Thin film PV Technologies III-V PV Technology Week - PowerPoint PPT Presentation

Thin ¡film ¡PV ¡Technologies ¡ III-­‑V ¡ ¡PV ¡Technology ¡ Week ¡5.1 ¡ Arno ¡Smets ¡

` ¡ (Source: ¡NASA) ¡

III ¡– ¡V ¡PV ¡Technology ¡

Semiconductor ¡Materials ¡ III-­‑V ¡semiconductors: ¡ GaAs: ¡ GaP: ¡ InP: ¡ InAs: ¡ GaInAs: ¡ GaInP: ¡ AlGaInAs: ¡ AlGaInP: ¡

Atomic ¡Structure ¡ ¡Silicon ¡ ¡ ¡GaAs ¡ ¡ La9ce ¡constant ¡ La9ce ¡constant ¡ La9ce ¡constant: ¡ ¡0.565 ¡nm ¡ La9ce ¡constant: ¡ ¡0.543 ¡nm ¡ Atom ¡density: ¡ ¡ ¡4.42 × 10 22 ¡cm -­‑3 ¡ Atom ¡density: ¡ ¡ ¡5.0 × 10 22 ¡cm -­‑3 ¡ Density: ¡ ¡ ¡ ¡5.32 ¡gcm -­‑3 ¡ Density: ¡ ¡ ¡ ¡2.33 ¡gcm -­‑3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Energy ¡ X-­‑valley ¡ ¡ E g ¡= ¡1.42 ¡eV ¡ ¡ Γ -­‑valley ¡ ¡ ¡E L ¡= ¡1.71 ¡eV ¡ T ¡= ¡300K ¡ ¡ ¡E X ¡= ¡1.90 ¡eV ¡ L-­‑valley ¡ ¡ ¡E 90 ¡= ¡0.34 ¡eV ¡ E x ¡ E L ¡ E g ¡ <100> ¡ <111> ¡ Wave ¡ vector ¡ Heavy ¡holes ¡

AbsorpDon ¡coefficient ¡ AbsorpUon ¡coefficient, ¡ α ¡(cm -­‑1 ) ¡ 10 7 ¡ GaAs ¡ ¡ InP ¡ 10 6 ¡ ¡ Germanium ¡ 10 5 ¡ Silicon ¡ ¡ ¡ 10 4 ¡ ¡ ¡ 10 3 ¡ ¡ 10 2 ¡ ¡ 10 1 ¡ ¡ 10 0 ¡ 800 ¡ 1000 ¡ 1200 ¡ 1400 ¡ 1600 ¡ 1800 ¡ 2000 ¡ 200 ¡ 400 ¡ 600 ¡ ¡ Wavelength, ¡ λ ( nm) ¡ ¡ ¡

¡ Charge ¡Carrier ¡RecombinaDon ¡ ¡ ¡ RadiaUve ¡ Auger ¡ SRH ¡

Spectral ¡Mismatch ¡ 100 ¡ Other ¡losses ¡ Percentage ¡of ¡incident ¡ ¡ 75 ¡ RelaxaUon ¡ ¡ light ¡energy ¡ to ¡band ¡ Below-­‑bandgap ¡ 50 ¡ photons ¡ edges ¡ 25 ¡ Usable ¡electric ¡power ¡ 0 ¡ 0 ¡ 3 ¡ 1 ¡ 2 ¡ Bandgap ¡(eV) ¡

MulDjuncDon ¡ C ¡ C V “Excess ¡ “Excess ¡ V ¡ energy” ¡ energy” ¡

Contact= III-­‑V ¡Technologies ¡ AR n+-GaAs n-AllnP Top cell window/emitter n-GalnP n-GalnP Top cell base/BSF p-AlGalnP Wide-Eg tunnel junction p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. Middle Cell Window Middle cell window/emitter n-GaAs p-GaAs Middle cell base/BSF p-GalnP p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. buffer TC & MC crystal quality: nucleation Nucleation, buffer, n-Ge Interface control, Courtesy: ¡Richard ¡King ¡ Lattice-matching p-Ge substrate ¡ ¡Spectro ¡Labs ¡ contact

Contact= III-­‑V ¡Technologies ¡ AR n+-GaAs n-AllnP Top cell window/emitter n-GalnP n-GalnP Top cell base/BSF p-AlGalnP Wide-Eg tunnel junction p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. Middle Cell Window Middle cell window/emitter n-GaAs p-GaAs Middle cell base/BSF p-GalnP p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. buffer TC & MC crystal quality: nucleation Nucleation, buffer, n-Ge Interface control, Courtesy: ¡Richard ¡King ¡ Lattice-matching p-Ge substrate ¡ ¡Spectro ¡Labs ¡ contact

