OPTYMALIZACJA WYTWARZANIA PIERWSZEGO Z CZA TRÓJZ CZOWYCH OGNIW S ONECZNYCH NA BAZIE ZWI ZKÓW InGaP/InGaAs/Ge

Transkrypt

1 Optymalizacja wytwarzania pierwszego z cza trójz czowych ogniw s onecznych... OPTYMALIZACJA WYTWARZANIA PIERWSZEGO Z CZA TRÓJZ CZOWYCH OGNIW S ONECZNYCH NA BAZIE ZWI ZKÓW InGaP/InGaAs/Ge Ewa Dumiszewska 1), Piotr Knyps 1, 2), Marian Teodorczyk 1), Marek Weso owski 1), W odzimierz Strupi ski 1) 1) Instytut Technologii Materia ów Elektronicznych, ul. Wólczy ska 133, Warszawa, ewa.dumiszewska@itme.edu.pl, piotr.knyps@itme.edu.pl, marian.teodorczyk@itme.edu.pl, marek.wesolowski@itme.edu.pl, wlodek.strupinski@itme.edu.pl, tel: (+48) wew ) Politechnika Warszawska, IMiO, ul. Koszykowa 75, Warszawa knyps@pv.pl, tel: (+48) W pracy przedstawiono proces wytwarzania pierwszego z cza trójz czowych ogniw s onecznych opartych o zwi zki A III -B V z wykorzystaniem technik osadzania MOCVD. Zaprezentowano tak e wst pne wyniki pomiarów elektrooptycznych pojedynczego z cza struktury Ge/InGaP:Si wykonanego w Instytucie Technologii Materia ów Elektronicznych. Z cze to powsta o w wyniku dyfuzji atomów fosforu z warstwy InGaP. Wszystkie prace technologiczne zosta y przeprowadzone w ITME. S owa kluczowe: ogniwo s oneczne, MOCVD, z cze InGaP/ Ge Optimization of the technology of manufacturing the first junction of triple junction solar cells based on InGaP/InGaAs/Ge compounds s oneczne, które okre la si równie mianem fotoogniw s urz dzeniami przekszta caj cymi energi s oneczn w elektryczno za spraw zjawiska fotowoltaicznego, które w 1839 roku odkry francuski naukowiec Henri Becquerel. Tempo rozwoju fotowoltaiki rozwoju jest niejednokrotnie porównywane do tempa w jakim upowszechnia y si komputery (Rys. 1). W Polsce zainstalowanych jest do tej pory tylko kilka systemów fotowoltaicznych o cznej mocy 2 MW. Najwi cej takich systemów na wiecie jest zainstalowanych w Niemczech, a ich o czna moc wynosi MW. Spo ród krajów europejskich w tej dziedzinie przoduj tak e Czechy, Hiszpania oraz W ochy [1]. This work has been devoted to presenting the process of manufacturing the first junction of triple junction solar cells based on A III -B V compounds using MOCVD deposition techniques. Moreover, preliminary results of electro-optical measurements performed on a single junction of a Ge/InGaP:Si structure produced in the Institute of Electronic Materials Technology have been introduced. This junction has been created as a result of the diffusion of phosphorus atoms from an InGaP layer. All technological processes have been carried out in ITME. Key words: solar cells, MOCVD, InGaP/Ge junction 1. WST P Obecne zu ycie energii s onecznej na wiecie waha si pomi dzy TW, przy czym Ziemia w ci gu godziny otrzymuje wi cej energii s onecznej ni jest zu ywane globalnie w ci gu roku. Ogniwa Rys. 1. Prognoza globalnego wykorzystania róde energii [2]. Fig. 1. Forecast of global use of renewable energy [2]. Ogniwa s oneczne uznaje si za istotne alternatywne ród o energii, szczególnie od czasu kryzysów naftowych w latach 70. Co wi cej, s one dobrze rokuj cym bezw glowym ród em energii, reduku- 10

2 E. Dumiszewska, P. Knyps, M. Teodorczyk,... j cym globalne ocieplenie. Prognozy Niemieckiego Zwi zku Producentów Fotowoltaiki (BSW) wskazuj e wykorzystanie energii s onecznej b dzie bardzo szybko ros o w nast pnych latach i zdominuje wiatow energetyk. Obecnie szerokie rozpowszechnienie fotowoltaiki jest jeszcze ograniczone ze wzgl du na stosunkowo du y koszt i nisk wydajno ogniw s onecznych. W tradycyjnych jednoz czowych ogniwach s onecznych du a cz padaj cej energii s onecznej nie jest przekszta cana na energi elektryczn. Wydajno takich najbardziej