Resumen de Estudio de láminas delgadas de Cu(In,Ga)Se2, Cu(In1-xGax)3Se5 y Cu(In1-xGax)5Se8 crecidas por evaporación flash para la fabricación de Células Solares
Eberhardt Josué Friedrich Kernahan
Capítulo 1: ................................................1 1.1 Energía Solar Fotovoltaica............................................................2 1.2 Física de las Células Solares..............................................5 1.2.1 La unión p n....5 1.3 Células Solares basadas en compuestos de Cu(In,Ga)Se2.......................................15 1.3.1 Métodos de crecimiento de la capa de Cu(In,Ga)Se2.............................19 1.3.2 Láminas de Cu(In,Ga)Se2 con gradientes de gap: relación de Ga/(In+Ga) .........23 1.4 Propiedades de los Compuestos del Sistema I-III-VI2: Cu(In,Ga)Se2...............................................
1.4.2 Diagramas de Fases.........................................................29 1.4.2.1 El Sistema Cu-In-Se..........................................................29 1.4.2.2 El Sistema Cu-Ga-Se....................................................32 1.4.3 Propiedades Ópticas..................................................33 1.4.4 Variación del gap del CIGS con la composición........................................................35 1.4.5 Propiedades Eléctricas................................................37 1.5 Situación Actual de los dispositivos fotovoltaicos de Cu(In,Ga)Se2................38 1.5.1 Eficiencias Récords..........................................40 1.6 Objetivos del Trabajo...............................................................42 Capítulo 2: Técnicas Experimentales de Caracterización...........................................49 2.1 Perfilometría...........................................................................................50 2.1.1 Medidas de espesores de las láminas delgadas..........................................50 2.1.2 Medidas de Rugosidad...............................................................51 2.2 Caracterización Estructural.............................................................52 2.2.1 Difracción de Rayos X.........................................................................52 2.2.2 Método de Difracción de Polvo...........................................................53 2.2.2.1 Preparación de muestras para difracción de rayos X en polvo......................................56 2.2.3 Difracción de rayos X en modo de Incidencia Rasante...................................................58 2.2.3.1 Cálculo de la profundidad de penetración de los rayos X.................................................59 2.2.4 Identificación de fases.....................................................60 2.2.5 Difracción de Neutrones.....................................................................61 2.2.6 Refinamiento de la Estructura: Método de Rietveld.......................................................65 2.2.6.1 Tratamiento del fondo.....................................................69 2.3 Caracterización Morfológica y Composicional.......................................................69 vi 2.3.1 Caracterización Morfológica.......................................................69 2.3.2 Caracterización Composicional...................................................................................70 2.3.2.1 Análisis de Energías Dispersivas de Rayos X (EDAX)................................................70 2.3.2.2 Espectrometría de Masas con Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-MS).............................................................71 2.3.2.3 Fluorescencia de Rayos X por Reflexión Total............................................73 2.4 Caracterización Óptica......................................................73 2.5 Análisis Térmico (Termogravimetría)......................................................................77 2.6 Espectroscopía de Fotoelectrones (XPS)...........................................78 2.7 Evaporación Instantánea o flash........................................80 2.8 Caracterización Eléctrica....................................................82 2.8.1 Efecto Hall..................................................83 2.8.2 Tipo de Conducción de las Láminas Delgadas............................................85 2.8.3 Caracterización de las Células Solares......................................86 2.8.3.1 Medidas I-V..................................................86 2.8.3.2 Respuesta Espectral de la Células Solares............................................................87 2.9 Pruebas de Adhesión.......................................................88 Capítulo 3: Síntesis y Crecimiento de los Compuestos Cu(In1-XGaX)Se2, Cu(In1-XGaX)3Se5 y Cu(In1-XGaX)5Se8..........................................91 3.1 Preparación de las Ampollas............................................92 3.2 Limpieza y preparación de los elementos Cu, Ga, In, Se................................................94 3.3 Ciclos Térmicos de