Hopeakontaktien valmistaminen resistiivisesti höyrystämällä III-V puolijohdeaurinkokennoihin

Auringonvalon yhä tehokkaampi hyödyntäminen energiantuotannossa on mahdollista uusien aurinkokennoteknologioiden ansioista. III-V puolijohteisiin perustuvat moniliitosaurinkokennot omaavat huomattavasti paremman hyötysuhteen verrattaessa perinteiseen piiteknologiaan perustuviin aurinkokennoihin. III-V puolijohdemateriaalien kustannuksia voidaan kompensoida pienentämällä aurinkokennojen pinta-alaa ja moninkertaistamalla aurinkokennolle osuvan auringonvalon intensiteetti edullisten optisten komponenttien avulla. Auringonvalon keskittäminen asettaa vaatimuksia esimerkiksi aurinkokennojen metallikontakteille, joista tarvitsee valmistaa paksumpia, jotta kasvavan virrantuoton aiheuttamia häviöitä voidaan pienentää. Tässä kandidaatintyössä tutkittiin, kuinka hopean resistiivinen höyrystäminen sopii aurinkokennon metallikontaktien valmistamiseen elektronisuihkuhöyrystämisen sijaan. Merkittävä etu resistiivisessä höyrystämissä on menetelmän nopeus. Työn kokeellisessa osuudessa selvitettiin sopivia parametreja hopean resistiiviseen höyrystämiseen sekä valmistettiin aurinkokennoja, joihin resistiivisesti höyrystettiin paksut hopeakontaktit. Lisäksi hopean päälle höyrystettiin elektronisuihkuhöyrystimellä ohut kultakerros, joka osoittautui käytännölliseksi hopean reaktiivisuutta suojaavaksi rakenteeksi. Resistiivisesti höyrystettyä hopeaa karakterisoitiin optisella mikroskoopilla, SEM- ja AFM-kuvauksella sekä adheesiotesteillä. Hopeakontaktien toiminta aurinkokennoissa selvitettiin virta-jännite-mittauksella, joka osoitti kyseisten aurinkokennojen toimivan erinomaisesti verrattaessa referenssiaurinkokennoihin, joihin paksut kultakontaktit oli valmistettu elektronisuihkuhöyrystyksellä

Use of nanostructured alumina thin films in multilayer anti-reflective coatings

A new method for modification of planar multilayer structures to create nanostructured aluminum oxide anti-reflection coatings is reported. The method is non-toxic and low-cost, being based on treatment of the coating with heated de-ionized water after the deposition of aluminum oxide. The results show that the method provides a viable alternative for attaining a low reflectance ARC. In particular, a low average reflectivity of ∼3.3% is demonstrated in a broadband spectrum extending from 400 nm to 2000 nm for ARCs deposited on GaInP solar-cells, the typical material used as top-junction in solar cell tandem architectures. Moreover, the process is compatible with volume manufacturing technologies used in photovoltaics, such as ion beam sputtering and electron beam evaporation.acceptedVersionPeer reviewe

Optimization of reactive ion beam sputtered Ta2O5 for III–V compounds

We report the optimization of the process parameters used in ion beam sputtering of dielectric Ta2O5 thin films on III–V semiconductor surfaces, with an aim of minimizing the deterioration of semiconductor surfaces and their opto-electric performance. We demonstrate that linear tuning of the three main sputtering parameters, namely, the primary source radiofrequency power, the ion beam current, and the ion beam voltage, allows optimizing the deposition conditions of Ta2O5 minimizing the damage to the III–V surfaces. The effect of parametrization is evaluated by deposition of a Ta2O5 antireflection coating on GaAs-based multijunction solar cells employing AlGaAs and AlInP window layers. Numerical study reveals that the main source of damage is the scattered primary ions, in this case argon ions, that have not contributed to the sputtering process of the Ta2O5 at the target. Moreover, it is likely that the reactive oxygen atmosphere oxidizes the semiconductor surfaces in the initial phase of the deposition process. A similar optimization procedure should be employed for any other thin film directly deposited by reactive ion beam sputtering on III–V surfaces and optoelectronics devices to avoid deposition induced damage.publishedVersionPeer reviewe

