固体ソースMBEによる P系化合物半導体太陽電池の...
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結果及び考察 研究の目的 実験 結論 参考文献 菅谷武芳・牧田紀久夫・大島隆治・松原浩司・仁木栄 産業技術総合研究所 太陽光発電工学研究センター http://www.aist.go.jp/ 固体ソースMBEによる P系化合物半導体太陽電池の作製 ★ In 0.48 Ga 0.52 P 太陽電池: Large bandgap of about 1.9 eV 多接合セルのトップセル 世界記録：37.7% [1] ・P系材料の成長：MOVPEで行われている。 ★ 固体ソース分子線エピタキシー (SS-MBE) ・高周波用電子デバイス GaAs-HBT, GaAs-HEMT ・量子ドットレーザー Potential to grow high quality InGaP-based materials for solar cells. [1] T. Takamoto, 5th Int. Symp. on Innovative Solar Cells, T-3, Tsukuba, Japan (2013). [2] J. Haapamaa, M. Pessa, and G. La Roche, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 66, 573 (2001). [3] T. Sugaya, A. Takeda, R. Oshima, K. Matsubara, S. Niki, and Y. Okano, J. Cryst. Growth, 10.1016/j.bbr.2011.03.031. [4] 5) T. Sugaya, A. Takeda, R. Oshima, K. Matsubara, S. Niki, Y. Okano, Appl. Phys. Lett., 101, 133110 (2012). [5] A. Gomyo, T. Suzuki, K. Kobayashi, S. Kawai, I. Hino, T. Yuasa, Appl. Phys. Lett., 50, 673(1987). [6] M. Shono, S. Honda, R. Hiroyama, K. Yoshida, T. Yamaguchi IEEE J. Quant. Electron., 27, 1483 (1991). [7] M. Schmidbauer, A. Ugur, C. Wollstein, F. Hatami, F. Katmis, J. Appl. Phys., 111, 024306 (2012). ・超高真空プロセス ・高純度金属：ガスソースに比べて安価 固体ソースMBE によるP 系材料成長の問題点 固体ソースMBEを用いたInGaP太陽電池やその多接合太陽 電池作製の報告はほとんど無い。 （ガスソースMBEでの報告は有 [2] ） 1. 固体ソースMBEで成長したInGaP太陽電池 [3] 2. InGaP/GaAsダブルジャンクション太陽電池 1. InGaPの成長は非常に難しい. 2. 自然発火性 3. 通常成長条件(580°C) のSi ドーピング ：～5x10 18 cm -3 が限 界 : Commercialized 今回の報告 ・Growth Rate: 0.5 µm/h ・P 2 : 5.8 ×10 -6 Torr ・Temperature: 480 ~ 520 °C In 0.48 Ga 0.52 P layers on GaAs (001) grown using a P valved cracker cell. A red phosphorus ingot as a solid source ★MBEメンテ時の発火防止 LN 2 によるPトラップ機構 チャンバー大気開放前にベークし、Pを除去。 GaAs sub. GaAs buffer p+ InGaP n + - InGaP 3 x 10 18 /cm 3 :50 nm p + - GaAs 3 x 10 18 /cm 3 :400 nm AuGe / Ni / Au 80 / 20 / 500 nm Ti / Au 50 / 350 nm p + - InGaP 3 x 10 18 /cm 3 :250 nm p- InGaP p - InGaP 1 x 10 17 /cm 3 :1.0, 1.5 µm n+- InGaP n+-InAlP window n + - InAlP ~2 x 10 18 /cm 3 :30 nm n + - GaAs 3 x 10 18 /cm 3 :50 nm p+ -InAlP BSF p + - InAlP ~2 x 10 18 /cm 3 :0, 30 nm Growth temperature : 470 - 500 ℃ Growth rate: 0.5, 1.0 µm/h Back metal contact p - GaAs 2.5 µm n+ - InGaP n+ -InAlP window p + - GaAs contact n+ - GaAs Tunneling layer p - InAlP BSF p - InGaP 0.6 µm Front metal contact BSF n+ - InGaP window p+ - AlAs for lift off p - GaAs (001) sub. p+-AlGaAs n+-InGaP 0.1µm/h 480℃ ~1×10 19 /cm 3 PL spectra of InGaP layers XRD spectra of InGaP layers High quality InGaP films obtained at 480°C. 600 620 640 660 680 700 480℃, 0.5µm/h, 5.8e -6 Torr 500℃, 0.5µm/h, 5.8e -6 Torr 520℃, 0.5µm/h, 5.8e -6 Torr PL Intensity (a. u.) Wavelength (nm) 1.907 eV 32.4 32.6 32.8 33 33.2 33.4 33.6 520℃, 0.5µm/h, 5.8e -6 Torr 500℃, 0.5µm/h, 5.8e -6 Torr 480℃, 0.5µm/h, 5.8e -6 Torr INTENSITY (a. u.) 2Θ (deg) In : 0.474 In : 0.469 In : 0.461 ・ MOCVDによる (001) GaAs 上InGaP の成長： PL において~ 50 meVのレッドシフト ⇒ 自然超格子の形成.