Consideraciones sobre las celdas solares de películas delgadas

in steemstem •  16 days ago 

Celdas Solares con Películas Delgadas 

Giovanni Marín, 11 de Febrero de 2020


La investigación que he desarrollado sobre los dispositivos optoelectrónicos se acerca cada vez más a la fabricación de un prototipo, ya sea celda solar, sensor de gas o diodo de unión p-n. En esta publicación les presento algunos avances sobre la deposición de películas delgadas de varias materiales semiconductores capa a capa para formar la unión p-n y estudiar el efecto fotovoltaico de esta heterounión. Lo más relevante es que hemos conseguido las herramientas tecnológicas para desarrollar estos dispositivos y caracterizar sus propiedades estructurales, ópticas y eléctricas en el miso campo universitario, así que ya estamos casi listos para presentar un producto tangible, en hora buena!

Las celdas solares de Silicio seguirán dominando el mercado de energía fotovoltaica por unos cuantos años más debido al dominio tecnológico que se tiene en este tipo de industria, pero el desarrollo de la investigación científica sobre otras configuraciones de disposición de las celdas y la utilización de otros materiales semiconductores que cumplan los requerimientos básicos de alto coeficiente de absorción óptica en la zona de máxima irradiancia solar, abrirán nuevas líneas de investigación para proponer un novedoso dispositivo fotovoltaico que rompa la tendencia de los paneles solares de Silicio. Desde mi óptica científica puedo afirmar que sí es posible conseguir nuevos materiales que puedan servir como dispositivos fotovoltaicos y que permitirían masificar el uso de las energías alternativas a nivel mundial a mediano plazo.



Configuración de la heterounión para la Celda Solar.
Original de iamphysical


Películas Delgadas de Semiconductores

Uno de los requerimientos básicos en este tipo de configuración es el espesor que debe tener cada capa de película delgada que permita la activación de los mecanismos de conducción eléctrica sin mayor dispersión de portadores de carga. Por los momentos, les presento un diagrama de la configuración del prototipo que deseamos desarrollar, tomando en consideración las publicaciones relacionadas con películas delgadas de CuInSe2 y CuIn1-xGaxSe2 y la eficiencia de conversión que alcanza el 20%.



Prototipo de Celda Solar CuIn1-XGaXSe2.
Original de iamphysical


Requerimientos

Necesitaremos que los materiales cumplan con ciertas condiciones:

  • Sustrato de vidrio que soporte hasta 500 ºC
  • Vidrio cubierto con FTO o con una capa de Molibdeno que actúe como contacto trasero
  • El material absorbente debe tener un coeficiente de expansión térmica del mismo orden que el sustrato de vidrio para evitar el quiebre físico
  • Debe tener un espesor entre 2 y 10 micrómetros que permitan el flujo de portadores de carga en un tiempo de vida media corto
  • Una capa de activación eléctrica del material buffer CdS de menos de 100 nm de espesor
  • El material ventana fabricado con ZnO debe tener una brecha de energía mayor que todas las demás capas para permitir la penetración de las longitudes de onda más largas



Evaporador Térmico con Película Delgada de CuInTe2
Original de iamphysical

 

Evaporación Térmica

Es una técnica de recubrimiento de superficies con materiales con punto de ebullición menores a 1500 ºC y que requiere una cámara de vacío, resistencia eléctrica de alto punto de fusión, una fuente de corriente-voltaje y un soporte para los sustratos a recubrir. En este trabajo utilizamos un evaporador térmico convencional para depositar una capa delgada (600 nm) del semiconductor CuInTe2 y CuGaTe2 sobre vidrio, ITO y FTO.

Procedimiento de deposición de Películas Delgadas.

Cada una de las capas mencionadas anteriormente requiere un proceso experimental muy particular (ya los he descrito en publicaciones recientes) y que sólo mencionaré a continuación:

Sustratos de vidrio:

  1. Normalmente se usa un sustrato de vidrio para muestras biológicas, pero también usamos ITO y FTO que son conductoras de electricidad.
  2. En el vidrio normal sí se requiere un lavado especial con mezclas de ácido nítrico y sulfúrico disueltos en agua destilada, en los otros 2 no.

