B x Ga 1-x-y In y As und In x Ga 1-x N y As 1-y als neuartige Absorbermaterialien in III-V- Dünnschichtsolarzellen

Transkript

1 B x Ga 1-x-y In y As und In x Ga 1-x N y As 1-y als neuartige Absorbermaterialien in III-V- Dünnschichtsolarzellen V. Gottschalch *, J. Bauer, H. Paetzelt, C. Krahmer 1, G. Leibiger 2, H. Herrnberger 3, S. Scholz 4, H. Krautscheid Universität Leipzig, Institut für Anorganische Chemie, Johannisallee 29, Leipzig, Arbeitskreis Halbleiterchemie 1 OSRAM Opto Semiconducturs GmbH, Wernerwerkstr. 2, Regensburg 2 Freiberger Compound Materials GmbH, Am Junger Löwe Schacht 5, Freiberg 3 Solarion GmbH, Ostende 5, Leipzig 4 TU Dresden, Institut für Angewndte Photophysik, Dresden * vgottsch@rz.uni-leipzig.de; 1

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Experimentelles 3. III-V-Solarzellen 4. Epitaxie auf Ge-Substraten 5. Epitaxie von (BGaIn)As und (GaIn)(NAs) 6. Solarzellen mit (BGaIn)As und (GaIn)(NAs) 7. Zusammenfassung 2

3 Einleitung Si: Spektral bedingte Verluste (Thermalisierung, Nichtabsorption) η max. = 33% III-V-Stapelzellen: (Konzentratorsysteme und Raumfahrt) hohe Effizienzen durch Aufteilen des Solarspektrums GaInP (E g ~ 1.8 ev) Tunnel diode Ga(In)As (E g < 1.4 ev) Tunnel diode Sonnenspektrum Ge-Zelle (BGaIn)As (GaIn)(NAs) 3

4 Einleitung AlGaInP AlGaInP AlGaInP GaInP GaInP GaInP AlGaInAs AlGaInAs Ga(In)As AlGaInAs Ga(In)As Ga(In)As Ga(In)As GaInNAs GaInNAs Ge-Zelle Ge-Zelle Ge-Zelle Ge-Zelle η cal. ~ 41% ~42% ~55% ~58% Berechnete Effizienzen von Stapelsolarzellen (F. Dimroth, phys. stat. sol. (c) 3 (2006) 373) Effizienzentwicklung von III-V-Stapelzellen (S.Kurz et al. J. Cryst. Growth 298 (2007) 748) 4

5 Einleitung Bandlücken von III-V Halbleiter GaN AlN BAs B x Ga 1-x As/GaAs GaAs- Substrat InN GaN y As 1-y /GaAs GaAs 1400 B x Ga 1-x As E hh E lh InAs E g [mev] (BGaIn)As und (GaIn)(NAs) als alternative Materialien 1100 GaN y As 1-y y N, x B [%] V.Gottschalch, G.Leibiger, G.Benndorf, 5 Z.Anorg.Allg.Chem. 628 (202) 2156 & J.Cryst. Growth 248 (2003) 468

6 Experimentelles (MOVPE) MOVPE-Anlage AIX 200: 2 Proben MOVPE-Mehrscheibenreaktor (AIXTRON) MOVPE (Metallorganische Gasphasenepitaxie) GaAs (Ge): (GaIn)P; (AlGa)As); (AlGaIn)P Reaktor (AIX200): p tot = 50 mbar, f tot = 7 ssl, 2 Proben TMAl; TMGa, TMIn, TEB; AsH 3 ; PH 3 ; TBAs; DMHy alle Schichten gitterangepasst auf (001) GaAs-Substraten (senkrechte Gitterfehlpassung < 10-3 ) p- und n-dotierung mit DEZn bzw. Si 2 H 6 ; intrinsische C-Dot. 6

7 Experimentelles (Processing) Wachstum von Mehrschichtanordnungen (2 ) Aufbau von Messstrukturen (2 ) Abscheidung eines großflächigen p-kontaktes lift-off -Technik Vorderseitenkontakt Selektive Ätztechnik, Freilegen der Fensterschicht Charakterisierung von Teststrukturen (A ~ 1 cm 2 ) 7

