Silicon heterojunction solar cells obtained by Hot-Wire CVD

• Autores: Delfina Muñoz Cervantes
• Directores de la Tesis: Cristóbal Voz Sánchez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2008
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Castañer Muñoz (presid.), Albert Orpella García (secret.), David Soler Vilamitjana (voc.), Jordi Andreu Batallé (voc.), Pere Roca Cabarrocas (voc.)
• Materias:
  • Astronomía y astrofísica
    • Sistema solar
      • Energía solar
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología electrónica
      • Dispositivos semiconductores
  • Ciencias económicas
    • Economía sectorial
      • Energía
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • El elevado coste de producción de los módulos de silicio cristalino (c-Si) dificulta el progreso de la industria fotovoltaica como una alternativa viable para la producción de energía limpia. Por esta razón, los fabricantes de células solares buscan diferentes alternativas para conseguir la deseada reducción de costes. Una opción es reducir el grosor de las obleas (<200 m) para obtener así más obleas por lingote. Sin embargo, al reducir el grosor del sustrato es indispensable reducir también la recombinación superficial ya que ésta es crítica para mantener altas eficiencias en los dispositivos. Aunque la superficie del c-Si puede pasivarse eficientemente mediante una oxidación térmica, las obleas delgadas tiendan a doblarse en estos procesos de alta temperatura (~1000°C). También el silicio multicristalino de bajo coste sufre una fuerte degradación del tiempo de vida en el volumen a alta temperatura. Por este motivo, han ganado un especial interés los métodos alternativos de pasivación a baja temperatura.En concreto, las células solares de heterounión en que se utilizan capas de silicio amorfo (a-Si:H) depositadas a baja temperatura sobre obleas de c-Si han ganado interés en la comunidad fotovoltaica debido a su alta eficiencia y rentabilidad. Sanyo ha conseguido eficiencias de más del 19% en módulos producidos industrialmente con la estructura denominada HIT. La novedad de este dispositivo es la introducción de una capa de silicio amorfo intrínseco muy delgada (5nm) entre el c-Si y la capa dopada para reducir la velocidad de recombinación en la interfaz y conseguir tensiones de circuito abierto mayores que 700mV. La mayoría de grupos, incluido Sanyo, usan el depósito químico en fase vapor asistido por plasma de radiofrecuencia (PECVD) para obtener el silicio amorfo. Recientemente, la técnica de depósito asistida por filamento caliente (HWCVD) ha demostrado un gran potencial para fabricar células de heterounión de alta eficiencia. En la técnica HWCVD, además de algunas ventajas tecnológicas, la ausencia de bombardeo iónico reduce el daño en la superficie del c-Si mejorando así las propiedades en la interfaz.En este trabajo, hemos concentrado nuestro esfuerzo en la optimización de todos los pasos de fabricación para obtener células solares de heterounión obtenidas por HWCVD en un proceso completamente desarrollado a baja temperatura (200ºC). Primero, hemos optimizado el material obtenido por HWCVD variando los diferentes parámetros de depósito (presión, temperaturas de filamento y sustrato, flujos de hidrógeno y silano, nivel de dopaje) para obtener silicio amorfo y microcristalino de buena calidad. Se han conseguido buenas propiedades estructurales, eléctricas y ópticas tanto para material intrínseco como en capas dopadas. Posteriormente, hemos optimizado el emisor de heterounión sobre sustratos tipo p de c-Si. En particular, se ha estudiado en profundidad la influencia de la capa intrínseca de a-Si:H así como de diferentes pretratamientos superficiales del c-Si. Se han realizado estudios de microestructura con Espectroscopía por Elipsometría Óptica, y medidas de pasivación mediante Fotoconductancia en Estado Cuasiestacionario. Estos estudios han permitido optimizar los precursores de células solares hasta obtener tensiones implícitas de circuito abierto por encima de 690mV. Luego se ha desarrollado el electrodo frontal atendiendo a los requerimientos ópticos y eléctricos. Se ha optimizado la capa antirreflectante (Oxido de Indio dopado con Estaño) en términos de resistividad (<4×10-4cm) y de reflectancia. Después se ha diseñado el peine metálico frontal intentando obtener un buen compromiso entre resistencia serie y factor de sombra. Finalmente, se han fabricado células solares completas con una eficiencia de conversión de hasta el 15.4% sobre obleas de silicio CZ tipo p. En estos dispositivos se ha utilizado un contacto posterior de aluminio recocido a alta temperatura (Al-BSF).Por otra parte, hemos investigando la posibilidad de sustituir los contactos posteriores de Al-BSF por contactos depositados a baja temperatura basados en capas de silicio amorfo dopadas con boro obtenidas por HWCVD. Hemos estudiado la influencia de los diferentes parámetros de depósito así como el efecto de intercalar una capa intrínseca delgada. Hasta el momento, las células solares con doble heterounión fabricadas completamente por HWCVD han alcanzado una eficiencia de conversión del 14.5% en un proceso completo a baja temperatura (<200º C). Considerando el carácter preliminar de estos dispositivos, éste es un punto de partida realmente prometedor para células solares de heterounión bifaciales fabricadas por HWCVD.