Forskare vid National Renewable Energy Laboratory (NREL) uppnådde ett tekniskt genombrott för solceller som tidigare ansågs vara omöjligt.

Forskarna har framgångsrikt integrerat en aluminiumkälla i sin hydridångfasepitaxi (HVPE) reaktor, demonstrerade sedan tillväxten av halvledarna aluminiumindiumfosfid (AlInP) och aluminiumgalliumindiumfosfid (AlGaInP) för första gången med denna teknik.

"Det finns en anständig mängd litteratur som tyder på att människor aldrig skulle kunna odla dessa föreningar med hydridångfasepitaxi, sa Kevin Schulte, en vetenskapsman vid NREL:s Material Applications &Performance Center och huvudförfattare till en ny artikel som lyfter fram forskningen. "Det är en av anledningarna till att många av III-V-industrin har gått med metallorganisk ångfas-epitaxy (MOVPE), vilket är den dominerande III-V-tillväxttekniken. Denna innovation förändrar saker."

Artikeln, "Tillväxt av AlGaAs, AlInP, och AlGaInP av Hydride Vapor Phase Epitaxy, " visas i journalen ACS Applied Energy Materials .

III-V solceller – så namngivna på grund av den position som materialen hamnar i det periodiska systemet – används ofta i rymdtillämpningar. Känd för hög effektivitet, dessa typer av celler är för dyra för markanvändning, men forskare utvecklar tekniker för att minska dessa kostnader.

En metod som banat väg vid NREL bygger på en ny tillväxtteknik som kallas dynamisk hydridångfasepitaxi, eller D-HVPE. Traditionell HVPE, som i decennier ansågs vara den bästa tekniken för tillverkning av lysdioder och fotodetektorer för telekommunikationsindustrin, föll i unåde på 1980-talet i och med framväxten av MOVPE. Båda processerna involverar avsättning av kemiska ångor på ett substrat, men fördelen tillhörde MOVPE på grund av dess förmåga att bilda abrupta heterogränssnitt mellan två olika halvledarmaterial, en plats där HVPE traditionellt kämpade.

Det har förändrats med tillkomsten av D-HVPE.

Prov III-V solceller odlade med HVPE Prov av aluminium III-V solceller, odlat med HVPE, visas som Alx (Ga1-x) 0,5In0.5P tunna filmer efter att ha tagit bort GaAs-substratet som är bundet till ett glashandtag för överföringsmätningar. Skillnaden i färg beror på skillnaden i sammansättningen av Al och Ga. Specifikt, de gula proverna är AlInP (ingen Ga) och de orangea proverna är AlGaInP. Foto av Dennis Schroeder, NREL

Den tidigare versionen av HVPE använde en enda kammare där en kemikalie deponerades på ett substrat, som sedan togs bort. Tillväxtkemin byttes sedan mot en annan, och substratet återfördes till kammaren för nästa kemiska applicering. D-HVPE förlitar sig på en flerkammarreaktor. Substratet rör sig fram och tillbaka mellan kamrarna, avsevärt minska tiden för att göra en solcell. En solcell med en korsning som tar en eller två timmar att göra med MOVPE kan eventuellt produceras på under en minut av D-HVPE. Trots dessa framsteg, MOVPE hade fortfarande en annan fördel:förmågan att deponera aluminiuminnehållande material med brett bandgap som möjliggör den högsta solcellseffektiviteten. HVPE har länge kämpat med tillväxten av dessa material på grund av svårigheter med den kemiska naturen hos den vanliga aluminiumhaltiga prekursorn, aluminiummonoklorid.

Forskarna har alltid planerat att introducera aluminium i D-HVPE, men först fokuserade sina ansträngningar på att validera tillväxttekniken.

"Vi har försökt att flytta tekniken framåt i steg istället för att försöka göra allt på en gång, ", sade Schulte. "Vi validerade att vi kan odla material av hög kvalitet. Vi validerade att vi kan odla mer komplexa enheter. Nästa steg nu för tekniken att gå framåt är aluminium."

Schultes medförfattare från NREL är Wondwosen Metaferia, John Simon, David Guiling, och Aaron J. Ptak. De inkluderar också tre forskare från ett North Carolina -företag, Kyma Technologies. Företaget utvecklade en metod för att producera en unik aluminiuminnehållande molekyl, som sedan kunde strömma in i D-HVPE-kammaren.

Forskarna använde en aluminiumtrikloridgenerator, som värmdes till 400 grader Celsius för att generera en aluminiumtriklorid från fast aluminium och vätekloridgas. Aluminiumtriklorid är mycket mer stabil i HVPE-reaktormiljön än monokloridformen. De andra komponenterna - galliumklorid och indiumklorid - förångades vid 800 grader Celsius. De tre elementen kombinerades och avsattes på ett substrat vid 650 grader Celsius.

Med D-HVPE, NREL-forskare kunde tidigare tillverka solceller från galliumarsenid (GaAs) och galliumindiumfosfid (GaInP). I dessa celler, GaInP används som "fönsterlager, " som passiverar den främre ytan och tillåter solljus att nå GaAs absorberande skikt under där fotonerna omvandlas till elektricitet. Detta skikt måste vara så transparent som möjligt, men GaInP är inte lika transparent som aluminiumindiumfosfiden (AlInP) som används i MOVPE-odlade solceller. Det nuvarande världseffektivitetsrekordet för MOVPE-odlade GaAs-solceller som innehåller AlInP-fönsterlager är 29,1 %. Med endast GaInP, den maximala verkningsgraden för HVPE-odlade solceller uppskattas till endast 27 %.

Nu när aluminium har lagts till blandningen av D-HVPE, forskarna sa att de borde kunna nå paritet med solceller gjorda via MOVPE.

"HVPE -processen är en billigare process, sade Ptak, en senior vetenskapsman vid NREL:s National Center for Photovoltaics. "Nu har vi visat en väg till samma effektivitet som är samma som de andra killarna, men med en billigare teknik. Innan, vi var något mindre effektiva men billigare. Nu finns möjligheten att vara exakt lika effektiv och billigare."