开发高性能GaP/Si异质结太阳能电池

该方法能够解答在分层硅基集成太阳能电池制备过程中，关于如何在生长过程中保持高硅体寿命这一关键问题。该工艺的主要优势在于，即使在硅上异价生长磷化镓载流子选择性接触层后，仍可实现较长的硅体寿命。这使得我们能够利用其他III-V族半导体的带隙特性。

它是一种带有硅基底电池的多结太阳能电池。首先，在高密度聚乙烯酸加热浴中配制piranha溶液，加热至110摄氏度，并等待温度稳定。在另一个酸浴中，配制稀释的盐酸与过氧化氢溶液，用于去除离子污染，加热至74摄氏度，并等待温度稳定。

将四个英寸直径的区熔双面抛光硅片放入洁净的聚丙烯四英寸晶圆盒中。用piranha溶液浸泡晶圆10分钟。然后用去离子水冲洗晶圆10分钟，并将其放入洁净的晶圆盒中。

将晶圆浸泡在离子清洗液中10分钟，然后用去离子水冲洗10分钟。接着，将晶圆在缓冲氧化物刻蚀液（十比一的氟化铵与氢氟酸混合液）中室温下浸泡3分钟，并再次用去离子水冲洗10分钟。最后，在干燥氮气流下将清洗干净的晶圆吹干。

接下来，将一片洁净的晶圆放入石英舟中，并置于已加热至 800 摄氏度、通有流动氮气的石英管炉内。在 20 分钟内将炉温升至 820 摄氏度。然后，将载气切换为以 1,000 SCCM 流速通过五氧化二磷的氮气。

15 分钟后，停止载气流动，并将炉温降至 800 摄氏度。从炉中取出晶圆并使其冷却。然后将其浸入新鲜的缓冲氧化物刻蚀液中 10 分钟，以去除磷硅酸盐玻璃。

用去离子水冲洗晶圆10分钟，并用氮气吹干。在沉积氮化硅之前，将晶圆浸入缓冲氧化物刻蚀液中1分钟，以去除原生氧化层。再用去离子水冲洗10分钟，并用干燥的氮气吹干。

将晶圆放置于洁净的单晶硅载片上，并装入配备硅烷和氨气源的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）仪器中。设置反应室压力为 3.5 torr，在射频功率为 300 瓦的条件下以每秒 3.9 纳米的速率沉积 150 纳米厚的氮化硅薄膜。随后，将晶圆装入分子束外延（MBE）仪器中，该仪器配备有镓、磷和硅的外延蒸发源。

将晶圆放入前级室中，在 180 摄氏度下脱气 3 小时。然后将晶圆转移至缓冲室，在 240 摄氏度下脱气 2 小时。将晶圆装入生长室，并在 850 摄氏度下烘烤 10 分钟。

随后，将晶圆冷却至 580 摄氏度，并准备蒸发单元以产生适当的束流。打开镓、磷和硅的快门，采用中断生长法生长 25 纳米的磷化镓，接着进行 121 秒的连续生长。之后，将样品冷却至 200 摄氏度，并从仪器中取出。

接下来，用耐酸切割胶带覆盖磷化镓表面。将晶圆浸泡在约300毫升的49%氢氟酸中5分钟，以去除氮化硅层。去除胶带后，用去离子水冲洗晶圆10分钟，并在氮气流下吹干。

然后，用新鲜的划片胶带覆盖磷化镓表面。在塑料烧杯中，配制500毫升氢氟酸、硝酸和乙酸的混合液。小心将晶圆放入HNA溶液中，在室温下浸泡三分钟。

取下胶带，用去离子水冲洗晶圆，并用氮气吹干。使用金刚石笔将制备好的晶圆切成四等份。将切好的晶圆片放入篮子中，在去离子水槽中彻底清洗，并用氮气吹干。

然后，将样品片浸入缓冲氧化物刻蚀液中30秒，并用去离子水和氮气冲洗并干燥。接着，在一个样品上沉积50纳米非晶硅，并检测硅的载流子寿命。随后，在第二个样品的裸硅表面依次沉积9纳米本征非晶硅和16纳米含硼掺杂的p型非晶硅。

取第三个样品，使用热蒸发法从三氧化钼源以每秒0.5埃的速率在室温下于裸硅表面沉积9纳米的三氧化钼。接着，将非晶硅和三氧化钼镀层的样品放入射频溅射仪器中，使磷化镓面朝上。沉积75纳米的氧化铟10，氧气流速为2.2 SCCM。

然后，取出样品并将其翻转。在每个样品上放置一个台面遮蔽掩模。将样品重新装入仪器中，再沉积 75 纳米的 ITO。

取出样品，将掩模更换为指状阴影掩模，在1千瓦功率和8托压力条件下，在ITO台面上蒸镀200纳米厚的银层。翻转样品，再在ITO磷化镓侧蒸镀另一层200纳米厚的银，作为背接触电极。最后，将样品在220摄氏度和常压条件下进行退火处理。

原子力显微镜显示，磷化镓层的均方根粗糙度约为0.52纳米，表明晶体质量较高，且贯穿位错密度较低。在硅和磷化镓004衍射峰处测得的双晶ω-2θ摇摆曲线中观察到的Pendellosung振荡条纹，与平滑界面的结果一致。224衍射点的倒易空间图显示磷化镓与硅的衍射峰具有相干性，表明磷化镓完全应变地生长在硅衬底上，且具有良好的结晶质量。

在添加磷化镓层之前通过磷扩散形成N型层，可使硅基体的少子寿命保持在毫秒级水平。磷化镓硅材料的少子寿命约为100微秒。器件采用非晶硅层或氧化钼层进行制备。

与非晶硅器件相比，氧化钼器件在较短波长下的内量子效率保持较高水平，但在较短波长下也具有更高的反射率。两种器件均表现出良好的太阳能电池性能。非晶硅器件与氧化钼器件的效率、开路电压和填充因子相当。

总体而言，氧化钼层作为整体选择性接触层的性能优于非晶硅层。在进行此操作时，请务必在将第二片硅片装入分子束外延腔室之前，使其保持尽可能清洁，尤其是在沉积氮化硅时。