8 III-V-Solarzellen (Bottom-Zelle; GaAs) Au/Ge 0.01 µm GaAs n=2 x cm -3 (Si) 0.1 µm GaInP n=1 x cm -3 (Si) 0.1 µm GaAs n=1 x cm -3 (Si) 3.5 µm GaAs p=8 x cm -3 (Zn) 0.07 µm GaInP p=3 x cm -3 (Zn) 0.2 µm GaAs p=3 x cm -3 (Zn) SubstrateGaAs Zn-doped Variiert: Struktur Dicke der Absorberschicht ( µm) Dotierungskonzentration cm -3 Dicke der Fensterschicht Dicke der BSF-Schicht Substratorientierung und -dotierung Züchtung Substratorientierung Züchtungstemperatur Wachstumsgeschwindigkeiten 8

9 III-V-Solarzellen (Bottom-Zelle; GaAs) GaAs (Si) Cap 0,075µm n=4*10 18 GaInP (Si) FSF 0,1µm n=1,5* sun GaAs (Si) Emitter 0,1µm n=1,5*10 18 GaAs (Zn) Base 1,35µm p=1,5*10 16 GaInP (Zn) BSF 0,07µm p=8*10 17 GaAs (Zn) Buffer 0,2µm p=3*10 17 GaAs Substrat (100) p-dotiert 10 GaAs (Zn) Cap 0,02µm p=2*10 18 GaInP (Zn) FSF 0,07µm p=8*10 16 J / macm Jd J25 Jfit U / V sun bii GaAs (Zn) Emitter 0,1µm p=1,1*10 18 GaAs (Si) Base 1,8µm n=4*10 17 GaInP (Si) BSF 0,05µm n=1*10 18 J / macm Jd J25 Jfit GaAs (Si) Buffer 0,2µm n=1*10 18 GaAs Substrat (100) 6 n-dotiert Probe J sc [macm -2 ] U oc [V] FF[%] R s [Ω] R sh [Ω] I 0 [A] η rel p-sub n-sub U / V 9

10 Top -Zelle T g : 580 und 720 C (001) 6 [110] Absorberdicke ~ 0.7µm GaAs (Si) Cap 0,1µm n=5*10 18 GaInP (Si) Emitter 0,1µm n=2* sun GaInP (--) Base 0,05µm GaInP (Zn) Base 0.71µm p=3*10 16 GaInP (Zn) BSF 0,1µm p=7*10 18 GaAs (Zn) Buffer 0,2µm p=3*10 17 GaAs Substrat (100) 6 p-dotiert J / macm E F C U / V Probe J sc [macm -2 ] U oc [V] FF[%] R s [Ω] R sh [Ω] I 0 [A] η rei [%] p-sub

11 Epitaxie auf Ge-Substraten 2-Temperatur-Verfahren: 550 C Keimschicht, 700 C GaAs Solarzelle fehlorientierte Ge-Substrate Ge 0,02 µm cap GaAs p + 0,07 µm window GaInP p + 0,1 µm emitter GaAs p GaAs 1,8 µm base GaAs n 0,05 m BSF GaInP n + 0,2 µm buffer GaAs n + n-substrat Ge(100) 9 in <111> 5 nm HRTEM-Abbildung des GaAs/Ge Heteroüberganges, (100) Ge Substrat, 9 fehlorientiert in <111> Richtung S.Scholz, J.Bauer, G.Leibiger, H.Herrnberger, D.Hirsch, V.Gottschalch Cryst. Res. Technol. 41 (2006) 111 J [macm -2 ] dark current current under illumination fit U [V] 11

12 Epitaxie von (BGaIn)As and (GaIn)(NAs) Bandabstandsvariation durch Bor- und Stickstoffeinbau in GaInAs angepasst an (001) GaAs (GaIn)(NAs) G.Leibiger, C.Krahmer, J.Bauer, H.Herrnberger, V.Gottschalch J. Cryst. Growth 272 (2004) 732 Dotierungsuntersuchungen und Anwendung in Solarzellen: B z Ga 1-z-x In x As: E G = 1.36 ev, z B ~ 2.7 %, x In ~ 6 % Ga 1-x In x N y As 1-y : E G = 1.08 ev, y N ~ 1.6 %, x In ~ 4.7 % 12

