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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

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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