Assessment of Ge-based virtual substrates for III-V photovoltaics
Authors:   , Orejuela Sánchez Víctor Manuel 
Published: November 2024

Silicon has been the dominant material in electronics due to its abundance and cost-effectiveness, leading to a well-established industry and widespread use. This also makes it a major component in photovoltaics, with about 95% of solar modules made from silicon. However, silicon-based photovoltaic technology is nearing its maximum efficiency, and further improvements are increasingly difficult and expensive. Consequently, researchers are exploring alternative materials. III-V semiconductors, although more costly, promise higher efficiencies. Their integration into tandem solar cells on silicon substrates is well-researched, but a 4.2% lattice mismatch between silicon and common III-V materials, such as gallium arsenide, poses a significant challenge. This mismatch causes defects that reduce the efficiency of solar devices.

To address this, one approach uses germanium, which has a similar lattice constant and thermal expansion coefficient to III-V materials. This Thesis investigates germanium-based technologies to overcome lattice mismatch challenges in silicon photovoltaic systems. It examines alternative solutions and their impact on the performance of solar devices, focusing on materials grown by MOVPE deposition.

The study initially explores two alternative substrates for III-V epitaxial deposition in tandem solar cells. The first substrate uses silicon's cost-effectiveness and availability, featuring a novel structure with an ultra-thin layer of germanium (a few nanometers thick) epitaxially grown on silicon. The research characterizes these Ge|Si virtual substrates to predict potential issues from lattice mismatch. It specifically looks at how pre-existing defects propagate into subsequent layers, such as gallium arsenide deposited by MOVPE, affecting layer quality. Initial findings show significant plastic deformation and high densities of threading dislocations in both the ultra-thin Ge layer and the gallium arsenide layer.

The second alternative involves germanium-on-nothing substrates, developed by UMICORE and IMEC, which create a predefined structure in the germanium wafer without silicon. This structure enables the detachment of a tunable thickness germanium foil (approximately 7 um in this study) after epitaxy or processing, leaving the remaining germanium substrate intact. Triple-junction solar cells (GaInP/GaInAs/Ge) were grown on these substrates and electrically characterized. These cells show high reproducibility comparable to those on standard germanium substrates, though with minor efficiency losses due to increased back surface recombination in the thin Ge subcell.

The final segment investigates arsenic diffusion during gallium arsenide deposition on germanium substrates using MOVPE. Understanding this diffusion is crucial for optimizing Ge-based virtual substrates. The study examines how pre-treatment conditions affect arsenic diffusion, noting that arsine exposure creates germanium vacancies, enhancing arsenic diffusion. Simulations confirm that arsenic diffusivity depends on concentration, with findings challenging previous beliefs by showing a linear, rather than quadratic, relationship with electron concentration, as opposed to established ion implantation studies.

RESUMEN

El silicio ha sido el material dominante en electrónica debido a su abundancia y bajo coste. Esto también lo hace el material por excelencia en energía fotovoltaica, con el 95% de los módulos solares fabricados con este material. Sin embargo, la tecnología basada en silicio está alcanzando su máxima eficiencia, y mejorarla se vuelve cada vez más costoso. Por eso, se exploran diseños y materiales alternativos como los semiconductores III-V, que aunque más caros, pueden aumentar la eficiencia. La integración de estos semiconductores, como el arseniuro de galio, en células solares en tándem sobre silicio enfrenta el reto del desajuste de red, aproximadamente del 4,2%, que induce defectos que afectan negativamente la conversión de fotones en electricidad.

Para solventar este problema, se estudia el uso del germanio, que tiene una constante de red y coeficiente de expansión térmica similares a los de los materiales III-V. Esta tesis explora tecnologías basadas en germanio para abordar el desajuste de red en sistemas fotovoltaicos basados en silicio, investigando soluciones alternativas y sus impactos en el rendimiento de los dispositivos solares, todos ellos crecidos por epitaxia MOVPE.

El estudio se enfoca en dos sustratos alternativos para la epitaxia de III-V en células solares en tándem. El primero utiliza silicio con una capa ultrafina de germanio crecida sobre él. Esta investigación se centra en caracterizar estos sustratos virtuales de Ge|Si para entender los problemas del desajuste de red y examinar la propagación de defectos en capas posteriores de arseniuro de galio. Las medidas iniciales muestran deformación plástica y una alta densidad de dislocaciones tanto en la capa de Ge como en la de arseniuro de galio depositada epitaxialmente.

La segunda alternativa son los sustratos de germanio sobre micropilares, desarrollados por UMICORE e IMEC, que permiten crear una estructura en la oblea de germanio sin depender del silicio. En este estudio, se crecieron células solares de triple unión GaInP/GaInAs/Ge sobre estos sustratos reutilizables, mostrando alta reproducibilidad y pequeñas pérdidas de eficiencia debido a la recombinación en la subcélula delgada de Ge.

Finalmente, se investiga la difusión de arsénico durante el proceso de epitaxia de arseniuro de galio en sustratos de germanio. Comprender esta difusión es crucial para optimizar los sustratos virtuales basados en Ge. El estudio analiza cómo el pretratamiento en el proceso MOVPE afecta la difusión del arsénico, observando que la exposición a arsina genera vacantes de germanio que facilitan la difusión de arsénico. Las simulaciones numéricas muestran que la difusividad del arsénico depende de la concentración y revela una dependencia lineal con la concentración de electrones, refutando el conocimiento previo que sugería una dependencia cuadrática, basada comúnmente en estudios de difusión mediante implantación iónica.