Research on high efficiency GaInP/GaAs/GaInAs triple-junction solar cells

Abstract

III-V multi-junction solar cells have recorded the highest efficiency among all solar cells and were commercialized for terrestrial and space application. GaInP/GaAs/Ge triple-junction solar cells have shown the average efficiency over 30% (1 sun) and 40% (concentrated suns) and have been used for power source of satellites and concentrated photovoltaic application due to high durability and stability in outdoor and space. However, the bandgap of Ge subcell (0.67 eV) was not matched with the optimum bandgap combination of 1.9/1.4/1.0 eV. Therefore, replacing Ge with 1.0 eV material can increase the efficiency of triple-junction solar cells. Since GaInAs can be grown with bandgap of 1.0 eV by adjusting III-metal composition and it has been proved by high material quality and quantum efficiency in various optoelectronic applications, it is suitable for replacing Ge subcell. However, 1.0 eV GaInAs is 2% lattice mismatch to GaAs, so introducing metamorphic buffer for minimizing the defect effect on active layer is unavoidable. Therefore, the development of high quality metamorphic buffer and 1.0 eV GaInAs subcell is required to increase the efficiency of conventional triple-junction solar cells The purpose of this research is development of GaInP/GaAs/GaInAs triple-junction solar cell having over 30% efficiency. The components of the solar cell such as subcells (GaInP, GaAs, and GaInAs), AlGaAs/GaAs tunnel diode, and GaInP step graded buffer were designed. Epi-wafer was grown by metal-organic vapor phase epitaxy and processed by semiconductor fabrication. Characteristics of epi-wafer and performances of the solar cells were analyzed and evaluated. The solar cell structures were designed based on actual growth material. Material, thickness, and doping concentration was optimized to maximize the efficiency of subcells. Tunnel diode was designed by considering low light absorption and high tunnel current density. Metamorphic buffer was designed by using the step structure and thickness adjustment for trapping defects and strain relaxation. The efficiency of designed GaInP/GaAs/GaInAs triple-junction solar cells was 36.61% under 1 sun condition. Optimization of growth condition for GaInP, growth of low-doped GaAs and ultrahigh-doped AlGaAs, AsH3 interfacial treatment for stack growth, non-linear step graded buffer growth, and optimization of current matching condition were performed to grow the solar cell epi-wafer. In addition, inverted solar cells fabrication was developed by using the epoxy bonding and substrate removal techniques. Using the above-described techniques, GaInP/GaAs/GaInAs triple-junction solar cells were fabricated, and efficiency of 34.76% was achieved.|III-V 다중접합 태양전지는 현재까지 개발된 태양전지 중 가장 높은 효율을 기록하고 있으며, 지상 및 우주용 발전으로 상용화 되었다. 그 중, GaInP/GaAs/Ge 삼중접합 태양전지는 비 집광 시 30%, 집광 시 40% 이상의 평균 효율을 가지며, 혹한 환경에서의 내구성도 인정받아 집광 태양전지 및 인공위성에 사용되고 있다. 하지만 하단 Ge 서브셀은 밴드갭이 0.67 eV로 낮아, GaInP/GaAs 이중접합을 기본으로 하는 삼중접합 태양전지의 최적 밴드갭 조합인 1.9/1.4/1.0 eV과 맞지 않다. 따라서 Ge 서브셀을 1.0 eV의 밴드갭을 갖는 물질로 대체한다면, 삼중접합 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. GaInAs는 조성비에 따라 1.0 eV 밴드갭을 가지며, 높은 품질과 양자 효율이 검증된 물질로, Ge 서브셀의 대체물질로 적합하다. 그러나 1.0 eV GaInAs는 GaAs와의 격자상수 차이가 약 2% 존재하기 때문에, 격자부정합 성장 시 발생하는 결함을 억제하기 위한 버퍼층의 도입이 요구된다. 따라서 기존의 삼중접합 태양전지의 효율 개선을 위해 고품질의 격자부정합 버퍼층과 1.0 eV GaInAs 서브셀의 개발이 필요하다. 본 연구는 효율 30% 이상의 GaInP/GaAs/GaInAs 삼중접합 태양전지를 개발을 목표로 한다. 이를 위해 GaInP, GaAs, 그리고 GaInAs 서브셀, AlGaAs/GaAs 터널다이오드 및 GaInP 계단 경사 격자부정합 버퍼층이 설계 되었다. 에피 웨이퍼는 유기 금속 증기 상 에피 택시에 의해 성장되었고, 소자는 반도체 공정으로 제작되었다. 에피 웨이퍼의 특성과 소자의 성능 또한 분석 및 평가되었다. 태양전지의 설계는 실제 성장 물질을 기반으로 이루어졌다. 각 서브셀의 구성요소인 window, emitter, base, 그리고 back-surface-field의 물질, 두께, 그리고 도핑을 최적화 하여, 최대 효율을 위한 조건을 도출하였다. 터널다이오드는 광투과와 터널전류 밀도를 고려하여 설계되었다. 격자부정합 버퍼층은 결함 제어를 위한 계단 구조와 응력 완화를 위한 두께 조절을 통해 설계되었다. 설계된 GaInP/GaAs/GaInAs 삼중접합 태양전지의 효율은 36.61%이었다. 에피 웨이퍼 성장을 위한 기술 개발은 GaInP 물질 성장 조건 최적화, 저농도 GaAs 및 초고농도 AlGaAs 도핑 성장, 적층 성장을 위한 AsH3 계면 처리, 비선형 계단 경사 버퍼층 성장 그리고 전류 정합 조건 최적화를 통해 수행되었다. 또한 소자 제작을 위해 에폭시 본딩과 기판 제거를 활용한 역방향 태양전지 제작 공정이 개발되었다. 상기 개발된 기술들을 활용하여 GaInP/GaAs/GaInAs 삼중접합 태양전지를 성장 및 제작하였으며, 34.76%의 효율을 달성하였다.