[5] ⇒ 太陽電池応用では5-7°off基板の使用 [6] ・MBEによるInGaP の成長 ： レッドシフトは観察されず ⇒自然超格子の形成されない ⇒GaAs (001) 基板の使用可能. I-V curves of InGaP solar cells with different growth temperature and growth rate. ★V oc increases as the growth temperature decreases. ★InGaP solar cells grown with 1 µm/h have higher V oc 0 2 4 6 8 10 12 0 0.5 1 1.5 480℃ 470℃ 490℃ 0.5 µm/h, 480℃ 500℃ CURRENT DENSITY (mA/cm 2 ) VOLTAGE (V) 1.0 µm/h AM1.5G, 100 mW/cm 2 25 ºC ~15% can be expected with ARC 480℃, 1 µm/h on GaAs (001) sub. 0 2 4 6 8 10 12 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 p-InGaP: 1.5µm p-InGaP: 1µm CURRENT DENSITY (mA/cm 2 ) VOLTAGE (V) η: 12.1 %, V oc : 1.297 V J sc : 11.35 mA/cm 2 FF : 0.820 Without ARC ガスソースMBE：成長温度の上昇でIn組成が変調[7] ★High V oc value of 2.30 V was obtained. High performance double junction solar cells fabricated using SS-MBE. 0 2 4 6 8 10 12 0 0.5 1 1.5 2 2.5 CURRENT DENSITY (mA/cm 2 ) VOLTAGE (V) w/o ARC ARC η (%): 17.4 21.1 V oc (V): 2.30 J sc (mA/cm 2 ): 10.0 11.6 FF : 0.790 AM 1.5G, 100 mW/cm 2 25 ºC Without ARC I-V curves of double junction solar cells With ARC Cell size : 5 x 5 mm 2 本研究の一部は、経済産業省のもと、NEDO技術開発機構から委託され、実施したものである。 1. 固体ソースMBEを用いてInGaP薄膜成長の系統的研究を行った。 最適成長温度：480°C 2. 高性能InGaP太陽電池の作製に成功。 変換効率;12.1%（ARC無し）, V oc :1.297V 3.固体ソースMBEにおいて、高性能InGaP/GaAsダブルジャンクシ ョン太陽電池の作製に成功。 変換効率;21.1%, V oc :2.30V 謝辞 1. 固体ソースMBE によるIn 0.48 Ga 0.52 P 薄膜の成長 [3, 4] 2. InGaP 太陽電池の作製 [3] 3. InGaP/GaAs ダブルジャンクション太陽電池 In 0.48 Ga 0.52 P薄膜の成長 [3] InGaP太陽電池 [3] InGaP/GaAsダブルジャンクション太陽電池
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結果及び考察
研究の目的
実験
結論 参考文献
菅谷武芳・牧田紀久夫・大島隆治・松原浩司・仁木栄
産業技術総合研究所 太陽光発電工学研究センター
http://www.aist.go.jp/
固体ソースMBEによる P系化合物半導体太陽電池の作製
★ In0.48Ga0.52P 太陽電池: Large bandgap of about 1.9 eV 多接合セルのトップセル 世界記録：37.7% [1]
・P系材料の成長：MOVPEで行われている。
★ 固体ソース分子線エピタキシー (SS-MBE) ・高周波用電子デバイス GaAs-HBT, GaAs-HEMT ・量子ドットレーザー
Potential to grow high quality InGaP-based materials for solar cells.
[1] T. Takamoto, 5th Int. Symp. on Innovative Solar Cells, T-3, Tsukuba, Japan (2013). [2] J. Haapamaa, M. Pessa, and G. La Roche, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 66, 573 (2001). [3] T. Sugaya, A. Takeda, R. Oshima, K. Matsubara, S. Niki, and Y. Okano, J. Cryst. Growth, 10.1016/j.bbr.2011.03.031. [4] 5) T. Sugaya, A. Takeda, R. Oshima, K. Matsubara, S. Niki, Y. Okano, Appl. Phys. Lett., 101, 133110 (2012). [5] A. Gomyo, T. Suzuki, K. Kobayashi, S. Kawai, I. Hino, T. Yuasa, Appl. Phys. Lett., 50, 673(1987). [6] M. Shono, S. Honda, R. Hiroyama, K. Yoshida, T. Yamaguchi IEEE J. Quant. Electron., 27, 1483 (1991). [7] M. Schmidbauer, A. Ugur, C. Wollstein, F. Hatami, F. Katmis, J. Appl. Phys., 111, 024306 (2012).
・超高真空プロセス ・高純度金属：ガスソースに比べて安価
固体ソースMBEによるP系材料成長の問題点
固体ソースMBEを用いたInGaP太陽電池やその多接合太陽電池作製の報告はほとんど無い。 （ガスソースMBEでの報告は有 [2] ）
1. 固体ソースMBEで成長したInGaP太陽電池 [3] 2. InGaP/GaAsダブルジャンクション太陽電池
1. InGaPの成長は非常に難しい.
2. 自然発火性 3. 通常成長条件(580°C) のSi ドーピング ：～5x1018 cm-3が限
界
: Commercialized
今回の報告
・Growth Rate: 0.5 µm/h ・P2 : 5.8 ×10-6 Torr ・Temperature: 480 ~ 520 °C
In0.48Ga0.52P layers on GaAs (001) grown using a P valved cracker cell.