rozpowszechnionych krzemowych ogniw s onecznych wynosi ~ 20 % [3]. Jednym z najwa niejszych czynników wp ywaj cych na strat energii w ogniwach s onecznych jest ró nica pomi dzy energi fotonu oraz przerw energetyczn E g materia u fotowoltaicznego. Absorpcja w materiale nie zajdzie, gdy energia fotonu b dzie mniejsza ni jego przerwa energetyczna. Gdy b dzie ona wi ksza od przerwy energetycznej materia u, to ró nica pomi dzy nimi zostanie stracona w postaci ciep a. W celu unikni cia straty energii najbardziej odpowiednie jest wytworzenie ogniwa fotowoltaicznego sk adaj cego si z kilku z cz. Ka de ze z cz sk ada si z innego materia u A III B V i przetwarza inn cz widma promieniowania s onecznego co jest pokazane na Rys 2. Rys. 2. Widmo s oneczne AM1.5G oraz wykorzystanie go poprzez trójz czowe ogniwo s oneczne, przy koncentracji 1000 s o c. Fig. 2. Solar spectrumam1,5g and its utilization In triple junction solar cell, under x1000 concentration. Wieloz czowe ogniwa s oneczne (Rys. 3b) maj t przewag nad jednoz czowymi ogniwami s onecznymi, e mog osi ga sprawno ci przekraczaj ce 50% dzi ki wi kszemu wykorzystaniu widma promieniowania s onecznego (Rys. 2) i s bardzo obiecuj ce do zastosowa zarówno w kosmosie jak i na ziemi [4]. W tej chwili maksymalna sprawno, jak uda o si uzyska w takich ogniwach to ~ 43 % [5]. Na Rys. 3 pokazano przyk adowe teoretyczne ogniwo z pojedynczym z czem a) oraz ogniwo z potrójnym z czem b). (a) (b) Rys. 3. Tradycyjne ogniwo z pojedynczym z czem a), ogniwo z potrójnym z czem b). Fig. 3. Traditional single junction solar cell a), triple junction solar cell b). Rys. 4 pokazuje najlepsze sprawno ci ogniw w zale no ci od technologii ich wykonania. Najlepsze rezultaty osi gane s przez ogniwa trójz czowe, przy koncentracji promieniowania krotnej wzgl dem standardowych warunków testu-stc (1000W/m 2, 25 C, AM1.5). Równocze nie wida e dynamika wzrostu sprawno ci w ostatnich 5 latach jest najwi ksza spo ród wszystkich technologii. Najbardziej wydajnymi ogniwami s onecznymi b d cymi w produkcji i osi gaj cymi typowo sprawno ~ 27.5% s heteroz czowe ogniwa sk adaj ce si z trzech warstw: GaInP, GaAs oraz Ge. Wyniki uzyskiwane przez wiele laboratoriów na wiecie oraz zmniejszaj ca si cena ich wykonania pozwol na komercjalizacj ogniw s onecznych charakteryzuj cych si zdecydowanie wy sz sprawno ci. 11

3 Optymalizacja wytwarzania pierwszego z cza trójz czowych ogniw s onecznych... Rys. 4. Wykres rekordowych sprawno ci ogniw wykonanych w ró nych technologiach. ród o: Larry Kazmerski, NREL (rev ). Fig. 4. Diagram of record efficiencies of solar cells produced using various technologies. Source: Larry Kazmerski, NREL, (rev ). 2. CEL PRACY I ZA O ENIA Celem realizowanego projektu Zaawansowane materia y i technologie ich wytwarzania jest wytworzenie trójz czowego ogniwa fotowoltaicznego opartego o zwi zki pó przewodnikowe grupy III-V oraz takie zoptymalizowanie procesów produkcyjnych, aby zbli y si do osi ganych aktualnie rekordowych sprawno ci na wiecie. 3. EKSPERYMENT Najwa niejsz cz ci sk adow ogniw jest pó przewodnikowa struktura sk adaj ca si z szeregu warstw o ró nych w a ciwo ciach. Przerwa energetyczna Ge wynosi 0.66 ev i jest odpowiednia do zastosowania Ge w ogniwach z potrójnym heteroz czem jako materia u z najmniejsz przerw. Z cze Ge-Ge p-n jest w takich ogniwach z czem po o onym najdalej od powierzchni, na nim znajduj si z cza z GaAs (lub InGaAs) oraz z InGaP o coraz wi kszych przerwach energetycznych. Sta a sieci germanu (5.658A) jest bliska sta ej sieci GaAs 12 (5.6533A) i równa sta ej sieci In0.01Ga0.99As oraz In0.495Ga0.505 w zwi zku z czym mo liwa jest epitaksja warstw izomorficznych - oczywi