Structures based on GaAs(Sb)(N) semiconductor alloys for high efficiency multi-junction solar cells

Gonzalo Martín, Alicia (2019). Structures based on GaAs(Sb)(N) semiconductor alloys for high efficiency multi-junction solar cells. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57487.

Description

Title: Structures based on GaAs(Sb)(N) semiconductor alloys for high efficiency multi-junction solar cells
Author/s:
  • Gonzalo Martín, Alicia
Contributor/s:
  • Ulloa Herrero, José María
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Las células solares de multi-unión basadas en aleaciones semiconductoras III-V han ostentado el récord de eficiencia de conversión energética durante muchos años, que actualmente se aproxima al 50 %. Cálculos teóricos de eficiencia límite, para los que se emplean diseños optimizados con la correcta combinación de parámetros de red y de energía de bandgap, determinan que es necesario obtener un material semiconductor de 1,0–1,15 eV ajustado en red al GaAs o el Ge. El uso de dicho material para formar una de las capas de una célula de 4 uniones podría permitir alcanzar una eficiencia del 60 % bajo concentración solar, lo que supondría un gran hito en el campo de la energía fotovoltaica. Por lo tanto, actualmente se están realizando grandes esfuerzos para investigar materiales con bandgap de 1,0–1,15 eV que puedan crecerse ajustados a la red del GaAs o del Ge. Los nitruros diluidos, como son el Ga1-xInxAs1-yNy o el GaAs1-x-ySbxNy, son candidatos prometedores: en ellos, la introducción de un pequeño porcentaje de N conlleva una fuerte reducción de la energía de bandgap, mientras que su constante de red puede ajustarse a la del GaAs o el Ge. Específicamente el GaAs1-x-ySbxNy presenta ciertas ventajas frente al Ga1-xInxAs1-yNy, como son una incorporación más eficiente del N y una menor formación de defectos relacionados con la presencia del N. Sin embargo, los nitruros diluidos, incluyendo el GaAs1-x-ySbxNy, se enfrentan a problemas inherentes a su crecimiento cuaternario que degradan seriamente la dinámica de sus portadores, lo que probablemente sea el motivo de la falta de éxito de las células solares basadas en GaAs1-x-ySbxNy que se ha observado hasta el momento. En esta tesis se demuestra que la sustitución de la aleación cuaternaria por una superred de GaAs1-xSbx/GaAs1-yNy con alineamiento tipo-II puede ser útil para obtener la capa de 1,0–1,15 eV ajustada en red que se desea implementar en la célula monolítica de multi-unión previamente diseñada. Por un lado, la separación espacial de los átomos de N y Sb evita los problemas de crecimiento del cuaternario, y además este tipo de estructura permite un control extra de la energía efectiva del bandgap a través del grosor de su periodo. Por otro lado, el alineamiento de tipo-II proporciona mayores tiempos de vida radiativos, que pueden llegar a reducirse a los tiempos propios del material cuaternario reduciendo el grosor de periodo. Además, la reducción del grosor de periodo en las superredes tipo-II conlleva mejoras en la absorción debido al solapamiento de las funciones de onda, así como el cambio en el régimen de transporte de portadores de difusivo a cuasi-balístico, lo que mejora la eficiencia de extracción de cargas. En estructuras con bajos contenidos de N y Sb (aquellos requeridos para obtener estructuras con energía de bandgap de ~1,15 eV) el desempeño como célula solar de una única unión de las superredes GaAs1-xSbx/GaAs1-yNy no supera al de células de capas gruesas de GaAs1-x-ySbxNy equivalentes (las cuales contienen el doble de N y Sb) en términos de eficiencia de conversión. Sin embargo, para contenidos de N y Sb mayores (aquellos requeridos para obtener estructuras con energía de bandgap de ~1,0 eV), las células solares de superred son claramente superiores a las células gruesas en términos de eficiencia de conversión. De hecho, superredes con un grosor de período de 3 nm muestran una mejora en eficiencia del 134 % comparadas con células gruesas equivalentes. La mejora se atribuye a la disminución de la recombinación no-radiativa y a la mayor homogeneidad en la composición de las superredes. Para explotar plenamente las ventajas fotovoltaicas de las superredes tipo-II, se ha aplicado un proceso de recocido térmico rápido a las diferentes estructuras. El recocido térmico reduce la densidad de estados de defectos radiativos inducidos por la presencia de N, lo que parece ser la causa de la mejora en el voltaje de circuito abierto (VOC) observada después del recocido, especialmente en las células solares de bajo contenido de N con bandgap de ~1,15 eV. Los resultados sugieren que la recombinación radiativa que proviene de estados de defectos de N es fuente de degradación para el VOC en las células solares basadas en GaAs(Sb)(N) sin recocer. En células solares con altos contenidos de N y Sb con bandgap de ~1,0 eV, no solo