NREL鉱山研究者が、地球上で使用可能なIII-V族太陽電池の開発に前進を示す(NREL, Mines Researchers Show Advances in Development of III-V Solar Cells for Use on Earth)

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2022-10-27アメリカ国立再生可能エネルギー研究所(NREL)

最近発表された2つの論文は、III-V族材料(周期律表のどの部分にあたるかによって名付けられた)を用いた太陽光発電の分野での進歩について述べている。III-V族化合物太陽電池の改良は、この技術が地球上に存在することを証明するものだ。
III-V族は太陽スペクトルのより広い領域を利用することができ、あらゆる太陽光発電技術の中で最も高い太陽光から電気への変換効率を持っていることが特徴である。
III-V太陽電池の製造には、基板上にIII-V族化合物を含む蒸気を蒸着し、リアクターチャンバー内で薄膜を形成する、ハイドライド気相成長法(HVPE)と有機金属気相成長法(OMVPE)の2つの方法が使用されている。NRELの研究者たちは、最初の方法を改良し、太陽電池をより速く、より安く作るために二重反応室を使用するダイナミックHVPE(D-HVPE)と呼ばれるプロセスを開発した。
1つ目は、NRELの5人の研究者が、D-HVPEを用いた太陽電池の効率26%という記録を打ち立てたことである。この太陽電池は、ガリウムヒ素(GaAs)太陽電池に蒸着したアルミニウムインジウムリン(AlInP)をD-HVPEで初めて使用したものである。これまでHVPEで成長させたIII-V族太陽電池にアルミニウムを使用することは不可能と考えられていたため、この結果は注目に値する。
もう1つの論文は、III-V族セルのコスト削減のための別の方法を提案している。このセルは基板上に成長させるが、この基板は再利用できるが、一定の条件下でのみ使用できる。NRELとコロラド鉱山大学で行われた研究は、根本的に異なるアプローチを開拓したものである。

<関連情報>

ダイナミックハイドライド気相成長法によるAlInPパッシベーションIII-V太陽電池の作製 AlInP-passivated III–V solar cells grown by dynamic hydride vapor-phase epitaxy

Jacob T. Boyer,Kevin L. Schulte,Matthew R. Young,Aaron J. Ptak,John Simon
Progress in Photovoltaics  Published: 02 October 2022
DOI:https://doi.org/10.1002/pip.3629

Abstract

We report the development of AlInP-passivated solar cells grown by dynamic hydride vapor-phase epitaxy (D-HVPE) with AM1.5G efficiencies of 26.0% for single-junction (1J) GaAs cells and 28.0% for GaInP/GaAs (2J) tandems. We compare the device performance of solar cells passivated with AlInP versus control cells passivated with GaInP, which has already enabled near-unity carrier collection in GaAs solar cells. 1J devices passivated with either AlInP or GaInP have an identical open-circuit voltage (VOC) of 1.06 V and long-wavelength current collection near 95%, indicating that both window materials provide a similar degree of passivation. Adding AlInP passivation to each solar cell structure improves the current collection by 1.3 and 1 mA/cm2 for the 1J and 2J, respectively. The AlInP also results in a top cell VOC boost of ~40 mV relative to a tandem device passivated only by a thin, highly doped GaInP emitter. Secondary-ion mass spectrometry measurements indicate that although O and Si both incorporate in the AlInP window, they do not appear in the subsequently grown absorber layers and do not impact its ability to passivate the front surface. We expect that these achievements, along with continued optimization, will enable parity of hydride vapor-phase epitaxy (HVPE)-grown device efficiencies with state-of-the-art devices grown by other epitaxial methods in the near future.

研磨不要で基板を再利用できるスポーリングされたゲルマニウム上に成長した高効率太陽電池 High-Efficiency Solar Cells Grown on Spalled Germanium for Substrate Reuse without Polishing

John S. Mangum,Anthony D. Rice,Jie Chen,Jason Chenenko,Evan W. K. Wong,Anna K. Braun,Steve Johnston,Harvey Guthrey,John F. Geisz,Aaron J. Ptak,Corinne E. Packard
Advanced Energy Materials  Published: 16 June 2022
DOI:https://doi.org/10.1002/aenm.202201332

Abstract

Radical reduction of III–V device costs requires a multifaceted approach attacking both growth and substrate costs. Implementing device removal and substrate reuse provides an opportunity for substrate cost reduction. Controlled spalling allows removal of thin devices from the expensive substrate; however, the fracture-based process currently generates surfaces with significant morphological changes compared to polished wafers. 49 single junction devices are fabricated across the spalled surface of full 50 mm germanium wafers without chemo-mechanical polishing before epitaxial growth. Device defects are identified and related to morphological spalling defects—arrest lines, gull wings, and river lines—and their impact on cell performance using physical and functional characterization techniques. River line defects have the most consistent and detrimental effect on cell performance. Devices achieve a single junction efficiency above 23% and open-circuit voltage of 1.01 V, demonstrating that spalled germanium does not need to be returned to a pristine, polished state to achieve high-quality device performance.

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