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Tecnología de fabricación de celdas solares de silicio

amorfo hidrogenado

Walter Kehuarucho Cardenas

TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN

DE CELDAS SOLARES DE SILICIO

AMORFO HIDROGENADO

Primera edición

Enero, 2012

Lima - Perú

© Walter Kehuarucho Cardenas

PROYECTO LIBRO DIGITAL

PLD 0556

Editor: Víctor López Guzmán

http://www.guzlop-editoras.com/[email protected] [email protected] facebook.com/guzlopstertwitter.com/guzlopster428 4071 - 999 921 348Lima - Perú

PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD)

El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados.

Un libro digital, también conocido como e-book, eBook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso.

Entre las ventajas del libro digital se tienen:• su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad),• su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica),• su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural),• su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento),• su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investiga-ción de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras.

Algunos objetivos que esperamos alcanzar:• Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital.• Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta.• Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías.• El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente.• E l pe r sona l docente jugará un r o l de tu to r, f ac i l i t ador y conductor de p r oyec tos

de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electró-nicas recomendadas.• Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso.

En el aspecto legal:• Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita.• Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital.

Lima - Perú, enero del 2011

“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica” Víctor López Guzmán Editor

X Simposio Peruano de Energía Solar

TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE CELDAS SOLARES DE SILICIO AMORFO HIDROGENADO

Walter Kehuarucho Cardenas

Departamento Académico De Física Universidad Nacional San Antonio Abad Del Cusco

[email protected] La conversión directa de energía solar a energía eléctrica, utilizando celdas solares fotovoltaicas es un mecanismo utilizado y en actualidad representa una alternativa para suplir una fracción de las necesidades energéticas mundiales. En los últimos años se ha reportado una celda solar utilizando silicio amorfo hidrogenado, puede tener una eficiencia hasta 15%. El silicio amorfo absorbe fotones de alta energía (violeta -azul) rango U.V. parte de¡ visible, pero fotones rojos y amarillos no se transforman en energía eléctrica, mientras el silicio cristalino absorbe fotones de rango visible e infrarrojo. El carbono e hidrogeno elevan el valor de¡ pseudo GAP de Eg = 1,68 ev hasta 2.8 ev. Además es costo de las celdas solares no pueden competir con otras formas de transformación de energía, por ello se plantea el estudio de semiconductores de silicio amorfo hidrogenado cuyo equipo de fabricación es relativamente bajo y llegando su eficiencia experimental de conversión hasta 10% en actualidad LABORATORIO DE ENERGIA SOLAR FACULTAD DE CIENCIAS-UNI-LIMA TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE CELDAS SOLARES DE SILICIO AMORFO HIDROGENADO Hasta la fecha, la mayoría de células y módulos fotovoltaicos que se encuentran en explotación en Instalaciones de uso terrestre, emplean el silicio, en sus formas monocristalina, policristalina y amorfa, como material semiconductor de base.

El procedimiento de fabricación de las células de silicio mono o policristalino es esencialmente el mismo y comprende las siguientes etapas básicas: 1. Obtención de silicio de grado metalúrgico. 2. Purificación de¡ silicio. 3. Crecimiento de los cristales de silicio. 4. Producción de las obras de material 5. Ataque químico y texturización. 6. Formación de la unión. 7. Colocación de contactos metálicos. 8. Tratamiento antirreflexivo.

2.- CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE VARIAS TECNOLOGÍAS DE MATERIALES EN ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA TIPO DE CELULA EFICIENCIA ESTABILIDAD COSTO DE PRODUCC. Si. Monocrístal. Muy alta: 20% Excelente Muy alto Si. Policristal Alta: 20% Excelente Medio Si. Amorfo Baja: 12% Muy Baja Bajo (Monounión) Si. Amorfo Baja: 13% Baja Bajo? (Multiunión) Compuestos Muy alta 26% Excelente Extremadamente

III-V Alto Compuestos Media Buena Bajo? Policristalinos 14% Lamina Delgada Según esta tabla, las células basadas en

materiales policristalinos en lamina delgada son una opción competitiva en la producción de células colares.

A pesar de esta opción los materiales policristalinos pasa todavía por una solución de muchos problemas técnicos y científicos.


El silicio Amorfo es una opción por el costo bajo en su producción, y es alternativa en los siguientes procesos: a) Producciones de transistores en lamina

delgada. b) Conversión fotovoltaica.

