双光子光谱暴露多结电池中的缺陷

双光子激发成像提供了一种非破坏性方法，用于识别倒置变质太阳能电池中的螺纹位错

日本的一项合作表明，双光子激发光谱是一种强大的技术，用于暴露倒置变体太阳能电池的渐变缓冲层中的螺纹位错。

在反向变形太阳能电池中，包括由 NREL 生产的创纪录的六结电池，其效率为 47.1%，在异质外延生长层的应变松弛过程中会形成螺纹位错，这可能会降低器件的电气特性。

尽量减少这些破坏性位错的产生的选项是使用稍微错切的衬底并引入 InGaP 超晶格 - 两者都控制缓冲层中的错配位错滑动面。然而，控制这些滑动平面并不容易，导致由单个晶片生产的太阳能电池的效率发生变化。

降低这些外延片的穿透位错密度将提高效率。根据 1985 年报告的一项研究，该材料系统中的螺纹位错密度的实际上限为 10⁵ cm^-2。

两种已建立的用于评估梯度缓冲层中的螺纹位错密度的技术是电子束感应电流和阴极发光测量。然而，两者都会导致多个缓冲层的同时激发，从而阻碍了确定螺纹位错位置的努力。

日本团队采用的双光子激发光谱法解决了这一弱点，这是日本宇宙航空研究探索局、大阪大学、夏普公司和国家先进工业科学技术研究所的研究人员之间的合作。

他们采用的光学技术此前已被另一个团队用于暴露体 GaN 中的穿透位错。在这项工作中，研究人员通过扫描激发光穿过样品的焦点，构建了位错的三维图。

将这种方法应用于倒变体多结太阳能电池具有挑战性，因为材料的高折射率会在深度方向上拉长焦斑。然而，通过选择与所研究层的带隙相对应的适当检测波长，可以对薄层进行成像。

日本合作使用尼康 A1MP 双光子激发显微镜系统研究了三个样品：基于 InGaP、GaAs 和 InGaAs 的三结反向变体电池；和一对具有不同开路电压的单结 InGaAs 电池。上图显示了双光子激发光谱如何识别反向三结 (a) 和单结 (b) 变体太阳能电池的梯度缓冲层中的螺位错。单结单元中阶梯式缓冲层和 InGaAs 结的组合类似于红色矩形包围的结构。

使用低于 650 nm 的检测对表面进行成像，显示三结电池的顶部 InGaP 层中不存在螺位错。同时，对该样品进行 7 微米深的成像，发现了许多暗点和暗线，对应于充当非辐射复合中心的穿线和错配位错。

采用 750 nm 以上的检测能够确定单结电池活性层旁边的缓冲层中非辐射复合中心的密度。该团队在开路电压较低的样品中记录了 7 x 10⁶ cm^-2 的暗点密度，而在性能更好的设备中记录到的黑点密度为 3.3 x 10⁶ cm^-2。

转向X射线衍射，研究人员发现，在开路电压较高的样品中，优先滑移面的分布具有更高的均匀性。这一结果突出了双光子激发显微镜与X射线衍射相结合的优势。

参考

A. Ogura et al. Appl. Phys. Express 14 111002 (2021)

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