Advanced Processing of III‒V Multijunction Solar Cells

Abstract

Aurinkosähkö on varteenotettava kestävän kehityksen energiamuoto. Tämän työn tutkittavana teknologiana on III–V-moniliitosaurinkokennot, jotka on valmistettu hilasovitetusti molekyylisuihkuepitaksiamenetelmällä ja joissa alimpana liitoksena käytetään laimeita typpiyhdistepuolijohteita. Nämä aurinkokennot soveltuvat erityisesti korkeaa suorituskykyä vaativiin käyttökohteisiin, kuten avaruusteollisuuteen ja maanpäällisiin valoa keskittäviin aurinkokennoihin. Korkealaatuiset komponentit on mahdollista saavuttaa vain optimoimalla rakenteiden ja valmistuksen jokainen osatekijä.

Väitöstyö keskittyy kahteen aihealueeseen komponenttien valmistusprosessien kehittämiseen liittyen: i) laimeita typpiyhdisteitä sisältävien III–V-puolijohderakenteiden märkäetsaukseen sekä ii) sähköisen etukontaktin valmistamiseen korkean hyötysuhteen sovelluksiin. Tutkimusmenetelminä käytettiin puolijohdeteollisuudessa tavanomaisesti käytettyjä valmistus- ja karakterisointimenetelmiä tukeutuen useisiin optimointikierroksiin. Työssä käytettiin GaInP/GaAs/GaInNAsSb-kolmiliitosaurinkokennoja tulosten havainnollistamiseen.

Työn tärkeimpiin tuloksiin märkäetsaukseen liittyen kuuluu sopivien etsauskemioiden sekä etsauksen ominaisuuksien määrittäminen laimeille typpiyhdisteille, eli GaInNAs-, GaInNAsSb- ja GaNAsSb-puolijohdemateriaaleille. Sopiviin etsausliuoksiin lukeutuvat NH₃:H₂O₂:H₂O, H₂SO₄:H₂O₂:H₂O ja H₃PO₄:H₂O₂:H₂O eri liuossuhteissa. Lisäksi työssä kehitettiin III–V-moniliitosaurinkokennojen mesaetsaukseen soveltuva, kaikkia puolijohdekerroksia tasaisesti etsaava liuos HIO₃:HCl:H₂O, jonka avulla valmistetut komponentit saavuttivat hyvän toimintakyvyn. Työssä määritettiin mesaetsauksen ominaisuudet sekä epäsuotuisan selektiivisyyden lisääntymiseen vaikuttavat olosuhteet.

Väitöstyössä kehitettiin myös valmistusprosessi edistykselliselle konseptille, jossa etukontaktin liitinalusta sijaitsee kennon aktiivisen alueen ulkopuolella. Valmistuksessa ilmenneen plasman aiheuttaman materiaalin vaurioitumisen vuoksi prosessiin kehitettiin ylimääräinen märkäetsausvaihe. Väitöstyön tuloksia voidaan hyödyntää III–V-moniliitosaurinkokennojen lisäksi myös muiden III–V-puolijohdekomponenttien valmistamisessa.

Photovoltaics (PV) is a considerable means for providing sustainable energy solutions. The specific PV technology addressed within this thesis is lattice-matched III–V multijunction solar cells (MJSCs) that incorporate dilute nitride bottom junctions, grown by molecular beam epitaxy. Such solar cells are the solution of choice for meeting high-efficiency demands especially in space industry and terrestrial concentrator photovoltaics. To obtain high-quality devices, every aspect of the device fabrication needs to be optimized. This accounts not only for the device design, but also for the microfabrication steps, which are often determinant in fulfilling the high-efficiency potential of MJSCs.

The research focuses on two thematic areas concerning microfabrication processes: i) wet etching of III–V heterostructures including dilute nitrides, and ii) development of advanced front contact grid for high-efficiency operation. The research methods include conventional semiconductor device microfabrication and characterization methods, which were adapted for various optimization routines. These were applied for microfabrication of GaInP/GaAs/GaInNAsSb triple- junction solar cells.

The most important achievements concerning wet etching include developing suitable etching chemistries for dilute nitride compounds GaInNAs, GaInNAsSb, and GaNAsSb – namely NH₃:H₂O₂:H₂O, H₂SO₄:H₂O₂:H₂O, and H₃PO₄:H₂O₂:H₂O in different compositions, and defining the related etching characteristics. In addition, a nonselective HIO₃:HCl:H₂O wet etchant was developed for mesa formation of III–V multijunction solar cells, providing good photovoltaic performance. The etching characteristics were defined and conditions causing unwanted selectivity within III–V heterostructures were identified.

The work included microfabrication development of an advanced grid concept where the busbar is located outside the active area. The study revealed the need to avoid plasma-induced damage; this was mitigated by introducing an additional wet etching step into the process. In general, the developments demonstrated are of general use for advancing the device fabrication of III–V multijunction solar cells and in wider perspective, of other III–V semiconductor components as well.