Tesis:
Application of advanced thin film technologies to the manufacture of multijunction solar cells
- Autor: HUO, Pengyun
- Título: Application of advanced thin film technologies to the manufacture of multijunction solar cells
- Fecha: 2016
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/42343/
- Director/a 1º: REY-STOLLE PRADO, Ignacio
- Resumen: Solar energy, in one form or another, is the source of nearly all energy on the Earth. Moreover, it is the most plentiful and almost inexhaustible. Photovoltaics (PV), as a technology that directly converts sun light into electricity, is a promising approach to solve the steadily increasing world electricity demand. As the third generation PV technology, Concentrator photovoltaics (CPV) is one of the most promising technologies to reduce the cost of solar electricity. Using multijunction solar cells (MJSC) with the highest conversion efficiency and operating at high or ultra-high concentration are the typical strategies to reduce the cost in CPV, and both of them are highly related to the series resistance of the solar cell. Since the front grid of MJSC deeply impacts its series resistance, optimum semiconductor-metal contacts that provide highly conductive metallization are a must. Accordingly, the fundamental problem addressed in the present thesis is the formation of front metal contacts to be used in MJSC for CPV that provide low specific contact resistance (ρCF) and low metal sheet conductivity (ρM) by applying EBPVD thin film technology. The state-of-the-art contact films at IES-UPM are AuGe/Ni/Au stacks deposited by thermal evaporation. This technology is unable to evaporate refractory metals and the control of elevated deposition rates and thicknesses is challenging. Therefore, with the goal of depositing better metallizations, a new EBPVD tool Classic Twin 500 designed by PFEIFFER was set up and commissioned. Several problems, such as e-beam oversize, occasional impact point shifting, shutter delay problem, etc., were identified and solved. The deposition processes by EBPVD for a broad list of materials have developed and optimized. The most suitable type of crucible liner has been determined for each material to avoid intermixing, contamination or reactions with the copper hearth during the evaporation. The pre-melting process –i.e. the melting of the pellets to form a homogenous solid “ingot” before the film deposition– has been designed and optimized for each individual material. Almost all the parameters of the evaporation process have been tested to produce a new and optimized PID controlled evaporation process for each metal. Finally, Al, Ti, Ag, Au, Pd, Ge, Ni, Cu can be deposited properly to form metal contacts. Consequently, four new metal stacks Ti/Pd/Ag, Pd/Ti/Pd/Ag, Ge/Pd/Ti/Pd/Ag and Ge/Pd/Ti/Pd/Al were proposed and thoroughly studied. Ti/Pd/Ag shows very good metal resistivity since the barrier bilayer formed by Ti/Pd prevents GaAs diffusing into Ag and thus poisoning the Ag top layer. However, the specific contact resistance of Ti/Pd/Ag, even on very highly doped n++GaAs, was unbearably high. Thus, another Pd and Ge/Pd interfacial layers were introduced to decrease the metal-semiconductor contact resistance. As compared to the classic AuGe/Ni/Au metallization system (with ρCF~3×10-6 Ω•cm2 and ρM~2×10-5 Ω•cm), the Ge/Pd/Ti/Pd/Ag metallization shows a decrease of one order of magnitude in both the metal-semiconductor specific contact resistance and the metal resistivity. Such lower ρCF and ρM do achieve the challenging demands of contact metallizations for CPV solar cell. In addition, Ge/Pd/Ti/Pd/Al was also studied to further decrease the cost showing similar performance at a fraction of the price. In order to implement the new metallization on concentrator solar cells, we studied the compatibility of Ag and Al with the processes (specifically chemical etches) used in the solar cell manufacturing process conducted at IES-UPM. In particular, Al is rapidly etched by HCl during the mesa isolation step, and Ag is rapidly dissolved by NH4OH:H2O2:H2O during cap layer removal. Therefore, alternative processes have been designed. Finally, the new metallization grid pattern was used, and solar cells with a Ge/Pd/Ti/Pd/Al front grids have been demonstrated. RESUMEN La energía solar, en una u otra forma, es la fuente original de casi toda la energía en la Tierra. Además, es el más abundante y casi inagotable. La energía fotovoltaica (FV), siendo la tecnología que convierte directamente la luz solar en electricidad, es una alternativa prometedora para resolver