Narrow Bandgap (0.7–0.9 eV) Dilute Nitride Materials for Advanced Multijunction Solar Cells

Abstract

Aurinkosähköllä on merkittävä rooli maailmanlaajuisessa siirtymässä kohti kestävää energiantuotantoa, sillä aurinkopaneelit tuottavat vihreää sähköä suoraan auringonvalosta. Yksi aurinkosähkön avainteknologioista on III–V puolijohteisiin perustuvat moniliitosaurinkokennot, joiden avulla on saavutettu korkeimmat hyötysuhteet sekä maanpäällisessä energiantuotannossa että avaruussovelluksissa. Moniliitosaurinkokennoilla onkin saavutettu jopa 47,6 %:n hyötysuhde käyttäen keskitettyä valoa, mutta ponnisteluista huolimatta 50 %:n rajaa ei ole vielä saavutettu. Näin korkeiden hyötysuhteiden saavuttaminen edellyttää auringon spektrin erittäin tehokasta hyödyntämistä, mikä käytännössä vaatii viiden tai useamman liitoksen käyttämistä rakenteissa, mikä puolestaan edellyttää uusien alikennojen ja materiaalien kehitystyötä. Etenkin hilasovitettuja moniliitoskennoja ajatellen uusien materiaalien kehittäminen on tärkeää hilasovitettujen materiaalien määrän rajallisuuden vuoksi. Tämä väitöskirjatyö keskittyy hilasovitettujen kapean energia-aukon omaavien laimeiden typpiyhdisteiden ja niihin pohjautuvien moniliitosaurinkokennojen kehitykseen, viimekädessä tähdäten 50 %:n hyötysuhteen saavuttamiseen.

Ensimmäisenä askeleena kohti tätä tavoitetta kehitettiin neliliitosaurinkokennoja, jotka sisältävät kaksi laimeisiin typpiyhdisteisiin perustuvaa alikennoa. Näissä rakenteissa pohjaliitoksen energia-aukkoa siirrettiin kohti 0,9 eV:n energiaa. Kokeellisilla neliliitoskennoilla saavutettiin 39 %:n hyötysuhde keskitetyn valon alla. Lisäkehitystyöllä kyseisillä rakenteilla olisi mahdollista saavuttaa yli 46 % hyötysuhde.

Merkittävä osa tämän väitöskirjan kokeellisesta työstä liittyi 6–8 % typpeä sisältävien kapean energia-aukon GaInNAsSb-alikennojen valmistukseen, joiden avulla voidaan paremmin kattaa energiakaista germaniumin ja vakiintuneiden hilasovitettujen materiaalien välillä. Tässä työssä esitellään kehitystyötä ensimmäisistä kapean energia-aukon GaInNAsSb-liitoksista kohti korkean suorituskyvyn alikennoja rakenteellisten ja valmistusteknisten kehitysaskelten avulla. Kapean energia-aukon (0,8 eV) GaInNAsSb-kennojen toiminnassa saatiin aikaan merkittäviä parannuksia takapeilin avulla sekä molekyylisuihkuepitaksia-prosessin optimoinnilla. Parhailla työssä esitetyllä kapean energia-aukon alikennolla onkin mahdollista saavuttaa virtasovitus seuraavan sukupolven moniliitoskennoissa, joiden avulla yli 50 %:n hyötysuhde voitaisiin saavuttaa.

A prominent role in the worldwide transition towards sustainable energy production is played by photovoltaics that is used to convert sunlight directly into green electricity. One of the key photovoltaic technologies is multijunction solar cell architecture based on III–V compound semiconductors, which provides the highest conversion efficiencies to date in terrestrial and space applications of solar cells. Currently, up to 47.6% conversion efficiency has been achieved under concentrated illumination with this approach. Still, despite major efforts, the milestone efficiency of 50% has not been realized. Reaching this efficiency level practically requires implementation of five or more junctions into multijunction solar cell devices, which allows more efficient utilization of the solar spectrum. In turn, this requires the development of new sub-cells and related materials. This is especially true for lattice-matched multijunction architecture, where the library of materials is more strictly limited. To this end, the thesis focuses on the development of narrow bandgap dilute nitrides and related multijunction solar cells lattice-matched to GaAs, ultimately targeting at 50% conversion efficiencies.

As the initial steps towards realization of this, four-junction solar cells employing two dilute nitride subcells were demonstrated. To this end, the bandgap of the bottom junction was shifted towards 0.9 eV. The experimental four-junction devices yielded efficiencies of up to 39% under concentration, yet with fine-tuning and higher concentration factors over 46% could be attainable.

A major part of the experimental work in this thesis involved fabrication of narrow bandgap GaInNAsSb subcells with 6–8% nitrogen concentrations for bridging the gap to Ge with lattice-matched materials. The thesis covers the progress from the first proof-of-concept narrow-gap GaInNAsSb junctions towards high performance subcells enabled by structural and epitaxial developments. Significant improvements for the performance of 0.8 eV GaInNAsSb solar cells were obtained by employing a back reflector behind the dilute nitride junction, and by optimizing the molecular beam epitaxy growth of the narrow-gap materials. The best narrow bandgap subcells presented in this work would already enable current-matching in next-generation multijunction devices with projected efficiencies exceeding 50%.