el VOC sino también la densidad de corriente de circuito abierto (JSC) se incrementa notablemente después del proceso de recocido, lo que conlleva una gran mejora en la eficiencia de conversión de dichas células. El gran incremento de JSC después del recocido térmico en células solares con energía de bandgap de ~1.0 eV es de especial interés, ya que podría mejorar el ajuste de corrientes entre sub-células al integrar estas estructuras en células solares de multi-unión. ----------ABSTRACT---------- III-V multi-junction solar cells (MJSCs) have hold record conversion efficiencies for many years, which is currently approaching 50 %. Theoretical efficiency limits are calculated using optimum designs with the right lattice constant-bandgap energy combination, which requires a 1.0–1.15 eV bandgap semiconductor material lattice-matched to GaAs/Ge. Insertion of such a material layer in a 4-junction MJSC could lead to an efficiency of 60 % under solar concentration, which would represent a significant breakthrough in photovoltaics. Therefore, 1.0–1.15 eV bandgap materials that can be grown lattice-matched to GaAs/Ge are being nowadays intensively researched. Dilute nitrides, such as Ga1-xInxAs1-yNy or GaAs1-x-ySbxNy, are the most suitable candidates: the introduction of a small amount of N in the GaAs matrix sharply reduces the bandgap energy, and at the same time the lattice constant can be adjusted to that of GaAs/Ge. In particular, GaAs1-x-ySbxNy has many potential advantages over Ga1-xInxAs1-yNy, such as promoting a more efficient N incorporation and reducing the formation of N-related defects. However, quaternary dilute nitrides, even GaAs1-x-ySbxNy, unavoidably suffer from inherent material problems that seriously degrade carrier dynamics, which are likely the reason for the lack of success of the GaAs1-x-ySbxNy based solar cells up to now. In this Thesis, we demonstrate that the substitution of the conventional quaternary alloy by a strain-balanced GaAs1-xSbx/GaAs1-yNy superlattice (SL) with a type-II band alignment is a suitable approach to form the lattice-matched 1.0–1.15 eV subcell to be implemented in the optimum monolithic multi-junction solar cell design. The spatial separation of Sb and N atoms avoids the ubiquitous growth problems, providing an accurate composition control and improving the crystal quality. Moreover, these new structures allow for additional control of the effective bandgap through the period thickness. The type-II band alignment provides long carrier lifetimes, which are also tunable down to the values of the bulk alloys by reducing the period thickness. A reduced period thickness in type-II SLs also results in enhanced absorption due to increased wavefunction overlap, as well as in a change in the transport regime from diffusive to quasi-ballistic, which provides improved carrier extraction efficiency. For the “low” N and Sb contents required in the ~1.15 eV structures, single-junction SL solar cells do not overcome the equivalent bulk devices (the latter having double amount of N and Sb) in terms of power conversion efficiency (PCE). Nevertheless, for the higher N and Sb contents required in the ~1.0 eV structures, the SL approach is advantageous in terms of solar cell PCE. Indeed, 3 nm period SL solar cells show an enhanced PCE of 134 % over the equivalent bulk devices. The improvement is attributed to a reduced non-radiative recombination and an improved composition homogeneity in the SLs. To fully exploit the potential of type-II SLs in photovoltaics, an adequate rapid thermal annealing (RTA) cycle might be applied to the structures. The RTA is shown to reduce the density of N-induced sub-bandgap radiative states, which seems to be the main reason for the enhancement of the open-circuit voltage (VOC) observed after RTA, particularly in the “low” N content ~1.15 eV structures. The results suggest that radiative recombination in a broad band of deep defect states is a source of VOC degradation in as-grown GaAs(Sb)(N)-based solar cells. In solar cells with higher N and Sb contents and ~1.0 eV bandgap, not only VOC but also short-circuit current density (JSC) is strongly increased after RTA, resulting in substantial enhancements of the PCE. The large increase of JSC after RTA in ~1.0 eV samples is particularly relevant since it could help to provide current matching when integrated in a MJSC.

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Government of SpainBES-2014-068130UnspecifiedUnspecifiedBeca FPI

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Item ID: 57487
DC Identifier: http://oa.upm.es/57487/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57487
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57487
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 13 Jan 2020 07:15
Last Modified: 13 Jan 2020 07:15
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