Desarrollo de células solares multiunión de semiconductores del grupo iii-v sobre sustratos de silicio
- Autores: Pablo Caño Fernández
- Directores de la Tesis: Ignacio Rey-Stolle Prado (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Materias:
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- Resumen
El mundo de la energía solar fotovoltaica ha estado dominado por el silicio durante décadas, gracias a la abundancia de este elemento en la corteza terrestre y sus bajos costes de producción y fabricación. Sin embargo, sus récords de eficiencia se están estancando por limitaciones físicas que lo llevan a tener una eficiencia máxima teórica moderada. Actualmente el récord es de 26.7% frente al máximo alcanzable de 29.6%. Por esto, debido a que la posibilidad de mejorar es complicada, se han ido estudiando alternativas al silicio durante los últimos años. Por otro lado, las células solares multiunión formadas por semiconductores III-V han ido batiendo repetidamente los récords de eficiencia de conversión fotovoltaica año tras año (47.1% en 2019). A pesar de esto, los altos costes de las materias primas y de producción de estas células solares han limitado su uso en aplicaciones terrestres, –asequibles sólo con fotovoltaica de alta concentración (HCPV)–. Debido a esta situación, bastantes líneas de investigación están tratando de conjugar la alta eficiencia de los semiconductores III-V con el bajo coste de los sustratos de silicio en la búsqueda de una nueva generación de células solares multiunión de alto rendimiento con costes asequibles. Sin embargo, la integración de III-V sobre silicio no es directa debido a la necesidad de hacer frente a las diferentes propiedades que tienen entre ellos, como el significativo desajuste de red o la gran diferencia en el coeficiente de expansión térmica. La aproximación más directa es el uso del apilado mecánico entre las subcélulas de III-V y de silicio, que han sido producidas independientemente. Pero esta aproximación presenta algunos desafíos en términos de costes, fabricación y producción a gran escala. Una ruta diferente es la fabricación de estructuras monolíticas, en las que los grupos III-V y IV se crecen heteroepitaxialmente en un único sustrato de Si para producir células solares multiunión, que son después procesadas e integradas en módulos FV de un modo casi convencional. En la mayoría de los casos, el desarrollo de estructuras monolíticas requiere el preciso diseño de una capa amortiguadora entre los III-Vs y el silicio para acomodar los distintos parámetros térmicos y de red. En este contexto, esta tesis tiene la intención de presentar la integración de semiconductores III-V sobre sustratos de silicio a través de capas amortiguadoras, tanto de III-V como del grupo IV. De esta forma, la primera parte de la tesis engloba el crecimiento de fosfuro de galio, GaP, sobre silicio. Este compuesto presenta la constante de red más similar con el silicio de entre todas las aleaciones de III-V, lo que facilita en gran medida la integración. Se presentan los estudios previos, la preparación preliminar del sustrato y las diferentes etapas en el reactor. Se muestra también la caracterización de este GaP nucleado en silicio, incluyendo el desarrollo de la célula inferior de silicio. Posteriormente, el resto de subcélulas se podrían crecer encima. La segunda parte de la tesis presenta la integración de los III-V sobre silicio a través de aleaciones del grupo IV. Para ello, se ha desarrollado una célula solar tándem de GaAsP/SiGe sobre sustratos de silicio. Además, en esta arquitectura la aproximación se lleva a cabo a partir de capas amortiguadoras reversas, que no se habían usado para aplicaciones fotovoltaicas. En esta parte se presenta la caracterización de material, los resultados de los dispositivos y los diferentes problemas que aparecen. También se incluye una posterior mejora con la incorporación de una capa de silicio poroso.
