Een team van halfgeleideronderzoekers in Frankrijk heeft een scheidingslaag van boornitride gebruikt om indium galliumnitride (InGaN) zonnecellen te laten groeien die vervolgens van hun oorspronkelijke saffiersubstraat werden getild en op een glassubstraat werden geplaatst.

Door de InGaN-cellen te combineren met fotovoltaïsche (PV) cellen gemaakt van materialen zoals silicium of galliumarsenide, de nieuwe lift-off-techniek zou de fabricage van hybride PV-apparaten met een hoger rendement kunnen vergemakkelijken die een breder spectrum van licht kunnen opvangen. Dergelijke hybride structuren zouden in theorie de efficiëntie van zonnecellen kunnen verhogen tot 30 procent voor een InGaN/Si-tandemapparaat.

De techniek is de derde grote toepassing voor de hexagonale boornitride-lift-off-techniek, die is ontwikkeld door een team van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS), en Institut Lafayette in Metz, Frankrijk. Eerdere toepassingen waren gericht op sensoren en light-emitting diodes (LED's).

"Door deze structuren samen te voegen met fotovoltaïsche cellen gemaakt van silicium of een III-V-materiaal, we kunnen het zichtbare spectrum bedekken met het silicium en het blauwe en UV-licht gebruiken met indium galliumnitride om licht efficiënter te verzamelen, " zei Abdallah Ougazzaden, directeur van Georgia Tech Lorraine in Metz, Frankrijk en een professor aan de Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering (ECE). "De boornitridelaag heeft geen invloed op de kwaliteit van het indium-galliumnitride dat erop wordt gekweekt, en we waren in staat om de InGaN-zonnecellen op te tillen zonder ze te kraken."

Het onderzoek werd op 15 augustus gepubliceerd in het tijdschrift ACS Fotonica . Het werd ondersteund door het Franse nationale onderzoeksbureau in het kader van het GANEX Laboratory of Excellence-project en het Franse PIA-project "Lorraine Université d'Excellence".

De techniek zou kunnen leiden tot de productie van zonnecellen met verbeterde efficiëntie en lagere kosten voor een breed scala aan terrestrische en ruimtetoepassingen. "Deze demonstratie van overgebrachte op InGaN gebaseerde zonnecellen op vreemde substraten terwijl de prestaties worden verbeterd, vertegenwoordigt een grote vooruitgang in de richting van lichtgewicht, goedkoop, en fotovoltaïsche toepassingen met hoog rendement, ’ schreven de onderzoekers in hun paper.

"Door deze techniek te gebruiken, we kunnen InGaN-zonnecellen verwerken en een diëlektrische laag op de bodem aanbrengen die alleen de korte golflengten opvangt, " legde Ougazzaden uit. "De langere golflengten kunnen er doorheen gaan in de onderste cel. Door deze aanpak kunnen we elk oppervlak afzonderlijk optimaliseren."

De onderzoekers begonnen het proces door monolagen boornitride te laten groeien op twee-inch saffierwafels met behulp van een MOVPE-proces bij ongeveer 1, 300 graden Celsius. De oppervlaktecoating van boornitride is slechts enkele nanometers dik, en produceert kristallijne structuren met sterke vlakke oppervlakteverbindingen, maar zwakke verticale verbindingen.

De InGaN hecht zich aan het boornitride met zwakke van der Waals-krachten, waardoor de zonnecellen over de wafer kunnen worden gekweekt en zonder schade kunnen worden verwijderd. Tot dusver, de cellen zijn handmatig uit de saffier verwijderd, maar Ougazzaden gelooft dat het overdrachtsproces kan worden geautomatiseerd om de kosten van de hybride cellen te verlagen. “Dit kunnen we zeker op grote schaal doen, " hij zei.

De InGaN-structuren worden vervolgens op het glassubstraat geplaatst met een reflector aan de achterkant en er worden verbeterde prestaties verkregen. Naast het demonstreren van plaatsing bovenop een bestaande PV-structuur, de onderzoekers hopen de hoeveelheid indium in hun lift-off-apparaten te verhogen om de lichtabsorptie te vergroten en het aantal kwantumbronnen te verhogen van vijf naar 40 of 50.

“We hebben nu alle bouwstenen gedemonstreerd, maar nu moeten we een echte structuur laten groeien met meer kwantumbronnen, " zei Ougazzaden. "We staan ​​nog maar aan het begin van deze nieuwe technologietoepassing, maar het is heel spannend."