Development of GaInP/GaInAs/Ge TRIPLE-junction solar cells for CPV applications

Abstract

La concentración fotovoltaica (CPV) es una de las estrategias más prometedoras para reducir el coste de la electricidad de origen fotovoltaico, y está basada en células multiunión de alta eficiencia. En este contexto, esta Tesis trata sobre el desarrollo de células monolíticas de triple unión (GaInP/Ga(In)As/Ge) para sistemas de CPV. Para ello, se ha transferido una estructura de doble unión de GaInP/GaAs —previamente desarrollada en el grupo de Semiconductores III-V del IESUPM— a un sustrato de Ge. Además, dicha estructura semiconductora se ha seguido desarrollando para poder explotar todo el potencial de la misma como dispositivo fotovoltaico de alta eficiencia. El proceso de desarrollo de la célula de triple unión se ha llevado a cabo de una manera integral, i.e., se han abarcado aspectos desde el punto de vista de la preparación de la superficie de Ge en un reactor MOVPE, hasta la optimización de la célula de triple unión, pasando por el desarrollo independiente de cada una de las subcélulas que conforman la célula de triple unión. En primer lugar, se aborda el crecimiento de semiconductores III-V en sustratos de Ge en un reactor MOVPE. Se lleva a cabo la caracterización de diversas superficies que resultan de interés para el crecimiento epitaxial por MOVPE, incluyendo la superficie de Ge limpia, la terminada con monohidrógeno, la terminada con As y por último la terminada con P. Además, se desarrolla una nueva heteronucleación de GaInP en Ge, que es necesaria para poder optimizar la subcélula de Ge. En ambos aspectos, se presta especial atención a la señal de RAS, que permite un control y caracterización in situ de las superficies de Ge y del crecimiento epitaxial de GaInP en Ge. A continuación, cada subcélula de la célula de triple unión se desarrolla y analiza de manera independiente. En primer lugar, se muestra cómo se crea la unión del Ge durante la heternonucleación de GaInP y se incluye una caracterización de las células de Ge resultantes. Adicionalmente, se aborda la medida de la eficiencia cuántica de la subcélula de Ge en una estructura completa de triple unión, prestando especial atención al efecto no trivial que tiene la baja tensión de ruptura de la célula de Ge. Respecto a la subcélula de Ga(In)As, para mejorar su fotocorriente —respecto la estructura doble previa—, se desarrolla una unión túnel de alto ancho de banda prohibida. Además, se incluye un 1% de In en la estructura para tener una subcélula perfectamente ajustada en red con el sustrato de Ge. Por otro lado, para mejorar el funcionamiento de la subcélula de GaInP, se estudia el crecimiento de GaInP con Sb. De esta manera, su energía de banda prohibida (i.e., su voltaje de circuito abierto) se incrementa, ya que se reduce el orden de tipo CuPt en la subred del grupo III del GaInP. Como dicho orden puede ser controlado con el uso de Sb, se incluye también un estudio del funcionamiento de la subcélula de GaInP en función de su grado de orden. Finalmente, se presentan los cuatro diseños más representativos de las células solares de triple unión desarrolladas en esta Tesis, en donde los desarrollos parciales previamente descritos son introducidos de manera gradual en la estructura semiconductora para poder analizar su impacto en el funcionamiento de la célula solar de triple unión. Las células solares se analizan mediante medidas de eficiencia cuántica, curvas I-V y medidas en concentración. Como resultado final, se ha obtenido una célula solar con una eficiencia calibrada del 39.2% a 400 soles, lo que sitúa la tecnología de célula solar del IES-UPM a niveles internacionales del estado del arte. ABSTRACT Concentrator photovoltaics (CPV) is one of the most promising technologies to reduce the cost of PV-electricity, and it is based on highly efficient multijunction solar cells. Within this framework, this Thesis deals with the development of monolithic GaInP/Ga(In)As/Ge triple-junction solar cells for CPV applications. For that purpose, a GaInP/GaAs dual-junction solar cell structure— previously developed by the III-V Semiconductor Group of the IES-UPM— is transferred to a Ge substrate. Moreover, the semiconductor structure is further developed to fully exploit its potential efficiency conversion. Such process has been undertaken in a comprehensive manner, i.e., it was addressed from the point of view of the Ge surface preparation in a MOVPE reactor to the optimization of the whole triple-junction solar cell, including the independent development of each subcell that constitute the monolithic stack. In the first place, the growth of III-V semiconductors on Ge substrates in a MOVPE reactor is addressed. A characterization of the different Ge surfaces that are of interest for the epitaxial growth by MOVPE is carried out, including the clean, the monohydride-, the As- and the Pterminated Ge surfaces. Besides, a new heteronucleation routine of GaInP on Ge is developed, which is needed to optimize the Ge subcell. In both aspects, special attention is paid to the RAS signal, which allows in situ control and characterization of the Ge surfaces and the GaInP on Ge growth. Then, each subcell of the triple-junction solar cell structure is developed and analyzed separately. Firstly, it is shown how the formation of the Ge bottom cell takes place during the GaInP heteronucleation process and a full characterization of the resulting Ge solar cells performance is also included. Besides, the quantum efficiency measurement of the Ge bottom cell in a complete triple-junction solar cell is addressed, paying special attention to the not-so-trivial effect of the low breakdown voltage of the Ge subcell. Regarding the middle cell, to further increase its photocurrent —regarding the previous dual-junction structure—, a high bandgap tunnel junction is developed. Besides, a 1% In content is included in the semiconductors structure to achieve a middle cell lattice-matched to the Ge substrate. Concerning the GaInP top cell performance, the growth of GaInP with Sb is studied. In this way, its energy bandgap (i.e., its open circuit voltage) is increased by reducing the CuPt-type ordering on the group III-sublattice of the GaInP. As the degree of order is tuned with the use of Sb, the effect of the degree of order in the GaInP top cell performance is also studied. Finally, the four most representative triple-junction solar cells developed within this Thesis are introduced, in which the aforementioned partial developments are gradually implemented in the semiconductor structure to analyze its impact on the triple-junction solar cell performance. The solar cells are analyzed in terms of quantum efficiency, I-V curves and concentration response measurements. As a result, a calibrated efficiency of 39.2% at 400X is attained, which brings IES-UPM triple-junction solar cell technology to state-of-the-art levels.