Optical Performance Assessment of Nanostructured Alumina Multilayer Antireflective Coatings Used in III-V Multijunction Solar Cells

The optical performance of a multilayer antireflective coating incorporating lithography-free nanostructured alumina is assessed. To this end, the performance of single-junction GaInP solar cells and four-junction GaInP/GaAs/GaInNAsSb/GaInNAsSb multijunction solar cells incorporating the nanostructured alumina is compared against the performance of similar solar cells using conventional double-layer antireflective coating. External quantum efficiency measurements for GaInP solar cells with the nanostructured coating demonstrate angle-independent operation, showing only a marginal difference at 60° incident angle. The average reflectance of the nanostructured antireflective coating is 3 percentage points smaller than the reflectance of the double-layer antireflective coating within the operation bandwidth of the GaInP solar cell (280-710 nm), which is equivalent of 0.2 mA/cm2 higher current density at AM1.5D (1000 W/m2). When used in conjunction with the four-junction solar cell, the nanostructured coating provides 0.8 percentage points lower average reflectance over the operation bandwidth from 280 to 1380 nm. However, it is noted that only the reflectance of the bottom GaInNAsSb junction is improved in comparison to the planar coating. In this respect, since in such solar cells the bottom junction typically is limiting the operation, the nanostructured coating would enable increasing the current density 0.6 mA/cm2 in comparison to the standard two-layer coating. The light-biased current-voltage measurements show that the fabrication process for the nanostructured coating does not induce notable recombination or loss mechanisms compared to the established deposition methods. Angle-dependent external quantum efficiency measurements incline that the nanostructured coating excels in oblique angles, and due to low reflectance at a 1000-1800 nm wavelength range, it is very promising for next-generation broadband multijunction solar cells with four or more junctions.publishedVersionPeer reviewe

Optimized molecular beam epitaxy process for lattice-matched narrow-bandgap (0.8 eV) GaInNAsSb solar junctions

High performance narrow-bandgap GaInNAsSb solar cells are instrumental for the development of lattice-matched GaAs-based solar cells with more than four junctions. To this end a comprehensive optimization process including the effects of growth temperature, As/III beam equivalent pressure ratio, and Sb flux on the performance of 0.8 eV GaInNAsSb solar cells grown by molecular beam epitaxy is reported. For this, sets of GaInNAsSb p-i-n solar cell structures with 5–6% nitrogen compositions were fabricated, while varying the key growth parameters. The quantum efficiency and current generation increased significantly when the narrow gap materials were grown at elevated growth temperatures, close to phase separation. A further improvement in the current generation was observed by employing lower As/III beam equivalent pressure ratios. The best GaInNAsSb cell exhibited about 94% peak external quantum efficiency and generated a short-circuit current of 17.7 mA/cm2 with AM1.5D (1000 W/m2) illumination at wavelengths above 900 nm without employing a back surface reflector. Our analysis indicates that the best cell is already close to being absorption limited. While the N composition should be kept as low as possible (i.e., ≲5%) to achieve high performance, increasing the Sb flux generally results in improved the material quality, i.e., leading to a slight improvement for the open-circuit voltages and fill factors. In addition, it was found that the phase separation observed at the growth temperature of 480 °C could effectively be inhibited by employing higher Sb fluxes.publishedVersionPeer reviewe

