Caracterización de defectos en materiales semiconductores. Aplicación al estudio de nuevos sustratos de silicio para células solares

Resumen

Introducción: En el ámbito de los dispositivos fotovoltaicos una de las figuras de mérito más importantes, si no la más importante, es la eficiencia de conversión de potencia luminosa en potencia eléctrica. Para el caso concreto de células solares de unión pn existe una cota máxima para esta magnitud, establecida por Shockley y Queisser en 1961. Esta cota es dependiente de la anchura del gap del semiconductor utilizado para la fabricación de la célula y alcanza un máximo del 40.7 % para un valor de ~1.1 eV, que se correspondería con el silicio. Sin embargo, los valores de eficiencia que alcanzan los dispositivos de estas características desarrollados hasta la fecha difícilmente han conseguido superar el 25 %. Existen fundamentalmente dos causas responsables de esta pérdida de eficiencia: el mal aprovechamiento del espectro solar y la recombinación no radiativa (vía centro profundo) de portadores debida a defectos e impurezas presentes en los sustratos de los dispositivos. En la presente Tesis Doctoral nos proponemos como objetivo principal llevar a cabo la caracterización de defectos en diferentes estructuras semiconductoras pertenecientes a este ámbito, de modo que los resultados que obtengamos sirvan para ayudar a reducir estas pérdidas. Este objetivo lo abordaremos a través de tres frentes, o líneas de investigación, diferentes. Contenido de la investigación: La primera de estas tres líneas de investigación se centra en el desarrollo de una técnica de caracterización óptica que permita obtener mapas de eficiencia en superficie de células solares. De este modo, detectando las regiones de la célula con menor valor de eficiencia estaremos en disposición de ubicar defectos presentes en el dispositivo. También nos dará la oportunidad de contrastar la calidad entre células solares de diferentes tipos. La técnica en concreto se basa en la medida de la fotocorriente inducida en la célula mediante la iluminación punto a punto con un haz monocromático emitido por un láser. La nombraremos como Técnica de Fotocorriente. Se basa en un montaje experimental denominado PMK (Photoresponse Mapping Kit) y será puesta a prueba mediante la caracterización de una colección de muestras consistentes en células solares completamente procesadas basadas en sustratos tanto multicristalinos como monocristalinos. La segunda busca ahondar más en estas pérdidas de eficiencia centrándose en la recombinación de portadores debida a la presencia de defectos e impurezas en los sustratos de las células. Más en concreto se ocupa de la detección de los niveles profundos en el gap a que dan lugar estos defectos, mediante la técnica de Espectroscopía Térmica de Admitancia, en sustratos multicristalinos y mono-like. Estos últimos son un intento de mejorar la calidad cristalográfica de los primeros, por lo que los estudios comparativos entre ambos tipos es un paso básico en su desarrollo. La tercera, y última, aborda el problema del desaprovechamiento del espectro solar. Concretamente con el estudio a fondo de sustratos de silicio en los que se ha realizado una implantación de átomos de titanio a altísimas dosis (por encima del Límite de Mott) en busca de que se forme en ellas la Banda Intermedia. Se denomina así a una banda de energía situada dentro del gap del semiconductor (en este caso del silicio) que permitiría la promoción de electrones entre la Banda de Valencia y la de Conducción en dos pasos. De este modo un dispositivo basado en un material así podría absorber fotones con energías menores que la del gap del semiconductor original. Esto permitiría romper la barrera establecida por Shockley y Queisser, pudiendo alcanzarse eficiencias de hasta el 63.1 %. Todo gracias a un mejor aprovechamiento del espectro solar. Nuestro estudio en esta línea irá encaminado a tratar de determinar si en realidad en las muestras estudiadas se llega a formar esta banda de energía, utilizando técnicas de caracterización de defectos como la ya mencionada Espectroscopía Térmica de Admitancia, la CVTT (Capacitance-Voltage Transient Technique) y la GTT (Conductance Transient Technique) . Conclusiones: A partir de todo el trabajo desarrollado las conclusiones obtenidas para cada una de las tres líneas de investigación son las expuestas a continuación. Para la primera de ellas tenemos que efectivamente hemos sido capaces de desarrollar una técnica de medida que nos proporcionará mapas de fotocorriente y eficiencia de células solares comerciales de los que en un futuro podrán llegar a obtenerse información de interés a tener en cuenta en los procesos de fabricación. Para la segunda línea tenemos que por el momento se logra evitar la existencia de fronteras de grano en los sustratos mono-like, pero no así la de otros tipos de defectos extensos, como por ejemplo las dislocaciones. Esto unido a las grandes concentraciones de átomos de hierro detectadas en ambos tipos de muestras, tanto en su forma intersticial como precipitado en los defectos extensos, conduce a que no exista una gran diferencia entre las eficiencias conseguidas con las células solares basadas en uno u otro tipo de sustrato. El principal avance que aportan las obleas mono-like es que dan la posibilidad de utilizar sobre ellas texturizados alcalinos, que no es posible aplicar sobre las multicristalinas, que reducen la reflectancia de la superficie de incidencia de la luz aumentando así la eficiencia. Y en la tercera de las líneas, los resultados no llegan a ser concluyentes, pero nos muestran una estructura de niveles de energía en el gap del silicio bastante compleja cuya distribución se rige por la Regla Meyer-Neldel propia de sistemas desordenados. Por tanto, podemos ver que el trabajo de Tesis aborda tres vías en principio muy diferentes pero que desembocan en un objetivo común: mejorar los valores de eficiencia alcanzados por las células solares del futuro. Bibliografía: - W. Shockley and H.J. Queisser, Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells. Journal of Applied Physics, Vol. 32, No. 3, 1961. - D.K. Schroder, Semiconductor material and device characterization. Second edition. John Wiley & Sons, 1998. National Renewable Energy Laboratory (NREL), Best Research-Cell Efficiencies. National Renewable Energy Laboratory (NREL). http://www.nrel.gov/ncpv/ - W. Shockley and W.T. Read, Jr., Statistics of the Recombinations of Holes and Electrons. 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