Mecanismos de transporte en células solares basadas en heterouniones con silicio

Resumen

Esta tesis doctoral se enmarca dentro de la tecnología fotovoltaica basada en silicio. El silicio es un material semiconductor con unas propiedades y un desarrollo de la tecnología tales que le han convertido en el material más importante de la industria fotovoltaica. De las células solares basadas en silicio, las que han demostrado tener una mayor eficiencia han sido las células de heterounión. En esta tesis se presentan los resultados obtenidos de investigar ciertas áreas de las heterouniones de silicio. La tesis se ha estructurado sobre tres puntos clave: desarrollo de materiales, incorporación de materiales supersaturados y estudio de nuevas heterouniones en silicio. El desarrollo de los materiales se ha centrado en la fabricación de silicio amorfo hidrogenado mediante técnicas de depósito con un bajo dañado del sustrato, como son la pulverización catódica a alta presión y ECR-PECVD (electron cyclotron resonance plasma enhanced chemical vapor deposition). Se ha diseñado y montado un sistema de pulverización catódica a alta presión para depositar silicio amorfo a presiones del orden de los mbar. Mediante la técnica ECR-PECVD se ha depositado silicio amorfo hidrogenado intrínseco (i a-Si:H) de muy alta calidad. Se han obtenido intercaras i a-Si:H/c-Si con una densidad de estados superficiales del orden de 1011 cm-2eV-1, lo cual confirma la buena calidad de la pasivación. Una parte de este estudio ha sido adaptar y demostrar que el método de la conductancia utilizado en estructuras MIS (metal-insulator-semiconductor) es válido para estructuras metal/i a-Si:H/c-Si bajo ciertas condiciones. En cuanto a la incorporación de materiales supersaturados, se han fabricado células solares con una capa de silicio supersaturado con diferentes impurezas: vanadio, titanio y cromo. Estos materiales han demostrado ampliar la respuesta del silicio en el infrarrojo y por eso son buenos candidatos a aumentar la eficiencia de las células de silicio. De la caracterización eléctrica de las células fabricadas se han extraído los parámetros principales que definen la conducción de portadores en la estructura. Para ello se propone un modelo de conducción que incluye un mecanismo de limitación de corriente al clásico modelo de los dos diodos en paralelo de una célula solar. El elemento limitador está en serie con uno solo de los diodos del modelo y está relacionado con un efecto de acoplo-desacoplo eléctrico que ocurre al bajar la temperatura. Todos los resultados obtenidos en estas células son consistentes con la teoría de la banda intermedia. Al iluminar las muestras, se puede observar que se ha logrado ampliar la respuesta en el infrarrojo de la célula HIT de silicio hasta energías de 0.4 eV, aunque se ha visto que la banda intermedia no llega a estar aislada lo que supone un problema para lograr altas eficiencias. Por último, se ha estudiado el comportamiento eléctrico de una célula solar de heterounión MoOx/c-Si tipo n. Este tipo de células se encuadran dentro de las denominadas células solares de contactos selectivos. En este nuevo concepto de célula, no existe una unión p-n para separar los portadores fotogenerados. En la tesis se han estudiado a fondo los mecanismos que gobiernan la conducción en este tipo de estructuras y se ha propuesto un modelo. En dicho modelo, se definen dos caminos de conducción en paralelo: una conducción a través de la barrera entre la banda de conducción del MoOx y la banda de conducción del silicio cristalino tipo n, y un proceso túnel a través de los estados en el gap del MoOx. Este modelo es el primero que se propone para la conducción de esta heterounión en polarización directa en condiciones de oscuridad. Los resultados presentados en esta memoria contribuyen a un mayor conocimiento sobre las heterouniones con silicio, que es el primer paso para lograr un aumento en la eficiencia de conversión de las células solares de silicio.