Front contact optimization for concentrator III-V semiconductor solar cells

Photovoltaic energy systems are a promising technology for reducing the need of fossil fuels. To date, the highest efficiencies have been reached with multijunction solar cells fabricated from III–V semiconductor compounds. These devices utilize the solar spectrum effectively by dividing it into separate semiconductor layers with specified band gap energies. Compared to single-junction solar cells, the multijunction structure produces less optical and thermal losses. The world-record efficiency has been reached with a multijunction solar cell illuminated with concentrated sunlight. When sunlight is concentrated with optical elements, such as lenses and mirrors, the area of the solar cell can be significantly reduced, which results in considerable material and cost savings. When the intensity of the incident sunlight is multiplied according to the concentration factor, the amount of current produced in a solar cell increases. When the increased current flows through the semiconductor layers and through the metal contacts of the solar cell into the external load, power losses are produced. One way to compensate the power losses is by optimizing the front contact grid design. In general, the balance must be found between the resistive losses and the shadowing effect associated with the front contact. This thesis work was focused on the optimization of the linear front contact design through literature and experimental research. In the experiments, III-V semiconductor solar cells were fabricated with different contact finger spacings varying from 20 µm to 125 µm. The solar cell structures were grown by molecular beam epitaxy, and photolithographic processing in the cleanroom environment was used to prepare the solar cell devices. The fabrication of the solar cell devices was successful and reliable characterization was possible. The electrical characterization of the solar cells was focused on the top cell of a multijunction solar cell since it acts as a lateral current-spreading layer, and therefore, it can be assumed that the front contact has the most effect on the electrical behaviour of the top cell. The current-voltage behaviour of the solar cells was measured under one-sun and concentrated conditions, which showed predicted behaviour. The highest measured efficiency had the value of 13.48% with the contact finger spacing of 75 µm under the concentration level of 200×. Moreover, the electrical behaviour of the solar cells was significantly affected by increasing the concentration level from 200× to 1000× which showed the domination of resistive losses over the shadowing with the wider contact finger spacings. When the concentration factor was increased to 1000, it was observed that the optimal finger spacing giving the highest efficiency was reduced to 40 µm. For the further optimization of the properties of the front contact, a simulation model based on Mathworks Simulink-tool was developed allowing the simulations of the current-voltage behaviour of the solar cells under varying concentrated conditions. Based on the simulated results, it was shown that the good conductivity of metal becomes significant when the dimensions of the contact fingers are reduced. Therefore, the further investigation of silver-based front contacts should be considered. The dimensions of the front contact in the simulations were chosen based on the limitations set by the photolithographic fabrication technique. Based on the study conducted in this thesis work, optimized finger spacing, and the design of the front contact grid was experimentally achieved for the solar cells in concentrator use. Furthermore, these results are