3.- CONSIDERACIONES QUE SE DEBE TENER EN CUENTA PARA EL DISEÑO DE UNA CELULA SOLAR FOTOVOLTAICA. ADAPTACIÓN AL ESPECTRO SOLAR: El espectro solar sobre la superficie terrestre no es uniforme. Adaptación de energía de GAP. MINIMAS, PERDIDAS OPTICAS: Producidos por fenómenos de Reflexión-Absorción. MINIMO ESPESOR:

Por razones prácticas y económicas. Esto se consigue utilizando materiales que tengan gran capacidad de absorción de la luz.

MAXIMA GENERACIÓN DE PORTADORES DE CARGA: La η de una célula será siempre una función del numero de portadores de carga que sean

foto generados en la heterounión, por los fotones absorbidos.

MINIMAS PERDIDAS ELECTRICAS EN

LOS CIRCUITOS: MAXIMA FOTOESTABILIDAD. Esto se consigue empleando materiales que tengan resistencia a la degradación foto inducida y por lo tanto no sufran deterioro en sus propiedades.

MINIMO COSTO DE PRODUCCIÓN:

4.- SOLIDOS AMORFOS Y

SEMICONDUCTORES AMORFOS. En un cristal, la periodicidad geométrica tiene

como consecuencia la periodicidad de la energía potencia¡, entonces permite aplicar el teorema de Block, permite calcular la estructura electrónica del material.

En un sólido amorfo, las consideraciones

anteriores dejan de ser validas entonces se hacen más complicado determinar las funciones de onda y el Hamiltoniano.

Esto se debe a la ausencia de orden de largo

alcance.

DISTANCIA NO DEBE SEPARASE INTERATOM MUCHO DE SU Y POSICIÓN IDEAL ANGULOS DE ENLACE O.C.A SON IGUALES A LO LARGO DE TODA LA HAY AUSENCIA DE ESTRUCTURA O.L.A SILICIO AMORFO PARA CELULAS SOLARES ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN La interpretación de las propiedades ópticas y

eléctricas como el Si Amorfo, requiere un conocimiento de la distribución energética de sus portadores de carga (estructura electrónica), ósea la densidad de estados electrónicos en función de la energía.

Se presta muchas tensiones mecánicas internas

debidas al desorden geométrico, con la

aparición de todo tipo de distorsiones en la red: vacantes, enlaces no saturados y enlaces Si - H.

La carencia del O.L.A inherente en sólidos amorfos da como resultado las colas de bandas, de conducción y valencia, que depende de la cantidad de desorden. La anchura del Pseudo GAP depende críticamente de las condiciones de fabricación esencialmente de la concentración de H. ⇒ según MOTT ← Pseudo GAP.


DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DE LA DENSIDAD DE ESTADOS EN SEMICONDUCTORES

AMORFOS ( DIAGRAMA DE BANDAS) Estas tensiones se relajan en gran medida por

la distorsión de los ángulos de enlace y por la incorporación de H.

No solo satura los enlaces, sino sirve de puente entre At. de Si.

DOS ATOMOS DE Si UNIDOS ENTRE Si POR PUENTES DE H

MODELO DE LA DENSIDAD DE ESTADOS: La determinación completa de la estructura de densidad de estados de un material requiere: El conocimiento de la posición de equilibrio

de átomos (estructura atomiza). Sus modos normales de vibraciones

(Estructura fonones). Estructura electrónica excitada.


* Supone que las colas de las bandas penetran profundamente el GAP de energía y se traslapan. µ(E): movilidad cambia varios ordenes de magnitud. ** Las colas de las bandas no penetran profundamente en el GAP de energía, si no que se extienden en el orden de 0.1 ev. Dentro del GAP. Y como es no cristalino contiene imperfecciones, tales como Daglind Bond, vacancias. *** Recientemente mediciones experimentales, especialmente mediciones de fotoconductividad, efecto de campo y mediciones de µ dan una imagen más detallada de los estados de a - Si: H. La banda central esta dividida en dos: - Una de niveles de impurezas y defectos aceptores y otra de donadores entre las cuales esta anclado el nivel de Fermi. (EF). La estructura electrónica real es más compleja por ello los modelos aproximados son de gran utilidad en la interpretación de las propiedades ópticas y eléctricas de silicio amorfo. Diferentes gases se pueden mezclar con el silano: Si.H4 por ejemplo C. Ge. y Fluor. La incorporación del hidrogeno en el a.Si (a.Si:H). Puede hacer variar el GAP. De 1.5 eV. Hasta 2.0 eV. Porque: la energía de enlace de Si.H > Si.Si. CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA EN SEMICONDUCTORES AMORFOS. En a. Si existen 3 posibles mecanismos de conducción. - Conductividad total depende de la temperatura.

