el silicio polimorfo como innovación para celdas solares a ... · dr. guillermo santana, dra....
TRANSCRIPT
Instituto de Investigaciones en Materiales
Universidad Nacional Autónoma de México
El silicio polimorfo como innovación para celdas
solares a película delgada
CONTENIDO
1. Introducción
2. Uso del diclorosilano para al obtención de nanocristales de
silicio por la técnica de PECVD.
3. Nanocristales de silicio embebidos en silicio amorfo
4. Propiedades optoelectrónicas de silicio polimorfo con
diferentes fracciones cristalinas.
5. Conclusiones
1. Introducción
Ventajas del silicio:
Abundante, material no-toxico.
Tecnologías madura para ultra alta integración basadas fundamentalmente en silicio y
en compuestos de silicio (óxidos de silicio, nitruros de silicio).
Es el Material que domina hoy en día la industria electrónica y de las celdas solares.
R.T. Collins, P.M. Fauchet, M.A. Tischler,
Physics Today, January (1997) 24.
Retos en la tecnología basada en
el silicio:
Integración optoelectrónica Emisión
eficiente de luz en diodos de silicio.
Sobrepasar la barrera del 25% de
eficiencia celdas solares basadas en
silicio Celdas solares de tercera y
cuarta generación.
Reducción de los costos y
disminución de la degradación en
celdas a películas delgadas sobre
substratos flexibles
1. Introducción
Cómo incrementar la eficiencia en una celda solar?
Solar Cell
Capa
Antirreflejante (Si3N4) nc-Si
E.-C. Cho et al, Advances in OptoElectronics (2007)
Article ID 69578
Absorción eficiente de los fotones
provenientes del sol Diferentes
Energías!
Celdas Solares tipo Tandem
Ingeniería del Band Gap
Absorción del espectro solar
con celdas de materiales de
diferente Eg.
Multicapas de nanocristales de
silicio Control de la absorción
mediante QCE.
Down conversion de los fotones
ultraviolestas del espectro solar
Absorción UV PL visible
PL eficiente desde los
nanocristales de silicio.
Estructuras fotovoltaicas de alta eficiencia que utilizan
aleaciones de silicio amorfo convencional
PROBLEMAS IMPORTANTES QUE PRESENTA ESTOS DISPOSITIVOS FABRICADOS CON
SILICIO AMORFO HIDROGENADO CONVENCIONAL
• Poca estabilidad bajo insolación prolongada (Disminución importante de la eficiencia de
conversión).
• Baja calidad de la interfaz en las uniones.
• Importantes pérdidas por baja absorción de fotones infrarrojos
• Perdidas ocasionadas por recombinación superficial.
SILICIO AMORFO CON DIFERENTES GRADOS DE CRISTALIZACIÓN
Matriz totalmente amorfa Matriz amorfa con 10%
de cristalización
Matriz amorfa con 40%
de cristalización
Matriz amorfa con 40%
de cristalización
Tamaño promedio de los
nanocristales Nc= 2-5 nm
Tamaño promedio de los
nanocristales Nc= 2-5 nm
Tamaño promedio de los
nanocristales Nc= 20-50 nm
400 450 500 550 600
R=SiH2Cl
2/H
2 =0.1
RF of 50 W
Inte
nsid
ad
RA
MA
N (
u.a
)
Número de Onda (cm-1)
503 cm-1
400 450 500 550 600
R=SiH2Cl
2/H
2 =0.05
RF of 150 W
Inte
nsid
ad R
AM
AN
(u
.a)
Número de Onda (cm-1)
519 cm -1
300 350 400 450 500 550 600
R=SiH2Cl
2/H
2 =0.05
RF of 50 W
Inte
nsid
ad
RA
MA
N
(u.a
)
Número de Onda (cm-1)
480 cm -1
509 cm-1
350 400 450 500 550 600 650
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
R=0.1
RF of 100 Watt
R=SiH2Cl
2/H
2
Número de Onda( cm-1)
INT
EN
SID
AD
RA
MA
N (
a.
u.)
480 cm-1
a1 a2 a3 a4
a1= a2 > a3 > a4
1. Introducción
2. Uso del Diclorosilano
Modelo de crecimiento
H. Shirai et al, J. Non-Cryst. Solids,
266–269 (2000) 131.
Uso del diclorosilano para obtener
nanocristales de silicio por PECVD.
Especies metaestables SiClxHy altamente
reactivas con Hat.
Formación de HCl reacción exotérmica
Calentamiento local incremento de la
cristalización.
