[论文解读] Growth Route Toward III-V Multispectral Solar Cells on Silicon

Charles Renard, N. Cherkasin+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2013

solar cell performance optimization参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种新颖的外延侧向生长（ELO）技术，利用在薄SiO2层上形成的纳米尺度GaAs成核点，在Si衬底上外延生长高质量的GaAs微晶，且无晶格失配位错或反相结构域。该方法实现了无缺陷的异质外延，经TEM、µ-Raman、µ-PL和EBIC验证，实现了在AM1.5G太阳光下的29.6%潜在叠层电池效率，接近在GaAs衬底上创下的30.3%记录，但成本更低。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于III-V族半导体在硅衬底上实现低成本、高效率多结太阳能电池的平台。
• 克服在Si衬底上III-V族外延生长中的晶格失配与位错生成挑战。
• 通过纳米尺度成核与ELO技术，实现无缺陷的GaAs/Si异质外延生长。
• 实现通过薄SiO2隧穿层的电学连通性，以支持单片集成。
• 展示通往GaAs/Si叠层太阳能电池效率接近30%的路径。

提出的方法

• 在4英寸p型Si(001)衬底上，利用0.6 nm厚的SiO2薄层，通过ELO外延生长GaAs微晶。
• 采用在超高真空（10^-8 Pa）条件下使用TMGa和TBAs源的原子束外延（CBE）技术。
• 通过SiH4开口进行纳米图案化，以创建选择性横向外延的成核点。
• 采用MEB、TEM、µ-Raman、µ-PL和EBIC对结构、光学和电学特性进行表征。
• 在650°C下进行原位退火，并通过改进的Shiraki方法进行化学清洗，以准备Si表面。
• 通过EBIC结合顶面与背面对电极，评估异质结的电学性能，绘制电流收集分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Si(001)衬底上的薄SiO2层上进行ELO，能否实现无晶格失配位错或反相结构域的GaAs微晶？
• RQ2 通过SiH4开口创建成核点，对GaAs微晶的掺杂水平和光学性能的影响程度如何？
• RQ3 电流是否能有效通过0.6 nm厚的SiO2隧穿层从GaAs传输至Si衬底？
• RQ4 与体材料GaAs相比，ELO生长的GaAs在PL强度和半高宽（FWHM）方面结晶质量如何？
• RQ5 该基于ELO的方法能否实现GaAs/Si叠层太阳能电池在AM1.5G光照下效率接近30%？

主要发现

• 通过TEM证实，ELO生长于SiO2/Si衬底上的GaAs微晶无晶格失配位错或反相结构域。
• µ-PL光谱显示PL强度与体材料GaAs相当，表明结晶质量良好，但半高宽（FWHM）宽2–3倍（101–131 nm vs. 47 nm），表明掺杂浓度较高。
• 在ELO生长的GaAs中观察到PL峰发生红移，归因于不同晶面（[110] vs. [100]）及残余SiH4分解导致的更高Si掺杂。
• EBIC成像证实电流主要通过成核点传输，SiO2层贡献较小，表明电学异质结功能正常。
• 该方法实现了在AM1.5G光照下29.6%的潜在叠层电池效率，接近在GaAs衬底上创下的30.3%记录，但使用了成本更低的硅衬底。
• 0.6 nm厚的SiO2层并未阻碍电学连接，支持其作为单片异质结构中隧穿势垒的可行性。