- A temperaturas bajas, la conducción ocurre por

saltos entre estados localizados cerca Nf. Denominada conductividad por saltos en Rango variables.

- A temperaturas altas, los portadores pueden ser excitados a través M borde de movilidad en estados extendidos la conductividad de los E. Ext. Es dominante.

a) CONDUCCIÓN POR ESTADOS EXTENDIDOS:

La conductividad para cualquier semiconductor es:

∫ ∂∂

−= dEEEfKTEENe )()()( µσ

.......(1) f(E): Función de distribución Fermi-Dirac.

1

exp1)(−

−+=

KTEEEf F

usando la relación:

[ ]

[ ]∫∞

−=⇒

−−=∂

∂

CE

dEEfEfEENe

KTEfEfEEf

)(1)()()(

/)(1)()(

µσ..(2)

Contribución de los

electrones a la conductividad


En el modelo de Davis-Mott, la energía de Fermi esta situada cerca del medio del GAP. Y suficientemente lejos de Ec. ∴ Ec - EF >> KT ← la σ es por e- situados en B. Móvil entonces se puede usar la estadística de Boltzman, para describir la ocupación de estados:

][ KTEEEf F /)(exp)( −−=

Si se supone que tanto la densidad de estados como la movilidad son constantes dentro de la banda de conducción, se puede escribir:

−−=

KTEE FC )(expminσσ

...........(3)

KTEEeN )()(min µσ =

minσ : es la conductividad mínima para una energía situada en el borde de la movilidad.

minσ : esta usualmente en el orden 200-300 (Ωm). La diferencia Ec - EF muestra para a-Si una dependencia lineal con la T.

aFC ETEEE =−=−⇒ γ0

La expresión para σ es:

KTE

o

o

e−

=σσ ................(4) Eo ← Es la distancia en energía a T = O°K. σo = σmin eγK (es independiente de la T) para (a.Si) γ =(4-8)x 10-4 eV/°K. ⇒ una gráfica Lnσ ∀ 1/T permite obtener la energía de activación del proceso Eo y el valor N(EC), en el borde Movil.

b) CONDUCCIÓN EN LAS COLAS DE LAS BANDAS. Si las funciones de onda con EA < E < EC (cola de la banda de conducción) son localizados, lo cual significa que la conducción entre estos estados solo puede realizarse por saltos térmicamente activados (hopping conductivity), en este proceso un e

intercambia energía con un fonon cuando se mueve de un estado localizado a otro. ⇒ la movilidad es:

−

=

KTW

KTeRE f exp

61)(

2

νµ ...(5)

donde: : Frecuencia fononica (≈10fν 13 S -1) R: Es la distancia promedio de

salto. W: (≈ KT) diferencia de energías

entre 2 estados localizados. ⇒ La movilidad es del orden 10-2 cm2/VS < estados extendidos. la dependencia de σ con la T, se puede hallar con la ayuda de la relación 1. Si suponemos una variación de la densidad de estados en la cola de la banda, como:

SAS

AC

C EEEE

ENEN )()(

)()( −−

=

⇒ La σ, para el caso de una variación lineal de la densidad de estados (S = 1), se escribe como:

+−−=

KTWEE FA )(exp1σσ .....(6)

Donde:

)(611exp1 22

1 Cf ENReKT

EKT

Eνσ

∆+

∆−−=

∆E =EC - EA , es el rango de penetración de la banda en el Pseudo GAP. A pesar de que W como σ1 depende de T se espera una dependencia lineal. Ln σ ∀ 1/T.


SISTEMA DE DEPOSICIÓN GLOW DISCHARGE REACTIVO GLOW DISCHARGE REACTIVO. GLOW DISCHARGE D.C. - Es una técnica más usada para la deposición de

a-Si: H, es la descomposición del silano SiH4 por descarga plasmatica.

Desde el punto de vista de las propiedades fotovoltaicas, el método de GLOW-DISCHARGE D.C. de SiH4 es el mas comúnmente empleado en la fabricación de celdas solares de silicio amorfo.

