Silicio policristalino para dispositivos fotovoltaicos

Tesis

Resumen *

En la presente tesis doctoral se exponen los resultados obtenidos durante la investigación desarrollada sobre la cristalización de películas delgadas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) con el objetivo de obtener capas de silicio policristalino (pc-Si) aptas para la aplicación a dispositivos fotovoltaicos. Se investigaron diferentes aspectos de la cristalización en fase sólida (SPC) y de la cristalización inducida por níquel (NIC) de a-Si:H intrínseco y dopado, depositado a altas velocidades por deposición química desde la fase vapor asistida por plasma (PECVD), con la finalidad de mejorar la calidad cristalina del material resultante. A lo largo de la investigación se buscó optimizar el proceso de cristalización en función de obtener el mayor tamaño de grano posible. Se encontró que la presencia de hidrógeno durante la cristalización de las películas por SPC afecta considerablemente al tamaño de grano final, obteniéndose un material nanocristalino con tamaño de grano menor a 1 μm. Por el contrario, mediante la cristalización por NIC se obtuvieron películas de pc-Si intrínsecas sobre vidrio con alta cristalinidad y con tamaños de grano por encima de los 100 μm. Se encontró que el dopaje leve con boro (tipo p−) no afecta al proceso de cristalización ni al tamaño de grano final de las películas, mientras que el dopaje elevado con boro (tipo p+) o con fósforo (tipo n+) influye fuertemente en el mecanismo de cristalización en perjuicio de la calidad del material resultante. Se demostró además que mediante el proceso de cristalización por NIC de películas dopadas tipo p, depositadas en estructura p+/p−, pueden obtenerse capas policristalinas con tamaños de grano considerable. Estas películas pueden actuar como capas semilla para inducir la cristalización epitaxial en fase sólida de capas de a-Si:H depositadas sobre ellas. De esta manera podrían obtenerse celdas solares policristalinas completas, de estructura vidrio/p+/p−/n+ y gran tamaño de grano. Se investigó también la posibilidad de obtener celdas solares de estructura vidrio/n+/p−/p+, para lo cual se desarrolló un proceso de cristalización epitaxial sobre una capa semilla tipo n+. Este proceso involucra el dopaje externo de una película intrínseca previamente cristalizada mediante NIC, de tal manera de subsanar las dificultades que introduce el fósforo en la cristalización. Se mostró también que las condiciones de vacío durante la cristalización por NIC de a-Si:H influyen considerablemente en la etapa de nucleación, previa a la cristalización, permitiendo reducir considerablemente el tiempo necesario para lograr la cristalización completa de las películas. Además de esto se observó una disminución del tamaño de grano final que, de todas maneras, sigue siendo relativamente grande (∼ 30 μm) y apto para la aplicación de estas películas a dispositivos fotovoltaicos. Se llevaron a cabo simulaciones simples para caracterizar el proceso de cristalización por NIC de a-Si:H, desde el punto de vista de la teoría clásica de cristalización para procesos de nucleación y crecimiento. Los resultados obtenidos durante este trabajo representan una contribución importante al campo de la cristalización de películas de a-Si:H, al conocimiento sobre el proceso de cristalización por NIC para la obtención de películas de pc-Si y a la aplicación de las mismas en dispositivos fotovoltaicos de bajo costo. La principal ventaja del pc-Si radica en que, teóricamente, permitiría lograr eficiencias de conversión de alrededor del 15% en celdas solares con espesores en el orden de 10 μm. Información suministrada por el agente en SIGEVA