essential in the research on the multijunction solar cells reaching ultra-high efficiencies over 50%.Aurinkoenergian yhä tehokkaampi hyödyntäminen on välttämätöntä fossiilisten polttoaineiden korvaamisella uusiutuvilla energialähteillä. Tällä hetkellä tehokkaimmat ja korkeimman hyötysuhteen omaavat aurinkokennot valmistetaan III–V puolijohdemateriaaleista moniliitosrakenteella. Näiden aurinkokennojen toiminnan periaatteena on jakaa auringon spektri eri puolijohdekerroksille, mikä mahdollistaa aurinkokennon korkeamman hyötysuhteen sekä vähentää optisia ja termisiä häviöitä. Maailmanennätys hyötysuhde on saavutettu keskitettyä auringonvaloa hyödyntävällä III–V moniliitosaurinkokennolla. Kun auringonvaloa keskitetään edullisten optisten elementtien, kuten peilien ja linssien avulla, voidaan valmistaa hyvin pieniä aurinkokennokomponentteja, mikä laskee materiaalikustannuksia. Auringonvalon keskittäminen moninkertaistaa aurinkokennolle osuvan valon intensiteetin, mikä kasvattaa merkittävästi aurinkokennon tuottamaa sähkövirtaa. Sähkövirran kasvu aiheuttaa aurinkokennossa tehohäviöitä, kun suurempi sähkövirta kulkee puolijohdekerroksista metallikontaktien kautta ulkoiseen kuormaan. Etukontaktia optimoimalla voidaan merkittävästi vähentää syntyviä tehohäviöitä. Etukontaktin kuviointi suunnitellaan siten, että virran kerääminen tapahtuu mahdollisimman tehokkaasti aurinkokennon etupinnalta. Samalla etukontaktin aiheuttama varjostusefekti tulee minimoida. Tyypillinen etukontakti muodostaa lineaarisen sormikuvion. Tässä diplomityössä perehdyttiin etukontaktin optimointiin kirjallisuusselvityksen sekä kokeellisen tutkimuksen avulla. Kokeellisessa osassa valmistettiin aurinkokennoja erilaisilla etukontaktin sormikuvioilla, joissa sormien välitys vaihteli 20 µm:sta ja 125 µm:iin. Tutkitut aurinkokennorakenteet kasvatettiin molekyylisuihkuepitaksialla ja aurinkokennokomponentit prosessoitiin fotolitografia-menetelmällä puhdastilaolosuhteissa. Valmistettujen aurinkokennojen karakterisoinnissa keskityttiin moniliitosaurinkokennon päällimmäisen alikennoon, sillä se toimii virranlevityskerroksena, jolloin etukontaktin vaikutus näkyy kaikista selkeimmin sen sähköisissä ominaisuuksissa. Aurinkokennojen virta-jännite-käyttäytyminen mitattiin yhden auringon sekä keskitetyn auringonvalon olosuhteissa, joista korkein saavutettu hyötysuhde oli 13,48%, kun konsentraatiokerroin oli 200 ja kontaktisormien välitys 75 µm. Samalla havaittiin, että aurinkokennojen sähköisiin ominaisuuksiin vaikutti merkittävästi konsentraatiokertoimen kasvattaminen erityisesti suuremmilla kontaktisormien välityksillä, minkä pääteltiin johtuvan merkittävistä tehohäviöistä verrattuna varjostusefektiin. Kun konsentraatio kasvatettiin 1000 aurinkoon, korkeimman hyötysuhteen tuotti kontaktisormien välitys 40 µm. Etukontaktin optimointia tutkittiin myös MathWorks Simulink-ohjelmistoon perustuvalla simulaatiomallilla, jonka avulla pystyttiin laskemaan aurinkokennon sähköisiä ominaisuuksia keskitetyn auringonvalon olosuhteissa erilaisilla etukontaktien ominaisuuksilla. Simulaatiomallin tuottamien tulosten perusteella todettiin, että kontaktisormiin käytettävän metallin sähkön johtavuudella on sitä suurempi merkitys, mitä kapeampia ja matalampia kontaktisormia käytetään. Näin ollen hopea on varteenotettava metalli kontaktisormien valmistuksessa. Simuloitujen kontaktisormien mitat valittiin valmistusmenetelmien rajoitteiden mukaisesti. Tämän diplomityön kokeellisessa tutkimuksessa onnistuttiin optimoimaan etukontaktin kuviointi kontaktisormien välitystä muuttamalla keskitetyn auringonvalon aurinkokennoihin. Saatujen tulosten perusteella voidaan valmistaa yhä tehokkaampia moniliitosaurinkokennoja ja tavoitella jopa yli 50% hyötysuhdetta