cie pod wzgl dem tylko sta ej sieci - i unikni cie problemów zwi zanych z epitaksj warstw o istotnie ró nych sta- ych sieciowych. Uzyskanie z cza p-n w germanie nie wymaga specjalnych procesów dyfuzyjnych lub epitaksji Ge. Wykorzystuje si w tym celu dyfuzj arsenu i fosforu z na o onej na german warstwy GaAs lub InGaP. Arsen i fosfor s w germanie p ytkimi donorami i w materiale typu p otrzymuje si przypowierzchniow warstw o odwróconym typie przewodnictwa oraz z cze p-n. Doniesienia literaturowe wskazywa y na to, e lepszej jako ci z cze p-n w germanie otrzyma si stosuj c jako bufor warstw InGaP. Wynika to z faktu, e fosfor w germanie ma ni szy wspó czynnik dyfuzji ni arsen. Z tego te wzgl du prowadzone badania skoncentrowa y si na osadzeniu warstwy InGaP domieszkowanych krzemem na pod o ach germanowych. Przyk adowa struktura pokazana jest na Rys. 5. Do bada pos u y reaktor AIX 200/4 firmy AIXTRON. Gazami ród owymi pierwiastków grupy V by fosforowodór (PH 3 ), natomiast grupy III trójmetylek galu (TMGa) oraz trójmetylek indu

4 E. Dumiszewska, P. Knyps, M. Teodorczyk,... (TMIn). Jako gazu domieszkuj cego u yto silanu SiH 4, natomiast gazem no nym by wodór. Rys. 5. Struktura pierwszego z cza trójz czowej struktury ogniwa. Fig. 5. Structure of the first junction of a triple junction solar cell. W kolejnych krokach na przedniej powierzchni ogniwa naniesiono elektrod srebrn z paskami o g sto ci 20 linii/cm. Dolna powierzchnia tak e zosta a pokryta przewodz c warstw srebra. Pozwoli o to w dalszej kolejno ci na wyznaczenie charakterystyki pr dowo-napi ciowej jasnej oraz ciemnej, z których mo na wyznaczy najwa niejsze parametry materia owe i elektryczne. Pomiary by y wykonywane w warunkach STC, w symulatorze promieniowania ci g ego w Laboratorium Fotowoltaiki Politechniki Warszawskiej. 4. UZYSKANE WYNIKI Optymalizacja parametrów wzrostu poszczególnych warstw pozwoli a na wytworzenie struktury epitaksjalnej charakteryzuj cej si jako ci powierzchni (chropowato RMS-root mean square <0.4) odpowiedniej do zastosowania w ogniwie s onecznym. Na Rys. 6 a) oraz 6 b) pokazano obraz powierzchni górnej warstwy InGaP widziany za pomoc mikroskopu si atomowych oraz mikroskopu z kontrastem Nomarskiego odpowiednio. Podczas bada podj to próby otrzymania warstwy InGaP o mo liwie najlepszej jako ci krystalicznej na pod o u germanowym. Optymalna jako warstwy ma decyduj cy wp yw na sprawno otrzymanego z cza p-n, a co za tym idzie dzia anie wytwarzanego ogniwa s onecznego. Na Rys. 7 pokazano charakterystyk pr dowo- -napi ciow jasn otrzymanego ogniwa s onecznego o powierzchni 1 cm 2 w warunkach standardowego testu STC (nat enie promieniowania 1000 W/m 2, widmo AM1.5, temperatura ogniwa 25 C). Napi cie V OC, którego warto mo na odczyta z przeci cia charakterystyki z osi OX (czerwona linia), wynosi ~ 215 mv, co potwierdza dzia anie z cza p-n. Podobne warto ci uzyskiwane s w symulacjach Rys. 6. Obraz powierzchni struktury epitaksjalnej ogniwa s onecznego widziany: a) za pomoc mikroskopu AFM, b) mikroskopu z kontrastem Nomarskiego. Fig. 6. Picture of the surface of the epitaxial structure of a solar cell made by: a) AFM microscope b) Nomarski contrast microscope. przeprowadzonych w programie PC1D oraz [7]. Lini czerwon oznaczona jest charakterystyka mocy, z maksimum wynosz cym 6,0 mw. Dominuj cy wp yw na kszta t uzyskiwanych charakterystyk ma niska warto rezystancji bocznikuj cej R b wynosz ca 6,81. Powoduje ona e wspó czynnik wype nienia krzywej opisuj cy jej prostok tno wynosi tylko 0,33. Pozytywne efekty powinny jednak nast pi po podtrawieniu kraw dzi ogniwa, które to s od- Rys. 7. Charakterystyka I-V pojedynczego ogniwa InGaP/ Ge podczas o wietlenia w warunkach testu STC. Fig. 7. I-V characteristics of a single InGaP/GE solar cell during illumination under STC test. 13