A red phosphorus ingot as a solid source
★MBEメンテ時の発火防止 LN2によるPトラップ機構 チャンバー大気開放前にベークし、Pを除去。
GaAs sub. GaAs buffer
p+ InGaP
n + - InGaP 3 x 1018/cm3 :50 nm
p+ - GaAs 3 x 1018/cm3 :400 nm
AuGe / Ni / Au 80 / 20 / 500 nm
Ti / Au 50 / 350 nm
p+ - InGaP 3 x 1018/cm3 :250 nm
p- InGaP p - InGaP 1 x 1017/cm3 :1.0, 1.5 µm
n+- InGaP n+-InAlP window n + - InAlP ~2 x 1018/cm3 :30 nm
n + - GaAs 3 x 1018/cm3 :50 nm
p+ -InAlP BSF p + - InAlP ~2 x 1018/cm3 :0, 30 nm
Growth temperature : 470 - 500 ℃ Growth rate: 0.5, 1.0 µm/h Back metal contact
p - GaAs 2.5 µm
n+ - InGaP n+ -InAlP window
p + - GaAs contact
n+ - GaAs
Tunneling layer p - InAlP BSF
p - InGaP 0.6 µm
Front metal contact
BSF
n+ - InGaP window
p+ - AlAs for lift off p - GaAs (001) sub.
p+-AlGaAs n+-InGaP 0.1µm/h
480℃ ~1×1019/cm3
PL spectra of InGaP layers XRD spectra of InGaP layers
High quality InGaP films obtained at 480°C.
600 620 640 660 680 700
480℃, 0.5µm/h, 5.8e-6Torr500℃, 0.5µm/h, 5.8e-6 Torr520℃, 0.5µm/h, 5.8e-6Torr
PL In
tens
ity (a
. u.)
Wavelength (nm)
1.907 eV
32.4 32.6 32.8 33 33.2 33.4 33.6
520℃, 0.5µm/h, 5.8e-6Torr500℃, 0.5µm/h, 5.8e-6 Torr480℃, 0.5µm/h, 5.8e-6Torr
INT
EN
SIT
Y (a
. u.)
2Θ (deg)
In : 0.474In : 0.469In : 0.461
・ MOCVDによる (001) GaAs 上InGaP の成長： PL において~ 50 meVのレッドシフト ⇒ 自然超格子の形成.[5] ⇒ 太陽電池応用では5-7°off基板の使用 [6]
・MBEによるInGaP の成長 ： レッドシフトは観察されず ⇒自然超格子の形成されない ⇒GaAs (001) 基板の使用可能.
I-V curves of InGaP solar cells with different growth temperature and growth rate.
★Voc increases as the growth temperature decreases. ★InGaP solar cells grown with 1 µm/h have higher Voc
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480℃470℃
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0.5 µm/h, 480℃
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VOLTAGE (V)
1.0 µm/h
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~15% can be expected with ARC
480℃, 1 µm/h on GaAs (001) sub.
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
p-InGaP: 1.5µmp-InGaP: 1µm
CU
RR
ENT
DEN
SITY
(mA
/cm
2 )
VOLTAGE (V)
η: 12.1 %, Voc : 1.297 V Jsc : 11.35 mA/cm2 FF : 0.820
Without ARC
ガスソースMBE：成長温度の上昇でIn組成が変調[7]
★High Voc value of 2.30 V was obtained.
High performance double junction solar cells fabricated using SS-MBE.
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0 0.5 1 1.5 2 2.5
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(mA/
cm2 )
VOLTAGE (V)
w/o ARC ARC η (%): 17.4 21.1 Voc (V): 2.30 Jsc (mA/cm2 ): 10.0 11.6 FF : 0.790
AM 1.5G, 100 mW/cm2 25 ºC
Without ARC
I-V curves of double junction solar cells
With ARC
Cell size : 5 x 5 mm2
本研究の一部は、経済産業省のもと、NEDO技術開発機構から委託され、実施したものである。
1. 固体ソースMBEを用いてInGaP薄膜成長の系統的研究を行った。 最適成長温度：480°C 2. 高性能InGaP太陽電池の作製に成功。 変換効率;12.1%（ARC無し）, Voc:1.297V 3.固体ソースMBEにおいて、高性能InGaP/GaAsダブルジャンクシ
ョン太陽電池の作製に成功。 変換効率;21.1%, Voc:2.30V
謝辞
1. 固体ソースMBEによるIn0.48Ga0.52P薄膜の成長 [3, 4]
2. InGaP太陽電池の作製 [3] 3. InGaP/GaAsダブルジャンクション太陽電池
In0.48Ga0.52P薄膜の成長 [3] InGaP太陽電池 [3] InGaP/GaAsダブルジャンクション太陽電池
