Fabricación de nanocontactos para células solaresinvisibilidad y resonancias plasmónicas

Resumen

Los dispositivos opto-electrónicos, tales como las células solares, las pantallas planas y los diodos LED, necesitan contactos eléctricos en la cara frontal por la que entra o sale la luz del dispositivo. Estos contactos causan pérdidas por reflexión y absorción de luz (sombra) y por resistencia eléctrica. En una primera aproximación estas pérdidas son contrapuestas, lo que mejora la sombra empeora la resistencia y viceversa. Hasta ahora esto se ha entendido como un compromiso inevitable que limita la eficiencia de conversión energética de los dispositivos opto-electrónicos: disminuir las pérdidas por resistencia eléctrica implica necesariamente aumentar las pérdidas ópticas por sombra. Esta tesis se ha encaminado a tratar de superar esta dificultad a través de la nanoestructuración de la malla de contacto frontal, con especial énfasis en el caso de las células solares de concentración. El objetivo es poder reducir simultáneamente las pérdidas por sombreado y resistencia en serie de la malla. Hemos encontrado, en base a experimentos, teoría y simulaciones, que para tamaños de linea pequeños, en el umbral del régimen de Rayleigh, pero no lo suficientemente pequeños como para que se den las resonancias plasmónicas más intensas, los contactos hacen menos sombra de la que corresponde a su área geométrica. Se puede decir que los contactos se vuelven parcialmente invisibles. En la primera parte se presenta la influencia de la malla en las pérdidas por resistencia en serie y se escoge la reducción del espaciado entre líneas como alternativa a desarrollar. Se muestra que la ganancia puede ser de un 4 por ciento absoluto para mallas con líneas de anchura entre 400 y 600 nm con periodos de 10 a 20 micras. En la segunda parte se estudia la transmisión óptica de dichas mallas: como las anchuras de línea son comparables a las longitudes de onda incidentes, la aproximación de la óptica geométrica no es válida. Este estudio se hace mediante simulaciones FDTD de campo completo debido a la complejidad del problema. Se ha encontrado que pese a la complejidad del problema hay una expresión simple de la forma ax+b/x que describe la evolución de la eficiencia de sombreado en función de la anchura de la línea. Esta expresión muestra que la anchura óptima para las líneas en términos ópticos está también entre los 400 y 600 nm, rango en el que se pueden reducir las pérdidas por sombreado del 3 al 1,8 por ciento. En la tercera parte se desarrolla un procesado de fabricación que permite la fabricación de dichas mallas de manera efectiva, reproducible y escalable. Se han tenido que superar tres grandes dificultades: el elevado grosor de la capa de contacto, la alta relación de aspecto de las líneas y hacer que el proceso sea escalable industrialmente. A tal efecto se han utilizado metalizaciones no penetrantes, la definición de los patrones se ha hecho mediante litografía UV, tanto de contacto como de interferencia láser, se ha hecho uso de una capa sacrificial de SiOx y se ha dividido la metalización en dos etapas, con un segundo paso de metalización mediante electrodeposición. Se han fabricado mallas de Cu, Ag y Au con diversos tamaños y geometrías. En el capítulo final se ha hace una comprobación experimental de lo presentado en las dos primeras partes. Se demuestran contactos Ge/Pd/Au con resistencias de contacto al nivel del estado del arte. La reducción del periodo permite reducir las pérdidas por resistencia en serie del 5,1 al 3 por ciento. Nuestro procesado permite una mayor pureza del metal de las líneas reduciendo las pérdidas totales al 1,5 por ciento. Desde el punto de vista óptico se han demostrado mediante medidas de fotocorriente mallas con eficiencias de sombreado inferiores a la esperada en base a su geometría. Se ha llegado a obtener contactos transparentes en algún rango de anchuras y longitudes de onda. Aplicando estas propuestas al actual estado del arte, la mejora puede ascender a un 5 por ciento de eficiencia absoluta.