5 Charakteryzacja warstw epitaksjalnych z tellurku kadmowo-rt ciowego... powiedzialne za tak nisk rezystancj bocznikuj c i powstaj ce drogi up ywu no ników. technologii otrzymywania materia ów fotowoltaicznych. 5. PODSUMOWANIE Wytworzono procesy osadzania warstwy InGaP na pod o u germanowym w reaktorze MOCVD. Mia y one na celu wytworzenia pierwszego z cza p-n wieloz czowego ogniwa s onecznego. Uzyskano struktur epitaksjaln o dobrych parametrach powierzchni, bez p kni i o niskiej chropowato ci. Du ym problemem jest trawienie i pasywacja kraw dzi ogniwa, tak aby nie by o up ywno ci pr du. Problem ten b dzie rozwi zywany poprzez trawienie kraw dzi. W dalszym etapie prac zostanie wytworzone kolejne z cze p-n wykonane z GaInAs, które zostanie po czone z pierwszym z czem za pomoc z cza tunelowego. Zamierza si tak e na o y warstw antyrefleksyjn z azotku krzemu lub tlenku tytanu, która pozwoli na ograniczenie odbicia od powierzchni z ~ 40% do kilkunastu. Powy sz prac sfinansowano w ramach projektu nr POIG /09 Zaawansowane materia y i technologie ich wytwarzania: Opracowanie LITERATURA [1] - Global Market Outlook for Photovoltaics Until 2015 (aktualizacja ) [2] (aktualizacja ) [3] Mulligan W. P., Rose D. H., Cudzinovic M. J., De Ceuster D. M., McIntosh K. R., Smith D. D., Swanson R. M.: Manufacture of solar cells with 21% efficiency, SunPower Corporation [4] Henry C, J.: Limiting efficiencies of ideal single and multiple energy-gap terrestrial solar-cells, Applied Physics, 51, (1980), [5] [6] Timò G., Flores C., Campesato R.: Bottom cell growth aspects for triple junction InGaP/(In)GaAs/Ge, Cryst. Res. Technol. 40, 10 11, (2005), (2005)/ DOI /crat [7] Aiken D. J.: InGaP/GaAs/Ge multi-junction solar cell efficiency improvements using epitaxial germanium, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM CHARAKTERYZACJA WARSTW EPITAKSJALNYCH Z TELLURKU KADMOWO-RT CIOWEGO (Hg 1-X Cd X Te) ZA POMOC WYKONANYCH FOTODIOD Aleksandra Królicka Instytut Technologii Materia ów Elektronicznych, ul. Wólczy ska 133, Warszawa, - aleksandra_krolicka@wp.pl Celem pracy by o opanowanie metody szybkiej charakteryzacji fotodiod z tellurku kadmowo-rt ciowego - HgCdTe - otrzymywanych metod MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) tzn. technik osadzania warstw na powierzchni materia ów poprzez stosowanie zwi zków metaloorganicznych w formie gazowej oraz analiza tej metody. W pierwszej kolejno ci otrzymane warstwy epitaksjalne poddawano procesowi technologicznemu i w ten sposób uzyskiwano gotowe fotodiody. Dokonano te pomiarów czasu trwania poszczególnych etapów procesu technologicznego. Uzyskane detektory poddawano nast pnie pomiarom w celu wyznaczenia ich charakterystyk pr dowo napi ciowych oraz spektralnych. Na podstawie analizy tych charakterystyk oraz z wykonanych oblicze otrzymano parametry diod, które nast pnie porównano z parametrami na jakie zaprojektowano heterostruktury oraz z warto ciami literaturowymi. Zarówno w tym przypadku, jak i podczas przeprowadzania procesu technologicznego d ono do jak najwi kszego zminimalizowania czasu potrzebnego na wykonanie ka dego etapu przy jednoczesnym zachowaniu staranno ci i dok adno ci wykonywanych czynno ci. Istot post powania by o bowiem jak najszybsze uzyskanie informacji zwrotnej dotycz cej parametrów otrzymanych heterostruktur w celu porównania ich z za o eniami wst pnymi i ewentualnego szybkiego skorygowania procesu epitaksji, d c tym samym do jego usprawnienia. S owa kluczowe: epitaksja, MOCVD, detektor podczerwieni, fotodetektor, fotodioda 14