Wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) hebben een technologische doorbraak bereikt voor zonnecellen die voorheen voor onmogelijk werden gehouden.

De wetenschappers hebben met succes een aluminiumbron geïntegreerd in hun hydride dampfase epitaxie (HVPE) reactor, toonde vervolgens de groei van de halfgeleiders aluminium indium fosfide (AlInP) en aluminium gallium indium fosfide (AlGaInP) voor de eerste keer door deze techniek.

"Er is een behoorlijke hoeveelheid literatuur die suggereert dat mensen deze verbindingen nooit zouden kunnen kweken met hydridedampfase-epitaxie, " zei Kevin Schulte, een wetenschapper in het Materials Applications &Performance Center van NREL en hoofdauteur van een nieuw artikel waarin het onderzoek wordt benadrukt. "Dat is een van de redenen waarom veel van de III-V-industrie is overgestapt op metaalorganische dampfase-epitaxie (MOVPE), wat de dominante III-V-groeitechniek is. Deze innovatie verandert dingen."

Het artikel, "Groei van AlGaAs, AlInP, en AlGaInP door Hydride Vapor Phase Epitaxie, " verschijnt in het journaal ACS toegepaste energiematerialen .

III-V-zonnecellen - zo genoemd vanwege de positie waarop de materialen op het periodiek systeem vallen - worden vaak gebruikt in ruimtetoepassingen. Opmerkelijk voor hoge efficiëntie, dit soort cellen zijn te duur voor gebruik op aarde, maar onderzoekers ontwikkelen technieken om die kosten te verlagen.

Een methode die bij NREL als pionier werd gebruikt, is gebaseerd op een nieuwe groeitechniek die dynamische hydridedampfase-epitaxie wordt genoemd. of D-HVPE. Traditionele HVPE, die decennia lang werd beschouwd als de beste techniek voor de productie van lichtemitterende diodes en fotodetectoren voor de telecommunicatie-industrie, raakte in de jaren 80 uit de gratie met de opkomst van MOVPE. Beide processen omvatten het afzetten van chemische dampen op een substraat, maar het voordeel behoorde toe aan MOVPE vanwege zijn vermogen om abrupte hetero-interfaces te vormen tussen twee verschillende halfgeleidermaterialen, een plek waar HVPE traditioneel worstelde.

Dat is veranderd met de komst van D-HVPE.

Monster III-V zonnecellen gekweekt met HVPE Monster aluminium III-V zonnecellen, geteeld met HVPE, worden weergegeven als Alx(Ga1-x)0.5In0.5P dunne films na het verwijderen van het GaAs-substraat dat is gehecht aan een glazen handvat voor transmissiemetingen. Het verschil in kleur is te wijten aan het verschil in de samenstelling van Al en Ga. de gele monsters zijn AlInP (geen Ga) en de oranje monsters zijn AlGaInP. Foto door Dennis Schroeder, NREL

De eerdere versie van HVPE gebruikte een enkele kamer waar één chemische stof op een substraat werd afgezet, die vervolgens werd verwijderd. De groeichemie werd vervolgens verwisseld voor een andere, en het substraat keerde terug naar de kamer voor de volgende chemische toepassing. D-HVPE vertrouwt op een reactor met meerdere kamers. Het substraat beweegt heen en weer tussen kamers, aanzienlijk verkorten van de tijd om een ​​zonnecel te maken. Een single-junction zonnecel die een uur of twee nodig heeft om te maken met behulp van MOVPE, kan mogelijk in minder dan een minuut worden geproduceerd door D-HVPE. Ondanks deze vorderingen, MOVPE had nog een ander voordeel:het vermogen om aluminiumbevattende materialen met een brede bandgap te deponeren die de hoogste efficiëntie van zonnecellen mogelijk maken. HVPE worstelt al lang met de groei van deze materialen vanwege problemen met de chemische aard van de gebruikelijke aluminiumbevattende voorloper, aluminiummonochloride.

De onderzoekers waren altijd van plan om aluminium in D-HVPE te introduceren, maar richtten zich eerst op het valideren van de groeitechniek.

"We hebben geprobeerd de technologie stapsgewijs vooruit te helpen in plaats van alles tegelijk te doen. "Zei Schulte. "We hebben gevalideerd dat we hoogwaardige materialen kunnen telen. We hebben gevalideerd dat we complexere apparaten kunnen laten groeien. De volgende stap om de technologie vooruit te helpen, is aluminium."

Schulte's co-auteurs van NREL zijn Wondwosen Metaferia, Johannes Simon, David Guiling, en Aaron J. Ptak. Ze omvatten ook drie wetenschappers van een bedrijf in North Carolina, Kyma Technologies. Het bedrijf ontwikkelde een methode om een ​​uniek aluminiumhoudend molecuul te produceren, die vervolgens in de D-HVPE-kamer zou kunnen worden gestroomd.

De wetenschappers gebruikten een aluminiumtrichloridegenerator, die werd verwarmd tot 400 graden Celsius om een ​​aluminiumtrichloride te genereren uit vast aluminium en waterstofchloridegas. Aluminiumtrichloride is veel stabieler in de HVPE-reactoromgeving dan de monochloridevorm. De andere componenten - galliumchloride en indiumchloride - werden verdampt bij 800 graden Celsius. De drie elementen werden gecombineerd en bij 650 graden Celsius op een substraat gedeponeerd.

Met behulp van D-HVPE, Wetenschappers van NREL konden eerder zonnecellen maken van galliumarsenide (GaAs) en galliumindiumfosfide (GaInP). In deze cellen is de GaInP wordt gebruikt als de "vensterlaag, " die het vooroppervlak passiveert en zonlicht toelaat om de GaAs-absorberende laag eronder te bereiken, waar de fotonen worden omgezet in elektriciteit. Deze laag moet zo transparant mogelijk zijn, maar GaInP is niet zo transparant als het aluminium-indiumfosfide (AlInP) dat wordt gebruikt in met MOVPE gekweekte zonnecellen. Het huidige wereldefficiëntierecord voor door MOVPE gekweekte GaAs-zonnecellen die AlInP-vensterlagen bevatten, is 29,1%. Met alleen GaInP, het maximale rendement voor HVPE-gegroeide zonnecellen wordt geschat op slechts 27%.

Nu aluminium is toegevoegd aan de mix van D-HVPE, de wetenschappers zeiden dat ze pariteit zouden moeten kunnen bereiken met zonnecellen die via MOVPE zijn gemaakt.

"Het HVPE-proces is een goedkoper proces, " zei Ptak, een senior wetenschapper in NREL's National Center for Photovoltaics. "Nu hebben we een weg getoond naar dezelfde efficiëntie die hetzelfde is als de andere jongens, maar met een goedkopere techniek. Voordat, we waren wat minder efficiënt maar wel goedkoper. Nu is er de mogelijkheid om precies zo efficiënt en goedkoper te zijn."