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用于超薄III-V族太阳能电池的完全原位粗化技术

2023/11/14 9:19:50      材料来源:雅时化合物半导体

美国科罗拉多矿业学院和国家可再生能源实验室(NREL)报告了完全原位制造光捕获结构的情况,该技术可提高III-V族太阳能电池的性能。[Allison N. Perna et al, J. Appl. Phys., v134, p135307, 2023]
在太阳能电池材料生长室中,通过气相蚀刻和再沉积对最终生长表面进行制绒,进而产生这类结构。由此产生的粗糙表面具有很高的宽带散射,使光在电池中的滞留时间更长。
研究人员对开发具有超薄吸收层(厚度小于400 nm)的III-V族电池特别感兴趣。在太空应用中,这类电池的耐辐射性和比功率(W/kg)都较高,可减少材料含量、生长时间、(进而)成本。
研究团队评论道:“降低制造成本可能有助于扩大III-V族太阳能电池的市场,其中将包含地面应用市场,在此市场中,高效率和高比功率都至关重要。”
薄型电池的另一个优势是,由于减少了扩散复合,开路电压更高。遗憾的是,光传输损耗的增加往往会使电流降低。为了克服这一问题,需要实施光捕获方案。这种方案通常为异位实施,但这样会增加处理时间和成本,特别是需要额外的资本设备。
科罗拉多矿业学院/美国国家可再生能源实验室使用大气压650 °C动态氢化物气相外延(D-HVPE),在n型(100)取向砷化镓(GaAs:Si)衬底上生长太阳能电池材料,其中该衬底向(111) A偏离6°。这类电池包含倒序生长的单结,可实现倒装芯片制造(图1)。
图1:(a)生长后的倒置电池结构的电池示意图;(b)加工后的标称层厚电池结构的电池示意图。
研究人员评论道:“生长出倒置电池后可立即对其背面进行原位制绒,无需将样品从反应器中取出,也无需在粗糙表面上进行后续生长。”
研究团队还指出,动态氢化物气相外延是一种高通量的潜在低成本外延生长技术,将其与完全原位制绒方法相结合,可进一步支持III-V族的工业通量。
最后生长的掺锌磷化镓铟(Ga0.5In0.5P:Zn)层在反应室中进行原位蚀刻/再沉积制绒后,其厚度可维持100 nm的发射/接触层。
研究人员使用了双生长反应器,即在一个反应室中准备下一层的工艺条件,同时在另一个反应室中进行生长。最后一步蚀刻/制绒涉及载氢气体中的氯化氢气体(HCl)、磷化氢气体(PH3)或二者均有。这些气体也用于生长GaInP。
在调整蚀刻/再沉积制绒的单独实验中,发现HCl本身会产生类似于初始GaInP层的镜面,但不会产生所需绒面。
研究团队报告了添加PH3的效果:“与只使用HCl时观察到的平面蚀刻不同,在HCl蒸汽蚀刻中添加PH3会产生具有低宽带镜面反射率的粗糙绒面,而这类表面可能用作宽带散射体。”
通过改变工艺持续时间和HCl流速,研究了制绒质量的变化。使用扫描电子显微镜、Auger电子能谱(AES)、具有能量色散光谱的横截面扫描透射电子显微镜(STEM-EDS)、高分辨率X射线衍射(HRXRD)进行研究,发现绒面是由Ga(In)P(高富镓GaInP)的蚀刻和再生长造成的。
研究人员评论道:“观察发现,绒面形态并非仅由HCl蚀刻形成,而是与所供PH3一起形成的,这表明Ga(In)P的再沉积和岛状生长是蚀刻产物与所供PH3反应的结果。”
太阳能电池所用材料的制绒过程中,HCl/PH3的流速分别为每分钟4/8标准立方厘米(SCCM),分压分别为0.0008/0.0110 atm。制绒时间为60秒。
制造电池首先要在绒面电镀金。然后将器件倒装在硅处理衬底上。电池的有效面积约为0.25 cm2。倒装电池的窗口区还包括一层氟化镁/硫化锌(MgF2/ZnS/MgF2)抗反射涂层(ARC)。其性能与无绒面电池的性能进行了比较(图2)。
图2:无绒面(黑色)和有绒面(蓝色)薄型太阳能电池的电池测量结果:(a)电流密度与电压;(b)外部量子效率;(c)吸收。
在每类电池的四个最佳器件中,绒面结构的短路电流密度(JSC)增加了4.9%。四个样品平均增加5.1%。
两类器件的外部量子效率(EQE)表现相似,只是平面器件因Fabry–Pérot干涉效应而出现了一些振荡。绒面电池的效率为19.6%,相比之下,控制平面器件的效率仅为18.2%。
研究人员评论说,开路电压VOC或填充系数没有明显损失,“分别表明材料质量相似,以及对背面触点金属化没有不利影响。”
在积分球上进行紫外可见光测量得到半球总反射率(Rh),进而算出电池的吸收率(A)(A = 1-Rh)。
研究人员报告称:“据我们观察,两种电池中的外部量子效率都低于吸收率,对绒面电池来说,长波长下这一点更为明显。可能是因为粗糙金表面存在寄生吸收,导致金属充当了有损镜面。”
在理想的电池中,外部量子效率和吸收率是相等的,表明产生损耗要么是因为光吸收,要么是因为载流子复合为光子。研究团队建议,改进背面金属化工艺可以降低损耗,提高电流。
 
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