el constante aumento de la demanda mundial de electricidad. En concreto, la energía solar fotovoltaica de concentración (CPV), como tecnología FV de tercera generación, es una de las tecnologías más prometedoras para reducir el coste de la electricidad solar. El uso de células solares multiunión (MJSC) con la más alta eficiencia de conversión y operando a alta o ultra-alta concentración son las estrategias típicas para reducir el coste de la CPV, y ambos factores están altamente relacionados con la resistencia en serie de la célula solar. Dado que la malla de metalización de la célula tiene una influencia determinante en la resistencia serie, el desarrollo de contactos capaces de proporcionar optimas resistencia de contacto metal-semiconductor y alta conductividad en la capa metálica son de gran relevancia En consecuencia, el problema fundamental que trata de resolver la presente tesis es la formación de contactos metálicos delanteros para ser usados en células multiunión para CPV que proporcionen baja resistencia específica de contacto (ρCF) y baja resistencia de hoja de metal (ρM) mediante la aplicación de la tecnología de depósito de películas delgadas mediante EBPVD. El estado de la técnica en el IES-UPM en cuanto a contactos frontales de células solares de concentración está representado por capas de AuGe/Ni/Au depositadas por evaporación térmica. Sin embargo, esta tecnología no es capaz de evaporar metales refractarios y el control de velocidades de deposición elevadas y espesores altos resulta un reto. Por lo tanto, con el fin de depositar mejores metalizaciones, una nueva herramienta EBPVD Classic Doble 500 diseñada por Pfeiffer fue instalada y puesta en marcha, en el contexto de esta Tesis. Varios problemas, como el gran tamaño de haz de electrones, la deriva en de punto de impacto, retrasos en la apertura del obturador, etc., fueron identificados y resueltos. Se han desarrollado y optimizado procesos de depósito por EBPVD para una amplia lista de materiales Se ha determinado el tipo más adecuado de crisol en cada caso para para evitar el entremezclado, contaminación o reacciones con el hogar de cobre durante la evaporación. El proceso de pre-fisión –i.e. proceso de fusión inicial de los gránulos para formar un "lingote" sólido y homogénea antes de comenzar el depósito– ha sido diseñado y optimizado para cada material. Casi todos los parámetros del proceso de evaporación se han probado y ajustado para producir un proceso optimizado de evaporación con control PID para cada metal. Como resultado, Al, Ti, Ag, Au, Pd, Ge, Ni, Cu pueden ser depositados adecuadamente ahora en el IES-UPM para formar contactos metálicos. En consecuencia, cuatro sistemas de metalización, –Ti/Pd/Ag, Pd/Ti/Pd/Ag, Ge/Pd/Ti/Pd/Ag y Ge/Pd/Ti/Pd/Al– fueron propuestos y estudiados a fondo. Los contactos de Ti/Pd/Ag muestran muy buena resistividad del metal dado que la bicapa de barrera formada por Ti/Pd impide que Ga y As difundan hacia la Ag contaminándola y, por tanto, degradando su conductividad. Sin embargo, la resistencia de contacto específica de Ti/Pd/Ag es intolerablemente alta, incluso aplicado sobre n++GaAs muy dopado. Por lo tanto, se introdujeron otras capas interfaciales como Pd y Ge/Pd para disminuir la resistencia de contacto de metal-semiconductor. En comparación con el sistema clásico de metalización AuGe/Ni/Au (con ρCF ~ 3•10-6 Ω•cm2 y ρM ~ 2•10-5 Ω•cm), la metalización Ge/Pd/Ti/Pd/Ag muestra una disminución de un orden de magnitud, tanto en la resistencia específica de contacto de metal-semiconductor como en la resistividad del metal. Tales valores de ρCF y ρM son suficientes para cumplir las exigentes demandas de metalizaciones de contacto de células solares CPV. Además, se estudió también la variante Ge/Pd/Ti/Pd/Al para disminuir aún más el coste y este sistema muestra un rendimiento similar a una fracción del precio. Con el fin de implementar la nueva metalización en células solares de concentración, se estudió la compatibilidad de Ag y Al con los procesos (específicamente con los ataques químicos) utilizados en el proceso de fabricación de células solares llevado a cabo en el IES-UPM. En particular, Al resulta atacado rápidamente por HCl durante la etapa de aislamiento de mesas, y Ag se disuelve rápidamente por NH4OH: H2O2: H2O durante la eliminación de la capa de contacto. Por lo tanto, se han diseñado procesos alternativos para evitar estos problemas. Finalmente, se utilizó el nuevo proceso para implementar mallas de metalización, y se han conseguido fabricar con éxito células solares con una malla frontal de Ge/Pd/Ti/Pd/Al.