katmana uygulanmış, ancak, GaP/Si güneş hücreleri, daha iyi performans elde etmek için bu ITO kalınlığı, şeffaflık ve onun iletkenlik optimize etmek için önerilir.
Bu çalışmada, MoOx de kısa dalga boyu taşıyıcı koleksiyonu verimlilikle daha da geliştirmek için bir delik seçmeli kişi olarak kullanıldı. MoOx daha yüksek bandgap yararlanarak a-Si katmanlara IQE bir destek kısa dalga boyu rejimi (300-600 nm) gösterir karşılaştırıldığında. MoOx/Si/GaP güneş pili MoOx/sı güneş hücreleri MoOx ve Si arabirimi arasında pasivasyon katman eklemeden edebiyat12 içinde bildirilen en iyi daha iyi bir performans gösterdi.
Bir yüksek Si toplu ömür boyu söz konusu yaklaşımdan elde edilebilir olsa da, GaP/Si yapısı azınlık taşıyıcı ömrünü GaP katman kalite daha da gelişmiş ki anlamına gelir hala değil a-Si düzgünleştirilecek yapıları için karşılaştırılabilir olduğunu. Bir difüzyon adım ve SiNx kaplama katman gerektiren gösterdiği yaklaşım sı yüzey kalitesini etkileyebilir; Bu nedenle, izleyen boşluk crystal kalite etkiledi. Ayrıca, photoelectron spektroskopisi (XPS) x-ışını ve ikincil iyon kütle spektrometresi (SIMS) P-difüzyon profil bu yapıdaki araştırmak için yapılabilir.
Bu çalışmada, yüksek performanslı GaP/Si heterojunction güneş hücreleri Si yüzeylerde daha önce boşluk büyüme içine n + katmanları ekleyerek göstermiştir. Bu iletişim kuralı epitaxially sadece boşluk (burada ama aynı zamanda diğer III-V için sunulan) veya II-VI malzemeleri heterojunction cihazlar ulaşmak için büyüyen süre Si yüksek azınlık taşıyıcı hayatının korumak için uygulanabilir. Ayrıca, multijunction güneş hücreleri ile yüksek performanslı Si alt hücre bu yaklaşım tarafından gerçekleştirilebilir.
Yazarlar L. Ding ve M. Boccard işleme ve güneş hücreleri bu çalışmada test katkılarından dolayı teşekkür etmek istiyorum. ABD Enerji Bakanlığı Sözleşmeli DE-EE0006335 ve Mühendislik Araştırma Merkezi programı Ulusal Bilim Vakfı ve Office enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji, Enerji Bakanlığı'nın fon yazarlar kabul NSF işbirliği anlaşması No altında AET-1041895. Som Dahal güneş güç Laboratuvarı, kısmen, NSF sözleşme ECCS-1542160 tarafından desteklenmiştir.