[논문 리뷰] Growth Route Toward III-V Multispectral Solar Cells on Silicon

Charles Renard, N. Cherkasin외 9명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 01.

solar cell performance optimization참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 기반에서 고질적 GaAs 마이크로결정을 비틀림 불일치 결정결함이나 반상태 영역이 없는 상태로 성장시키기 위해 나노스케일 GaAs 핵형성 위치를 이용한 새로운 에pitaxial lateral overgrowth (ELO) 기법을 제안한다. 이 방법은 TEM, µ-Raman, µ-PL 및 EBIC를 통해 확인된 결함 없는 이종 epitaxial 성장이 가능하게 하며, AM1.5G 일광 조건 하에서 잠재적 투 tandem 세포 효율 29.6%를 달성한다. 이는 GaAs 기반에서 기록된 30.3%에 근접하지만 저비용으로 구현된다.

ABSTRACT

To date, high efficiency multijunction solar cells have been developed on Ge or GaAs substrates for space applications, and terrestrial applications are hampered by high fabrication costs. In order to reduce this cost, we propose a breakthrough technique of III-V compound heteroepitaxy on Si substrates without generation of defects critical to PV applications. With this technique we expect to achieve perfect integration of heterogeneous Ga1-xInxAs micro-crystals on Si substrates. In this paper, we show that this is the case for x=0. GaAs crystals were grown by Epitaxial Lateral Overgrowth on Si (100) wafers covered with a thin SiO2 nanostructured layer. The cristallographic structure of these crystals is analysed by MEB and TEM imaging. Micro-Raman and Micro-Photomuminescence spectra of GaAs crystals grown with different conditions are compared with those of a reference GaAs wafer in order to have more insight on eventual local strains and their cristallinity. This work aims at developping building blocks to further develop a GaAs/Si tandem demonstrator with a potential conversion efficiency of 29.6% under AM1.5G spectrum without concentration, as inferred from our realistic modeling. This paper shows that Epitaxial Lateral Overgrowth has a very interesting potential to develop multijunction solar cells on silicon approaching the today 30.3% world record of a GaInP/GaAs tandem cell under the same illumination conditions, but on a costlier substrate than silicon.

연구 동기 및 목표

• III-V 반도체를 실리콘 기반에 적용한 저비용 고효율 다중접합 태양전지 플랫폼 개발
• III-V 에pitaxial 성장에서의 격자 불일치 및 결정결함 생성 문제 해결
• 나노스케일 핵형성 및 ELO를 이용한 실리콘 기반 GaAs의 결함 없는 이종 에pitaxial 성장 달성
• 단일구조 통합을 위한 얇은 SiO2 터널링 층을 통한 전기적 연결성 확보
• GaAs/Si 투 tandem 태양전지의 효율이 30%에 근접하는 길을 제시

제안 방법

• 4인치 p형 Si(001) 기반에서 얇은 0.6 nm 두께의 SiO2 층을 이용한 GaAs 마이크로결정의 에pitaxial lateral overgrowth (ELO)
• 초고진공 조건 (10^-8 Pa) 하에서 TMGa 및 TBAs 원료를 사용한 화학비증착법 (CBE)
• 선택적 횡방향 성장을 위한 핵형성 위치 생성을 위해 SiH4 개구를 통한 나노패터닝
• 구조적, 광학적 및 전기적 특성 분석을 위해 MEB, TEM, µ-Raman, µ-PL 및 EBIC 활용
• Si 표면 준비를 위한 실시간 650°C 열처리 및 개량된 Shiraki 방법을 이용한 화학 세척
• 상부 및 뒷면 전극을 이용한 EBIC를 통한 전기적 접합 평가 및 전류 수확도 맵핑

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Si(001) 기반의 얇은 SiO2 층에서 ELO를 통해 비틀림 불일치 결정결함이나 반상태 영역이 없는 GaAs 마이크로결정을 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 SiH4 개구를 통한 핵형성 위치 창출이 GaAs 마이크로결정의 도핑 농도 및 광학적 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 0.6 nm 두께의 SiO2 터널링 층을 통해 GaAs에서 실리콘 기반으로 전류가 효과적으로 전도되는가?
• RQ4 ELO로 성장한 GaAs의 결정 품질이 부품 GaAs와 비교해 PL 강도 및 FWHM 측면에서 어떻게 되는가?
• RQ5 이러한 ELO 기반 접근법을 통해 AM1.5G 조명 조건 하에서 30%에 근접한 효율의 GaAs/Si 투 tandem 태양전지를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• TEM를 통한 확인 결과, SiO2/Si 기반에서 ELO로 성장한 GaAs 마이크로결정은 비틀림 불일치 결정결함 및 반상태 영역이 없음을 입증함
• µ-PL 스펙트럼은 부품 GaAs와 유사한 PL 강도를 보이며 양호한 결정 품질을 나타내지만, FWHM는 2–3배 넓어짐 (101–131 nm 대비 47 nm)으로 더 높은 도핑을 암시함
• ELO로 성장한 GaAs에서 PL 피크 위치의 적색 이동이 관측되었으며, 이는 서로 다른 결정 면(예: [110] 대비 [100])과 잔류 SiH4 분해로 인한 더 높은 Si 도핑 때문으로 기인됨
• EBIC 영상 분석 결과 전류가 주로 핵형성 위치를 통해 흐르며, SiO2 층을 통한 기여는 미미함을 확인하여 功能적인 전기적 접합이 존재함을 입증함
• 이 방법을 통해 AM1.5G 조건 하에서 잠재적 투 tandem 세포 효율 29.6% 달성 가능하며, GaAs 기반에서의 기록인 30.3%에 근접하지만 저비용 실리콘 기반을 사용함
• 0.6 nm 두께의 얇은 SiO2 층이 전기적 연결을 방해하지 않으며, 단일구조 이종 구조에서의 터널링 장벽으로의 실현 가능성을 뒷받침함