Development of GaInP/GaInAs/Ge TRIPLE-junction solar cells for CPV applications

Resumen

La concentración fotovoltaica (CPV) es una de las estrategias más prometedoras para reducir el coste de la electricidad de origen fotovoltaico, y está basada en células multiunión de alta eficiencia. En este contexto, esta Tesis trata sobre el desarrollo de células monolíticas de triple unión (GaInP/Ga(In)As/Ge) para sistemas de CPV. Para ello, se ha transferido una estructura de doble unión de GaInP/GaAs -previamente desarrollada en el grupo de Semiconductores III-V del IES-UPM- a un sustrato de Ge. Además, dicha estructura semiconductora se ha seguido desarrollando para poder explotar todo el potencial de la misma como dispositivo fotovoltaico de alta eficiencia. El proceso de desarrollo de la célula de triple unión se ha llevado a cabo de una manera integral, i.e., se han abarcado aspectos desde el punto de vista de la preparación de la superficie de Ge en un reactor MOVPE, hasta la optimización de la célula de triple unión, pasando por el desarrollo independiente de cada una de las subcélulas que conforman la célula de triple unión. En primer lugar, se aborda el crecimiento de semiconductores III-V en sustratos de Ge en un reactor MOVPE. Se lleva a cabo la caracterización de diversas superficies que resultan de interés para el crecimiento epitaxial por MOVPE, incluyendo la superficie de Ge limpia, la terminada con monohidrógeno, la terminada con As y por último la terminada con P. Además, se desarrolla una nueva heteronucleación de GaInP en Ge, que es necesaria para poder optimizar la subcélula de Ge. En ambos aspectos, se presta especial atención a la señal de RAS, que permite un control y caracterización in situ de las superficies de Ge y del crecimiento epitaxial de GaInP en Ge. A continuación, cada subcélula de la célula de triple unión se desarrolla y analiza de manera independiente. En primer lugar, se muestra cómo se crea la unión del Ge durante la heternonucleación de GaInP y se incluye una caracterización de las células de Ge resultantes. Adicionalmente, se aborda la medida de la eficiencia cuántica de la subcélula de Ge en una estructura completa de triple unión, prestando especial atención al efecto no trivial que tiene la baja tensión de ruptura de la célula de Ge. Respecto a la subcélula de Ga(In)As, para mejorar su fotocorriente -respecto la estructura doble previa-, se desarrolla una unión túnel de alto ancho de banda prohibida. Además, se incluye un 1 % de In en la estructura para tener una subcélula perfectamente ajustada en red con el sustrato de Ge. Por otro lado, para mejorar el funcionamiento de la subcélula de GaInP, se estudia el crecimiento de GaInP con Sb. De esta manera, su energía de banda prohibida (i.e., su voltaje de circuito abierto) se incrementa, ya que se reduce el orden de tipo CuPt en la subred del grupo III del GaInP. Como dicho orden puede ser controlado con el uso de Sb, se incluye también un estudio del funcionamiento de la subcélula de GaInP en función de su grado de orden. Finalmente, se presentan los cuatro diseños más representativos de las células solares de triple unión desarrolladas en esta Tesis, en donde los desarrollos parciales previamente descritos son introducidos de manera gradual en la estructura semiconductora para poder analizar su impacto en el funcionamiento de la célula solar de triple unión. Las células solares se analizan mediante medidas de eficiencia cuántica, curvas I-V y medidas en concentración. Como resultado final, se ha obtenido una célula solar con una eficiencia calibrada del 39.2 % a 400 soles, lo que sitúa la tecnología de célula solar del IES-UPM a niveles internacionales del estado del arte.