13 Epitaxie von (BGaIn)As and (GaIn)(NAs) absorption Indices of refraction GaAs B x Ga 1-x-z In z As Ga 1-x In x N y As 1-y y N = 2% k y N = 1.4% y N = 2% x B = 0.5% x B = 3.2% Energy [ev] y N = 1.4% x B = 3.2% x B = 0.5% Energy [ev] n - k-values increase with decreasing band-gap energy E g - n-values increase with decreasing E g in low-energy region 13

14 Epitaxie von (BGaIn)As and (GaIn)(NAs) Untergrundträgerkonzentration 6.00E+016 Ga In N As 0.984, p-type n, p [cm -3 ] 4.00E E E E+013 B Ga In 0.06 As, n-type V/III-ratio Beweglichkeiten - Ga In N As (as-grown): µ p = cm 2 /Vs - B Ga In 0.06 As (as-grown): µ n = cm 2 /Vs 14

15 Epitaxie von (BGaIn)As and (GaIn)(NAs) Dotierstoffeinbau: Si 2 H 6 DEZn Carrier concentration [cm -3 ] 1E19 1E17 1E15 1E13 GaInNAs, n-type GaInNAs, p-type BGaInAs GaAs (550 C) GaAs (650 C) 1E-4 1E Hole co oncentration [cm -3 ] 1E19 1E17 1E15 1E13 GaInNAs BGaInAs GaAs (550 C) GaAs (560 C, V/III~5) GaAs (650 C) p Si /p group-iii p Zn /p group-iii 1E-4 1E Si: BGaInAs n max ~ ; InGaNAs n max ~ cm -3 Zn: BGaInAs p max ~ ; InGaNAs bis p ~ cm -3 untersucht Bor behindert Si-Einbau und Stickstoff behindert Zn-Einbau Beweglichkeiten im BGaInAs deutlich größer als im InGaNAs 15

16 Epitaxie von (BGaIn)As and (GaIn)(NAs) Mobilities Mobility [cm 2 /Vs] Si-doping p-type InGaNAs (Hall) InGaNAs (IR-SE) BGaInAs (Hall) BGaInAs (IR-SE) GaAs (550 C) Zn-doping InGaNAs BGaInAs (Hall) BGaInAs (IR-SE) GaAs (560 C) Mobility [cm 2 /Vs] 1E16 1E17 1E18 1E16 1E17 1E18 1E19 1E20 Carrier concentration [cm -3 ] Hole concentration [cm -3 ] - mobilities in as-grown (BGaIn)As generally higher than in as-grown (GaIn)(NAs) lower tendency for clustering and /or density of defects in (BGaIn)As 16

17 Bottom -Zelle: (GaIn)(NAs); (BGaIn)As 0,075µm Cap GaAs n=5* ,1µm Fenster GaInP n=3* ,1µm Emitter GaAs n= 5* ,8 µm Base InGaNAs p= 1*10 16 (1.8 µm Base BGaInAs p= 1*10 16 ) 0,08µm BSF GaInP p=9* ,2µm Buffer GaAs p=2*10 17 GaAs Substrat (100) p-dotiert J / macm -2 J / macm Jd J25 Jfit In x Ga 1-x N y As 1-y U / V Jd J25 Jfit B x Ga 1-x-y In y As U / V Probe J sc [macm -2 ] U oc [V] FF[%] R s [Ω] R sh [Ω] I 0 [A] η rel [%] GaInNAs(p) GaInNAs(n) BGaInAs(p) BGaInAs(n) ~ 8% Materialverbesserung noch notwendig 17

18 Zusammenfassung Voraussetzungen für Solarzellenuntersuchungen geschaffen (processing, Messtechnik...) MOVPE-Daten im Standardsystem für Solarzellenmaterialien erarbeitet (GaAs, (GaIn)P, (AlGa)As) (abgeschätzte Wirkungsgrade im Bereich 15-20%) Intrinsische C-Dotierung Tunneldiode genutzt Neuartige Absorbermaterialien untersucht (GaIn)(NAs); (BGaIn)As p- und n-dotierbar (µ muss verbessert werden; Nachbehandlung) Solarzellen-Teststrukturen untersucht (erste GaAs/GaInP-Tandemsolarzelle aufgebaut) 18