Sintetización.............................................95 Capítulo 4: Caracterización de los compuestos de Cu(In1-XGaX)Se2..............................................101 4.1 Caracterización de los compuestos de Cu(In1-XGaX)Se2...........................................101 4.1.1 Sintetización de los compuestos de Cu(In1-XGaX)Se2..........................................103 4.1.2 Composición de los compuestos de Cu(In1-XGaX)Se2.........................................103 4.1.3 Caracterización Estructural de los compuestos de Cu(In1-XGaX)Se2........................................104 4.2 Superficies polares y no polares en los compuestos de Cu(In1-XGaX)Se2.....................................104 4.2.1 Tipos de Superficies polares......................................123 Capítulo 5: Crecimiento y Caracterización de Láminas Delgadas de Cu(In1-XGaX)Se2: Temperatura de Sustrato Constante...........................................131 5.1 Crecimiento y caracterización de láminas delgadas de Cu(In1-XGaX)Se2.................................132 5.1.1. Láminas de Cu(In1-XGaX)Se2 crecidas a temperatura de sustrato y tasas de evaporación constantes...................................................133 vii 5.1.1.1 Caracterización Composicional......................136 5.1.1.2 Caracterización Estructural.......................................................141 5.1.1.3 Caracterización Morfológica.......................................151 5.1.1.3.1 Morfología de los sustratos de ITO/vidrio, Mo/vidrio y Mo/Kapton.............................................152 5.1.1.3.2 Morfología de las láminas de Cu(In,Ga)Se2..............................................................154 5.1.1.3.3 Morfología de las láminas de Cu(In,Ga)Se2 crecidas sobre membranas de alúmina...............................................160 5.1.1.3.4 Medidas de adhesión de las láminas de Cu(In,Ga)Se2 depositadas sobre diferentes sustratos.....................................................163 5.1.1.3.5 Variación de espesores.............................................................163 5.1.1.4 Caracterización Eléctrica...............................................165 5.1.1.4.1 Curvas I-V de las láminas de CIGS.............................................167 5.1.1.5 Tratamientos Térmicos...........................................170 5.1.1.6 Caracterización Óptica............................................................180 5.1.1.7 Células Solares.........................................................................185 Capítulo 6: Crecimiento y Caracterización de Láminas Delgadas de Cu(In1-XGaX)Se2: Aplicando Gradientes en la Temperatura de Sustrato................................................................191 6.1 Láminas de Cu(In1-XGaX)Se2 crecidas aplicando gradientes en la temperatura de sustrato.....................................................................................192 6.1.1 Caracterización composicional........................................................195 6.1.2 Análisis superficial por XPS..........................................198 6.1.3 Caracterización Estructural............................................204 6.1.4 Caracterización Morfológica..................................................214 6.1.5 Caracterización Eléctrica#...........................................................221 6.1.6 Caracterización Óptica..................................225 6.1.7 Células Solares.......................................................226 Capítulo 7: Crecimiento y Caracterización de Láminas Delgadas de de los Compuestos ODC Cu(In1-xGax)3Se5 y Cu(In1-xGax)5Se8....................................................239 7.1 Caracterización de los compuestos de Cu(In1-xGax)3Se5 y Cu(In1-xGax)5Se8...............................................240 7.1.1. Sintetización de los compuestos.....................................240 7.1.2. Composición de los compuestos...............................................242 7.1.3. Caracterización estructural.................................................243 7.2. Láminas delgadas de Cu(In1-XGaX)3Se5 y Cu(In1-XGaX)5Se8.....................................253 viii 7.2.1 Caracterización composicional de las láminas delgadas de Cu(In1-XGaX)3Se5 y Cu(In1-XGaX)5Se8...................................................254 7.2.2 Caracterización estructural.................................255 7.2.3 Caracterización Morfológica.................................................262 7.2.3.1 Morfología de las láminas delgadas..............................................263 7.2.3.1.1 Láminas delgadas de CuGa5Se8......................................................263 7.2.3.1.2 Láminas delgadas de CuGa3Se5................................264 7.2.3.1.3 Láminas delgadas de CuIn3Se5.......................................................264 7.2.3.1.4 Láminas delgadas de Cu(In0.50Ga0.50)3Se5.........................................................268 7.2.4 Caracterización eléctrica.....................269 7.2.5 Caracterización Óptica................................272