Material absorbente:

  1. Por tratarse de prototipos de celdas solares de película delgada, usamos la técnica de Evaporación Térmica convencional.
  2. Vacío de 10-6 Torr, distancia de trabajo de 15 cm y entre 1 y 2 gramos de material a evaporar.
  3. Preferiblemente se debe realizar una evaporación rápida para evitar depositar elementos pesados o impurezas en la película.

Material buffer:

  1. La técnica más apropiada resultó ser la Deposición por Baño Químico, así el CdS resulta de un espesor controlado por el tiempo de deposición.
  2. La mayor adherencia se controla con un pH entre 11 y 12.

Material ventana:

  1. El ZnO se adhiere fuertemente con la capa de CdS mediante la técnica SILAR, con 300 o 400 inmersiones en la solución de deposición.
  2. Para aumentar la conductividad eléctrica debe someterse a un recocido de 30 minutos a la temperatura entre 300 y 350 ºC.


Los contactos eléctricos delanteros y trasero pueden hacerse con pintura de Plata o soldadura con Indio metálico unido a un fino alambre de Cu.


Caracterización óptica de las capas delgadas

Cada una de las películas delgadas depositadas individualmente las someto a una caracterización óptica y eléctrica para verificar los valores de la brecha de energía y la conductividad eléctrica. Sin embargo, la medida de la absorción óptica en un amplio rango de longitudes de onda sobre todas las capas delgadas depositadas una sobre la otra, me permitirá determinar el porcentaje de transmisión óptica que permita el paso de la radiación luminosa hasta el material absorbente y que se puedan activar los mecanismos de conducción de los portadores de cargas mayoritarios de cada semiconductor.



Absorbancia en capas delgadas de semiconductores.
Original de iamphysical



Cada uno de los materiales semiconductores tiene su brecha de energía que se corresponde muy bien con los valores reportados. Sin embargo, cuando forman la heterounión o unión p-n, depende de que lado incide la radiación, es decir, si entra hacia el sustrato de vidrio o sobre la superficie del material semiconductor. También, la película delgada del material absorbente tiene un recubrimiento de Cu como contacto eléctrico, lo cual incide en la determinación de la brecha de energía de ese material.

 

Prototipos de celdas solares

En un primer intento por diseñar una configuración adecuada para mi primer prototipo de celda solar lista para la medición de eficiencia de conversión, practiqué con los siguientes modelos:


Configuraciones de celdas solares.
Original de iamphysical


Aportes del artículo

En este trabajo les presenté algunos detalles experimentales para la preparación de un prototipo de celda solar dominando varias técnicas de deposición de películas delgadas de materiales semiconductores y las caracterizaciones básicas para determinar la factibilidad de observar el efecto fotovoltaico de estas heterouniones. En principio, la adherencia de las capas es muy buena, la conductividad eléctrica funciona bien entre el contacto trasero y delantero, además la brecha de energía es la reportada en otras publicaciones, así que ya me estoy preparando para presentarles algunos resultados sobre las mediciones de eficiencia de conversión al utilizar un simulador solar sobre estos prototipos de celdas solares. Hasta pronto mis estimados amigos de stem-espanol y de la comunidad científica steemstem.

 

Información en la web

Próxima Publicación.

Medidas experimentales de eficiencia de conversión en Celdas Solares de Heterounión

Autor y Redactor

Giovanni de Jesús MARÍN LOBO

Licenciado en Física, con Maestría y Doctorado en Química Aplicada, mención Estudio de Materiales.

Actividades como Investigador Científico en la Física del Estado Sólido y la Materia Condensada, especialmente en el tema de los Semiconductores desde el año 1994.

Profesor Asistente en la Universidad de Los Andes, Investigador Científico en institutos de Investigación Científica y Tecnológica durante los últimos 12 años.

En la actualidad colaboro con el Proyecto steemSTEM en la revisión de las publicaciones escritas en ESPAÑOL sobre los temas de Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas mediante las curaciones que hacemos en la comunidad STEM- Espanol.

Mi pasión por la investigación me ha llevado a proponer a los materiales semiconductores como un ente capaz de reaccionar ante los estímulos externos de presión, temperatura, corriente, voltaje, iluminación y otros mecanismos que harían saltar a una persona al sentir cualquiera de estos factores de estímulo.


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