Tesis:
Development of GaInP/GaAs/GaInAs triple-junction inverted metamorphic solar cells
- Autor: HINOJOSA ARNER, Manuel
- Título: Development of GaInP/GaAs/GaInAs triple-junction inverted metamorphic solar cells
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70026/
- Director/a 1º: GARCÍA VARA, Iván
- Resumen: Las células solares multiunión basadas en materiales semiconductores III-V exhiben, con amplia diferencia, las eficiencias de conversión fotovoltaica más elevadas de entre todas las tecnologías disponibles. Por este motivo, aunque resultan significativamente más costosas que otras tecnologías, son utilizadas en aplicaciones aeroespaciales, de concentración y, en general, en aquellas aplicaciones que muestran ciertas restricciones de peso o superficie. La arquitectura multiunión más extendida a nivel comercial, basada en estructuras GaInP/Ga(In)As/Ge ajustadas en red a un sustrato de Ge, muestra eficiencias alrededor del 40% bajo concentración. Sin embargo, esta estructura ofrece poco margen de mejora ya que presenta una combinación de materiales con anchuras de banda prohibida (bandgaps) relativamente poco optimizada para el espectro solar. En búsqueda de eficiencias fotovoltaicas cercanas al 50%, las arquitecturas de nueva generación buscan la integración de materiales con composiciones, constates de red y bandgaps variables, con el objetivo de optimizar la combinación de subcélulas y permitir un mejor ajuste y aprovechamiento del espectro solar. De este modo, la epitaxia metamórfica, técnica que permite la deposición de materiales desajustados en red con bandgaps variables en estructuras monolíticas, resulta clave en la implementación de arquitecturas multiunión avanzadas. En este contexto, la presente tesis trata sobre el desarrollo de una célula solar de triple unión invertida metamórfica (3J IMM) de GaInP/GaAs/GaInAs depositada epitaxialmente sobre un sustrato de GaAs. Este trabajo cubre íntegramente toda la cadena de valor del proceso de fabricación de una célula solar: desde la deposición epitaxial de la estructura semiconductora mediante un reactor MOVPE hasta la fabricación, caracterización y evaluación de los dispositivos. Para ello, la célula solar de doble unión de GaInP/GaAs, previamente desarrollada en el grupo de semiconductores III-V del IES-UPM, es extendida a una estructura de triple unión, mediante la inversión de la estructura GaInP/GaAs ajustada en red y la posterior integración de una subcélula metamórfica de GaInAs de 1 eV. Este objetivo general se desglosa en objetivos parciales que están alineados con la organización del documento. En el Capítulo 2 se desarrollan los componentes metamórficos necesarios para la estructura objetivo. Para ello se implementa una capa de composición gradual basada en escalones de GaInP ordenado, que permiten acomodar un desajuste en red del 2% y facilitan la deposición, libre de tensiones internas, de una célula solar de 1 eV GaInAs con excelentes prestaciones electrónicas. El Capítulo 3 aborda el desarrollo y optimización de los componentes invertidos ajustados en red: la subcélula de GaInP, la subcélula de GaAs y la unión túnel de AlGaAs/GaAs necesaria para interconectar las diferentes uniones. En este capítulo se presta especial atención a la mejora de la subcélula de GaInP mediante el uso de una estructura electrónica basada en una heterounión trasera. Además, se explora el uso de Te como dopante y surfactante, buscando desordenar la capa absorbente de GaInP y afinar así la combinación de bandgaps de la estructura objetivo. Uniones túnel y células de GaAs invertidas también son implementadas. Finalmente, se describe el estudio de un conjunto de estructuras electrónicas desarrolladas ad hoc que resulta clave para identificar y corregir heterointerfaces problemáticas dentro de la estructura. El Capítulo 4 aborda la integración de los componentes individuales en la estructura multiunión monolítica. Aquí, el principal reto reside en la alta difusividad del Zn, dopante tipo p usado en los fosfuros. En este capítulo demostramos que el crecimiento de capas tipo n altamente dopadas, como el cátodo de la unión túnel, cataliza la difusión del Zn mediante un mecanismo asistido por defectos puntuales. Este fenómeno es investigado extensamente y su entendimiento permite diseñar estrategias para reducir la difusión y su impacto en las prestaciones de la célula solar multiunión. El desarrollo de contactos metálicos frontales basados en sistemas Pd/Ge/Ti aleados a bajas temperaturas, compatibles con el proceso de fabricación de dispositivos, es descrito en el Apéndice. La resistividad metal/semiconductor obtenida resulta muy apropiada para su utilización en células solares diseñadas para operar bajo altas irradiancias. Los esfuerzos descritos en la tesis cristalizan en una célula solar de triple unión monolítica invertida metamórfica de GaInP/GaAs/GaInAs que se puede considerar dentro del estado del arte a nivel internacional. El Capítulo 5 describe la caracterización optoelectrónica de la célula solar desarrollada, que muestra una eficiencia potencial cercana al 43% bajo una irradiancia de 765 soles. La caracterización incluye eficiencia cuántica externa e interna, curvas densidad de corriente-voltaje en oscuridad e iluminación, electroluminiscencia y respuesta en