Contact= III-­‑V ¡Technologies ¡ AR n+-GaAs n-AllnP Top cell window/emitter n-GalnP n-GalnP Top cell base/BSF p-AlGalnP Wide-Eg tunnel junction p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. Middle Cell Window Middle cell window/emitter n-GaAs p-GaAs Middle cell base/BSF p-GalnP p++-tunnel junc. n++-tunnel junc. buffer TC & MC crystal quality: nucleation Nucleation, buffer, n-Ge Interface control, Courtesy: ¡Richard ¡King ¡ Lattice-matching p-Ge substrate ¡ ¡Spectro ¡Labs ¡ contact

MulD-­‑juncDon ¡approach ¡ Single ¡juncUons ¡ 15 ¡ Window ¡side ¡ 3 ¡ 3 10 ¡ J ¡(mA/cm 2 ) ¡ 2 ¡ ? ¡ 2 1 ¡ ? ¡ 1 5 ¡ ? ¡ 0 ¡ 0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ Voltage ¡(V) ¡

MulD-­‑juncDon ¡approach ¡ Single ¡juncUons ¡ 15 ¡ Window ¡side ¡ 3 ¡ 3 10 ¡ J ¡(mA/cm 2 ) ¡ 2 ¡ 1 ¡ 2 1 ¡ 2 ¡ 1 5 ¡ 3 ¡ 0 ¡ 0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ Voltage ¡(V) ¡

MulD-­‑juncDon ¡approach ¡ Single ¡juncUons ¡ MulU-­‑juncUons ¡ 15 ¡ 30 ¡ 30 ¡ 3 ¡ 25 ¡ 25 ¡ 3 10 ¡ J ¡(mA/cm 2 ) ¡ 20 ¡ 20 ¡ J ¡(mA/cm 2 ) ¡ 2 ¡ ? ¡ 2 15 ¡ 15 ¡ 1 ¡ 1 10 ¡ 10 ¡ 5 ¡ 5 ¡ 5 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ Voltage ¡(V) ¡ Voltage ¡(V) ¡

Equivalent ¡circuit ¡-­‑ ¡ideal ¡solar ¡cell ¡ I ¡ ¡ I D ¡ + ¡ ¡ ¡ I PH ¡ V OC,1 ¡ ¡ ¡ ¡ _ ¡ ¡

Series ¡ or ¡ parallel? ¡ I I ¡ ¡ I D ¡ I D ¡ ¡ ¡ + ¡ ¡ ¡ + ¡ ¡ ¡ I PH ¡ I PH ¡ J SC,1 ¡ V OC,1 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ _ ¡ _ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ I I ¡ ¡ I D ¡ I D ¡ + ¡ + ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ I PH ¡ ¡ I PH ¡ ¡ V OC,2 ¡ J SC,2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ _ ¡ _ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ I I ¡ ¡ I D ¡ I D ¡ ¡ + ¡ ¡ + ¡ ¡ ¡ I PH ¡ ¡ I PH ¡ ¡ J SC,3 ¡ V OC,3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ _ ¡ _ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ V OC,1 ¡ + V OC,3 ¡ J SC,1 ¡ J SC,2 ¡ J SC,3 ¡ + V OC,2 ¡ + + ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

Series ¡ or ¡ parallel? ¡ I I ¡ ¡ I D ¡ I D ¡ ¡ ¡ + ¡ ¡ ¡ + ¡ ¡ ¡ I PH ¡ I PH ¡ J SC,1 ¡ V OC,1 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ _ ¡ _ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ I I ¡ ¡ I D ¡ I D ¡ + ¡ + ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ I PH ¡ ¡ I PH ¡ ¡ V OC,2 ¡ J SC,2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ _ ¡ _ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ I I ¡ ¡ I D ¡ I D ¡ ¡ + ¡ ¡ + ¡ ¡ ¡ I PH ¡ ¡ I PH ¡ ¡ J SC,3 ¡ V OC,3 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ _ ¡ _ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ V OC,1 ¡ + V OC,3 ¡ J SC,1 ¡ J SC,2 ¡ J SC,3 ¡ + V OC,2 ¡ + + ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