Hopeakontaktien valmistaminen resistiivisesti höyrystämällä III-V puolijohdeaurinkokennoihin

Auringonvalon yhä tehokkaampi hyödyntäminen energiantuotannossa on mahdollista uusien aurinkokennoteknologioiden ansioista. III-V puolijohteisiin perustuvat moniliitosaurinkokennot omaavat huomattavasti paremman hyötysuhteen verrattaessa perinteiseen piiteknologiaan perustuviin aurinkokennoihin. III-V puolijohdemateriaalien kustannuksia voidaan kompensoida pienentämällä aurinkokennojen pinta-alaa ja moninkertaistamalla aurinkokennolle osuvan auringonvalon intensiteetti edullisten optisten komponenttien avulla. Auringonvalon keskittäminen asettaa vaatimuksia esimerkiksi aurinkokennojen metallikontakteille, joista tarvitsee valmistaa paksumpia, jotta kasvavan virrantuoton aiheuttamia häviöitä voidaan pienentää. Tässä kandidaatintyössä tutkittiin, kuinka hopean resistiivinen höyrystäminen sopii aurinkokennon metallikontaktien valmistamiseen elektronisuihkuhöyrystämisen sijaan. Merkittävä etu resistiivisessä höyrystämissä on menetelmän nopeus. Työn kokeellisessa osuudessa selvitettiin sopivia parametreja hopean resistiiviseen höyrystämiseen sekä valmistettiin aurinkokennoja, joihin resistiivisesti höyrystettiin paksut hopeakontaktit. Lisäksi hopean päälle höyrystettiin elektronisuihkuhöyrystimellä ohut kultakerros, joka osoittautui käytännölliseksi hopean reaktiivisuutta suojaavaksi rakenteeksi. Resistiivisesti höyrystettyä hopeaa karakterisoitiin optisella mikroskoopilla, SEM- ja AFM-kuvauksella sekä adheesiotesteillä. Hopeakontaktien toiminta aurinkokennoissa selvitettiin virta-jännite-mittauksella, joka osoitti kyseisten aurinkokennojen toimivan erinomaisesti verrattaessa referenssiaurinkokennoihin, joihin paksut kultakontaktit oli valmistettu elektronisuihkuhöyrystyksellä

Performance of Solar Cell Grids based on Ag, Au, and Al for Cost-Effective Manufacturing

We report on the performance of contact grids based on Ag, Al, and Au applied to III-V multijunction solar cells. We compare their their suitability as grid metals from different perspectives, including price, mass-to-conductivity ratio, and abundance. The grid functionality was evaluated by performing charge transport experiments under simulated sunlight. The best solar cell performance was obtained for Ag contacts. On the other hand, Al and Ag provide the most cost-effective approach: when compared to Au for equal conductivities, the cost for the grid material being only about 1.1% in the case of Ag, and 0.7% for Al.acceptedVersionPeer reviewe

Performance Study of Lattice-Matched Multijunction Solar Cells Incorporating GaInNAsSb Junctions with 0.7 – 1.4 eV Bandgap

We report on the progress made in the development of lattice-matched multijunction solar cells employing dilute nitride sub-cells. In particular, we report on upright four-junction architecture with bandgaps of 0.9 eV, 1.2 eV, 1.4 eV and 1.9 eV The four-junction solar cell includes two dilute nitride sub-junctions. This structure exhibited an efficiency of 29% at 1-sun AM1.5D illumination, which is the highest level reported for such architecture so far. In addition, we report on the progress in developing lattice-matched solar cell materials with a bandgap down to 0.7 eV, which enable the fabrication of highly efficient five- or six-junction solar cells on GaAs. We estimate that under 1000 suns illumination these five- or six-junction cells could reach over 50% efficiencies.acceptedVersionPeer reviewe

Wide spectral coverage (0.7–2.2 eV) lattice-matched multijunction solar cells based on AlGaInP, AlGaAs and GaInNAsSb materials

We report on the progress in developing lattice-matched GaAs-based solar cells with focus on developing AlGaInP, AlGaAs, and GaInNAsSb materials, aiming at achieving a wide spectral coverage, that is, 0.7–2.2 eV. To this end, we first benchmark the performance of an upright four-junction GaInP/GaAs/GaInNAsSb/GaInNAsSb solar cells grown by molecular beam epitaxy on p-GaAs substrates with bandgaps of 1.88, 1.42, 1.17, and 0.93 eV, respectively. The four-junction cell exhibited an efficiency of ~39% at 560-sun illumination while showing good electrical performance even up to 1000 suns. As a first step to further improve the efficiency toward 50% level, we demonstrate AlGaInP (>2 eV) and GaInNAsSb (<0.8 eV) subcells. We prove that AlGaInP cells with 0.1 Al composition would exhibit current-matching condition when being incorporated in a five-junction architecture together with two GaInNAsSb bottom and AlGaAs top junctions. Furthermore, current matching required for a six-junction tandem architecture is achieved for an Al composition of 0.26. Overall, the results open a practical path toward fabrication of lattice-matched solar cells with more than four junctions.publishedVersionPeer reviewe