Regula la incorporación del hidrógeno y el
cloro en la película.
Estabilidad de los enlaces Si–Cl (391 kJ mol−1)
con respecto al Si–H (328 kJ mol−1) y al Si–Si
(226 kJ mol−1) El cloro actúa como enlace
terminal Limita el tamaño.
Los procesos de nucleación son muy sensibles
a la química de la superficie.
SISTEMA DE CRECIMIENTO POR PECVD
Sistema de Depósito químico en fase vapor asistido por plasma
(PECVD) diseñado en conjunto por especialistas de la UNAM y la
empresa mexicana INTERCOVAMEX para la fabricación del silicio
polimorfo nanoestructurado
B.M. Monroy et al, J. Nanosci. Nanotech, 6 (2006) 3752.
30 s 60 s
120 s 600 s c-Si
Morfología de la superficie estudiada por AFM
c-Si substrate
Glass
350 mTorr
2. Uso del Diclorosilano
500 mTorr
c-Si Quartz
SiNx Glass
Morfología de la superficie estudiada por AFM
B.M. Monroy et al, J. Nanosci. Nanotech, 6 (2006) 3752.
2. Uso del Diclorosilano
Evidencia de la cristalinidad obtenida por HRTEM
5 n m5 n m
3.6 nm
SiNx
6.9 nm
a-Si
4.0 nm
2. Uso del Diclorosilano
3. nc-Si embebidos en silicio amorfo
Caracterización Estructural: HRTEM
Química del Cloro:
nc-Si incrementan su tamaño y
la distribución de tamaños con la
potencia de RF.
Los nc-Si más grandes tienen
formas irregulares Zonas
cristalizadas
Series 2.5 25 W
5 n m
19 nm
5 n m
11 nm
5 n m
11-20 nm
3. nc-Si embebidos en silicio amorfo
Series 2.5 In summary
Series 5 150 W
2 1/ nm
5 0 n m 5 0 n m
1 0 n m
3. nc-Si embebidos en silicio amorfo
Series 5
1 0 n m1 0 n m
1 0 n m1 0 n m
For 150W the nanocrystal sizes range from 3 to 9 nm
Series 5 In summary
Caracterización Estructural: FTIR y RAMAN
No hay evidencia de enlaces del tipo Si-H.
El hidrógeno presente corresponde a enlaces
en la superficie de los nc-Si
Diferencias en la fracción cristalina como una
función de los parámetros de crecimiento
Potencia RF y dilución de hidrógeno.
4. Propiedades optoelectrónicas de silicio polimorfo
Absorción
La absorción depende
de la fracción cristalina y
del confinamiento
cuántico en nanocristales
de tamaños muy
pequeños.
4. Propiedades optoelectrónicas de silicio polimorfo
Fotoluminiscencia y
Fotoconductividad
PL debido a QCE
Excelente pasivación
superficial de los nc-Si.
La fotoconductividad se
incrementa 2 ordenes bajo
iluminación.
4. Propiedades optoelectrónicas de silicio polimorfo
5. Conclusiones
Uso del Diclorosilano como gas precursor:
Permite el control de la incorporación de hidrógeno en forma de Si-H.
Limita el tamaño de los nanocristales.
Promueve la cristalización sin necesidad de tratamientos térmicos.
nc-Si embebidos en matrices de silicio amorfo:
Regulación del contenido de hidrógeno por la introducción del cloro
durante los crecimientos.
Influencia de la fracción cristalina en las propiedades de absorción del
material y en el mejoramiento del orden estructural en la matriz.
La conductividad de las películas se incrementa mas de dos ordenes
en presencia de iluminación.
Hipótesis de estructura de celda solar a películas delgadas de silicio polimorfo
5. Conclusiones
Agradecimientos
Laboratorio de Materiales Avanzados Para su Uso en Energías Renovables:
Dr. Guillermo Santana, Dra. Betsabée Marel Monroy, Dr. Mario Fidel García,
Dra. Monserrat Bizarro, Estudiantes: M.C. Carlos Álvarez, M.C. Adriana Benítez,
M.C. Elis Mon, M.C. Luis Gómez, M.C. León Hamui, Ing. Carlos Ramos, Ing.
Jaime Lora, Lic. Fernando Castillo, Estudiante de Lic. Química Carlos I. Salas
Estudiantes Graduados: Dr. Aduljay Remolina Millan, M.C. Felix Santiago, M.C.
Luis Gómez, M.C. León Hamui
Financiamiento CONACyT-México-PAPIIT-UNAM y Proyectos -ICyTDF.
Gracias por su atención!