concentración y permite evaluar el comportamiento global del dispositivo multiunión, así como discernir el comportamiento individual de cada una de las subcélulas. ----------ABSTRACT---------- III-V multijunction solar cells (MJSC) enable, by far, the highest light-to-electricity conversion efficiencies among all the solar cell technologies. However, the most widespread MJSC architecture, the GaInP/Ga(In)As/Ge triple-junction lattice-matched to Ge, offers little potential for further efficiency improvements, now about 40% under concentrated light, due to its unoptimized bandgap combination for the solar spectrum. In order to approach 50% efficiencies, advanced MJSC concepts seek the integration of high-quality materials with variable bandgaps into single devices to fine tune and extend the device combination of bandgaps. To achieve this, it becomes necessary the integration of materials with dissimilar lattice-constants into single devices. Metamorphic epitaxy is a technique that allows the deposition of lattice-mismatched materials with variable bandgaps into monolithic structures. This is achieved by the integration of compositionally graded buffers (CGBs), that provide control upon the release of elastic strain and, in this way, enable the attainment of low-defect metamorphic templates to bridge the lattice constant differences between different materials or compositions. Within this framework, this thesis deals with the development of a monolithic GaInP/GaAs/GaInAs triple-junction inverted metamorphic (3J IMM) solar cell onto a GaAs substrate suitable for aerospace, concentration and, in general, lightweight PV and area constraint applications. For this purpose, the GaInP/GaAs dual-junction upright solar cell technology, previously developed by the III-V semiconductor group at IES-UPM, is extended to a three-junction device by inverting the monolithic GaInP/GaAs stack and integrating an additional 1 eV GaInAs metamorphic subcell. The general objective can be broken down into partial objectives that are in line with the document organization. Chapter 2 is dedicated to the development of the metamorphic components: the 2% lattice-mismatched ordered-GaInP CGB and the 1 eV GaInAs solar cell. In this chapter, we describe in detail the development stages that yielded high-quality GaInP virtual substrates with minimized dislocation density, residual strain, compositional fluctuations, and surface roughness. The resulting metamorphic template enables the implementation of nearly state-of-the-art 1 eV metamorphic GaInAs solar cells. The implementation of the inverted lattice-matched components is covered in Chapter 3. These components include the GaInP subcell, the GaAs subcell and the tunnel junction necessary to interconnect these junctions with minimized series resistance. Here, we put the emphasis on the improvement of the GaInP junction performance by using a rear heterojunction (RHJ) design. Then, we explore the use of Te to perform as both the n-type dopant and the disordering surfactant of a RHJ disordered-GaInP solar cell to fine tune the bandgap combination of the target 3J structure. Inverted highly-conductive tunnel junctions and GaAs solar cells are afterwards implemented. Finally, a set of experiments is carried out in order to identify and correct problematic heterointerfaces responsible of introducing internal resistive barriers in MJ devices. Chapter 4 tackles the integration of these individual components, developed in earlier chapters, into a single monolithic structure. The main challenge here is brought by the high diffusivity of Zn. In particular, the out-diffusion of Zn from the AlGaInP Back-Surface-Field (BSF) layer into the GaInP absorber, is identified as the origin of an anomalous increase of the electrical resistance in the front emitter region of the device that spoils the solar cell performance. We demonstrate that the growth of the n-type side of the tunnel junction (cathode) triggers the Zn diffusion via a point defect assisted mechanism. This phenomenon is extensively investigated. The analysis yields notable conclusions on the diffusion mechanisms and draws different pathways to reduce Zn diffusion in III-V semiconductor structures. Finally, the device degradation is successfully prevented by reducing the target Zn in the AlGaInP BSF layer. The development of a low temperature annealed Pd/Ge/Ti metal system for the front contact metallization, compatible with the manufacturing process of inverted devices used in the thesis, is described in the appendix. The outcoming very low metal/semiconductor resistivity turned out to be key to fabricate concentrator devices with minimized series resistance losses. The efforts described in the Thesis are necessary steps towards the implementation of 3J IMM devices with good minority and majority carrier properties. Chapter 5 is dedicated to the optoelectronic characterization of ultimate triple-junction GaInP/GaAs/GaInAs devices showing potential efficiencies approaching 43% at 765 X. The characterization includes external and internal quantum efficiency, light and dark current density-voltage curves, electroluminescence, and concentration measurements, which allow to evaluate the multijunction device but also the individual performance of the stacked junctions.