Técnicas avanzadas de caracterización de materiales semiconductores y de celdas solares de película delgada

Tesis

Resumen *

Para la fabricación de una celda solar eficiente, es necesario poder realizar una caracterización detallada de las propiedades ópticas y eléctricas de los materiales semiconductores que conformaran el dispositivo fotovoltaico. Para ello es necesario contar con técnicas de caracterización que permitan evaluar de manera efectiva tanto la calidad de los materiales semiconductores, como de las celdas solares fabricadas con los mismos. En la presente Tesis Doctoral se investigan las propiedades de películas delgadas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H), de perovskitas híbridas orgánicas-inorgánicas (POI), y de los dispositivos fotovoltaicos fabricados a partir de estos semiconductores. Se emplean para ello técnicas experimentales y modelos matemáticos que permiten tener una caracterización precisa sobre los materiales y dispositivos.Las técnicas empleadas a lo largo de esta Tesis Doctoral se enmarcan dentro de los métodos de caracterización de propiedades optoelectrónicas de los materiales semiconductores y dispositivos fotovoltaicos. Las propiedades ópticas permiten determinar los parámetros característicos de los semiconductores con aplicaciones fotovoltaicas, como índice de refracción, energía de la banda prohibida (Eg), coeficiente de absorción (α) y espesor. Por otro lado, las propiedades eléctricas como movilidad de los portadores (µ), energía de activación (EA) y longitud de difusión (Ld), de la mano con la conductividad eléctrica a oscuras y la fotoconductividad, brindan una visión completa sobre la calidad de las películas delgadas estudiadas.La combinación de las propiedades ópticas y eléctricas permiten cuantificar la calidad de las películas delgadas semiconductoras. Para la caracterización de los dispositivos solares, se realizan mediciones de curvas Corriente-Tensión, que permiten evaluar los parámetros básicos del dispositivo solar, y mediciones de Eficiencia Cuántica Externa (EQE), tanto en su versión clásica (cortocircuito) y como con campo eléctrico aplicado, las que permiten obtener información sobre la calidad de las diferentes regiones que conforman el dispositivo solar.En los primeros capítulos se detallan conceptos y definiciones sobre los materiales semiconductores con aplicaciones fotovoltaicas. En el Capítulo 1 se hace una breve descripción histórica acerca de las películas delgadas de silicio amorfo hidrogenado, las perovskitas orgánicas-inorgánicas y las celdas solares basadas en estos materiales. Se desarrollan aspectos teóricos necesarios para comprender las técnicas empleadas. En el Capítulo 2 se describe el método de fabricación del a-Si:H y las técnicas experimentales de caracterización de los materiales semiconductores, como así también las técnicas mediante las cuales se determina la calidad de las celdas solares.Los dos siguientes capítulos son desarrollados sobre las películas delgadas de silicio amorfo hidrogenado. En el Capítulo 3 se realiza una caracterización de las propiedades optoelectrónicas de películas delgadas de a-Si:H intrínsecas y dopadas tipo-n, con la finalidad de ser usadas en la construcción de dispositivos fotovoltaicos. Este estudio permitió la fabricación de celdas solares de a-Si:H, las cuales son caracterizadas en el Capítulo 4 mediante mediciones de las curvas I-V y EQE clásica y con tensión aplicada. Estos resultados son modelados mediante el software D-AMPS-1D, lo cual permite extraer información adicional sobre la concentración y densidad de defectos que limitan la eficiencia de las celdas.Los Capítulos 5 y 6 son desarrollados sobre las POI. En el Capítulo 5, se realiza un estudio de fotoconductividad sobre la perovskita CH3NH3PbI3 depositada sobre diferentes sustratos, permitiendo discernir entre los diferentes mecanismos de pérdida y recombinación de estos materiales cuando se encuentran bajo iluminación. En el siguiente capítulo se realiza un estudio sobre la estabilidad de celdas solares de perovskita (CSP) con diferentes arquitecturas (PIN y NIP), haciendo uso principalmente de la técnica de EQE. Esto permite observar la degradación de las diferentes zonas que conforman los dispositivos solares, y cómo esto limita la eficiencia de dichas celdas.Finalmente, en el Capítulo 7 se realizan las conclusiones sobre esta Tesis Doctoral y se describen las perspectivas de trabajo futuro. Información suministrada por el agente en SIGEVA