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Development of High-Efficiency GaAs Solar Cells Grown on Nanopatterned GaAs Substrates
Crystal Growth & Design ( IF 3.2 ) Pub Date : 2021-09-16 , DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00835 John S. Mangum 1 , San Theingi 1 , Myles A. Steiner 1 , William E. McMahon 1 , Emily L. Warren 1
Crystal Growth & Design ( IF 3.2 ) Pub Date : 2021-09-16 , DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00835 John S. Mangum 1 , San Theingi 1 , Myles A. Steiner 1 , William E. McMahon 1 , Emily L. Warren 1
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One approach to reducing the cost of high-efficiency III–V devices involves adding patterned layers to heteroepitaxial or homoepitaxial substrates to facilitate substrate removal and reuse. However, few studies have focused explicitly on high-quality devices grown over patterned substrates, which is required for any cost saving to be beneficial. In this work, we demonstrate the growth of high-efficiency GaAs solar cells on GaAs substrates patterned with an array of nanoscale SiOX mask stripes. We show that reducing the pattern dimensions to submicron length scales with nanoimprint lithography enables defect-free coalescence. By varying the growth conditions, faceting of the epilayer material during overgrowth of the patterned mask was also controlled. A V/III ratio of 200 during MOVPE overgrowth produced smooth coalesced epilayers, which is desirable for the growth of subsequent device layers. Inverted GaAs front homojunction devices grown on patterned GaAs(001) substrates achieved threading dislocation densities below 5 × 105 cm–2 and maintained >23% solar cell efficiencies at one sun illumination, equivalent to control devices grown on unpatterned epi-ready substrates.
中文翻译：
在纳米图案化 GaAs 基板上生长的高效 GaAs 太阳能电池的开发
降低高效 III-V 族器件成本的一种方法是在异质外延或同质外延衬底上添加图案化层，以促进衬底移除和再利用。然而，很少有研究明确关注在图案化基板上生长的高质量设备，这对于任何成本节约都是有益的。在这项工作中，我们展示了在用纳米级 SiO X阵列图案化的 GaAs 基板上生长高效 GaAs 太阳能电池面具条纹。我们表明，使用纳米压印光刻将图案尺寸减小到亚微米长度尺度可以实现无缺陷的聚结。通过改变生长条件，还控制了图案化掩模过度生长期间外延层材料的刻面。MOVPE 过度生长期间 AV/III 比为 200 产生了光滑的聚结外延层，这对于后续器件层的生长是理想的。在图案化的 GaAs(001) 衬底上生长的倒置 GaAs 前同质结器件实现了低于 5 × 10 5 cm –2 的穿透位错密度，并在一次阳光照射下保持了 >23% 的太阳能电池效率，相当于在未图案化的外延就绪衬底上生长的控制器件。
更新日期：2021-10-06
中文翻译：
在纳米图案化 GaAs 基板上生长的高效 GaAs 太阳能电池的开发
降低高效 III-V 族器件成本的一种方法是在异质外延或同质外延衬底上添加图案化层，以促进衬底移除和再利用。然而，很少有研究明确关注在图案化基板上生长的高质量设备，这对于任何成本节约都是有益的。在这项工作中，我们展示了在用纳米级 SiO X阵列图案化的 GaAs 基板上生长高效 GaAs 太阳能电池面具条纹。我们表明，使用纳米压印光刻将图案尺寸减小到亚微米长度尺度可以实现无缺陷的聚结。通过改变生长条件，还控制了图案化掩模过度生长期间外延层材料的刻面。MOVPE 过度生长期间 AV/III 比为 200 产生了光滑的聚结外延层，这对于后续器件层的生长是理想的。在图案化的 GaAs(001) 衬底上生长的倒置 GaAs 前同质结器件实现了低于 5 × 10 5 cm –2 的穿透位错密度，并在一次阳光照射下保持了 >23% 的太阳能电池效率，相当于在未图案化的外延就绪衬底上生长的控制器件。
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