MulD-­‑juncDon ¡approach ¡ Single ¡juncUons ¡ MulU-­‑juncUons ¡ 15 ¡ 30 ¡ 30 ¡ 3 ¡ 25 ¡ 25 ¡ 3 10 ¡ J ¡(mA/cm 2 ) ¡ 20 ¡ 20 ¡ J ¡(mA/cm 2 ) ¡ 2 ¡ ? ¡ 2 15 ¡ 15 ¡ 1 ¡ 1 10 ¡ 10 ¡ 5 ¡ 5 ¡ 5 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ Voltage ¡(V) ¡ Voltage ¡(V) ¡

MulD-­‑juncDon ¡approach ¡ Single ¡juncUons ¡ MulU-­‑juncUons ¡ 15 ¡ 30 ¡ 30 ¡ 3 ¡ 25 ¡ 25 ¡ 3 3 10 ¡ J ¡(mA/cm 2 ) ¡ 20 ¡ 20 ¡ J ¡(mA/cm 2 ) ¡ 2 ¡ 2 2 15 ¡ 15 ¡ 1 ¡ 1 1 1+2+3 ¡ 10 ¡ 10 ¡ 5 ¡ 5 ¡ 5 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 0.0 ¡ 0.2 ¡ 0.4 ¡ 0.6 ¡ 0.8 ¡ 1.0 ¡ 1.4 ¡ 1.6 ¡ 1.8 ¡ 2.0 ¡ 2.2 ¡ 2.4 ¡ Voltage ¡(V) ¡ Voltage ¡(V) ¡

p ¡ n ¡ Triple ¡JuncDon ¡ p ¡ n ¡ p ¡ n ¡

p ¡ p ¡ n ¡ p ¡ n ¡ n ¡

= =

Triple ¡JuncDon ¡ p ¡ p ¡ p ¡ n ¡ n ¡ n ¡

Epitaxy of III-V Materials Crystalline ¡growth ¡induced ¡by ¡a ¡crystalline ¡substrate ¡ Source: ¡hkp://www.photonics.ethz.ch/research/core_competences/technology/ ¡

Epitaxy of III-V Materials

Epitaxy of III-V Materials Source: ¡hkp://www.photonics.ethz.ch/research/core_competences/technology/ ¡

Bandgap ¡vs. ¡LaNce ¡constant ¡ 4.0 ¡ 3.6 ¡ ZnS ¡ MgSe ¡ 3.2 ¡ GaN ¡ 2.8 ¡ ZnSc ¡ Bandgap ¡(eV) ¡ AlP ¡ 2.4 ¡ CdS ¡ ZnFe ¡ GaP ¡ 2.0 ¡ AlAs ¡ BP ¡ 1.6 ¡ CdSe ¡ GaAs ¡ CdTe ¡ BAs ¡ AlSb ¡ InP ¡ 1.2 ¡ Si ¡ 0.8 ¡ InN ¡ GaSb ¡ Ge ¡ 0.4 ¡ InSb ¡ InAs ¡ 0.0 ¡ 4.5 ¡ 5.0 ¡ 5.5 ¡ 6.0 ¡ 6.5 ¡ La9ce ¡Constant ¡(Å) ¡

Crystal mismatch: interface defects E.F ¡ ¡ E.F. ¡Schubert ¡ Light-­‑Emi>ng ¡Diodes ¡ (Cambridge ¡Univ. ¡Press) ¡ www.LightEmi9ngDiodes.org ¡

Bandgap ¡vs. ¡LaNce ¡constant ¡ 4.0 ¡ 3.6 ¡ ZnS ¡ MgSe ¡ GaN ¡ 3.2 ¡ 2.8 ¡ ZnSc ¡ Bandgap ¡(eV) ¡ AlP ¡ 2.4 ¡ CdS ¡ ZnFe ¡ GaP ¡ AlAs ¡ 2.0 ¡ BP ¡ 1.6 ¡ CdSe ¡ GaAs ¡ CdTe ¡ AlSb ¡ BAs ¡ InP ¡ 1.2 ¡ Si ¡ 0.8 ¡ InN ¡ GaSb ¡ Ge ¡ 0.4 ¡ InSb ¡ InAs ¡ 0.0 ¡ 4.5 ¡ 5.0 ¡ 5.5 ¡ 6.0 ¡ 6.5 ¡ La9ce ¡Constant ¡(Å) ¡

Spectrolab ¡ AM ¡0 ¡condiDons ¡ J SC ¡= ¡17.76 ¡mA/cm 2 ¡ V OC ¡= ¡2.633 ¡V ¡ FF ¡= ¡0.85 ¡

EQE ¡spectrum ¡of ¡mulDjuncDon ¡cells ¡ MH ¡Tsutagawa ¡et ¡al. ¡ 34 th ¡IEEE ¡PVSC ¡pp. ¡1959 ¡(2009) ¡