- En el proceso los átomos del material a depositar son introducidos al plasma formado parte de un

compuesto gaseoso. Este se descompone debido al alto voltaje.

DESCARGAS A TRAVÉS DE GASES: Como descarga a través de un gas se entiende como el paso de corriente eléctrica a través de un volumen que contiene gas, las condiciones previas para este paso de corriente son: a) Algunas de las partículas de¡ gas deben estar

ionizadas por cualquiera de los medios disponibles.

b) Debe existir un campo eléctrico que arrastre las partículas cargadas producidas, originándose de este modo la corriente.

EL PLASMA FÍSICO: Es conocido que el condiciones normales todos los gases no conducen corriente eléctrica y son aisladores. No obstante, dada una temperatura alta (≈ 104 °C) o bien un campo eléctrico fuerte, las propiedades de¡ gas cambia de modo sustancial, este se ioniza convirtiéndose en un buen conductor de electricidad. En el transcurso de la ionización los átomos y moléculas neutras del gas pierden parte de sus e- y se transforman en partículas de carga +, es decir en iones. Observar: figura de deposición Glow-Discharge. DEPOSICIÓN DE LAS MUESTRAS Y CALCULOS: Con la debida limpieza, el cuidado necesario y a la vez pesados los sustratos, se procedió de la siguiente manera: Masa inicial: ms= 5,28700 gr. Masa Final: msd= 5,29655 gr. CONDICIONES DE PREPARACIÓN Presión de deposición (Promed) : 200 militorr.


Corriente de plasma (Promed) : 50.5 mA. Voltaje : 1420 v. Temperatura del sustrato : 200 °C. Presión de flujo de gas H : 90 kg-f/cm2

Tiempo de deposición : 109 h. Campo eléctrico : 142 v/cm Resultado de la muestra : muy bueno.


CALCULO DEL ESPESOR DE LA MUESTRA:

Como el Si. esta en abundancia que el H. ⇒ se aproxima a la ρ del Si.

SAmeρ∆

=⇒ , ssd mmm −=∆

ρs : ρ promedio de la muestra

cme209976,3900955,0

=

me µ43,2= DETERMINACIÓN DEL TIPO DE CONDUCTIVIDAD. Se usa un equipo llamado sonda Seebeck. Se calienta con 6 V y con 0,5 A. Se obtuvo semiconductores de tipo “P”. Observar Fig. (α)

MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA


La muestra obtenida se corta un pedazo con diamante. Se sacan 2 conexiones con hilos delgados de

Cu. Cuya separación debe ser 2 - 4 mm. Aproximadamente. Para realizar un contacto Oh mico entre el

semiconductor y los hilos de cm. Se suelda con Ag. Dejar que seque 24 h. La conductividad de la película puede

calcularse con la relación:

ARL

m

=σ

We

LRmρ

=

medidas en la muestra: donde:

e = 0,000243 cm. ρ: Resistividad electrica.

L = 0,045375 cm. ρ: 1/σ

W = 0,00044 cm. A = We (sección transv.)

2m cm(0,000243))(0,00044)(6R

0,045375cmΩ

=σ

119

m

10)(R

424382,716 −−− Ω

×

Ω= cmσ

T °C 1/T (°51 3,08650 3,09649 3,10648 3,11547 3,12546 3,13545 3,14544 3,15543 3,16542 3,17541 3,18540 3,19539 3,20538 3,21537 3,22636 3,23635 3,24734 3,25733 3,26832 3,279

DATOS DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA

K)-1 Rm (G Ω) σ (1/cm Ω) Ln(σ) E-03 2,61 1,63E-04 -8,7242 E-03 2,89 1,47E-04 -8,8261 E-03 3,11 1,36E-04 -8,8995 E-03 3,39 1,25E-04 -8,9857 E-03 3,63 1,17E-04 -9,0541 E-03 3,90 1,09E-04 -9,1259 E-03 4,19 1,01E-04 -9,1976 E-03 4,44 9,56E-05 -9,2555 E-03 4,69 9,05E-05 -9,3103 E-03 4,99 8,50E-05 -9,3103 E-03 5,26 8,07E-05 -9,3723 E-03 5,54 7,66E-05 -9,4250 E-03 5,83 7,28E-05 -9,4769 E-03 6,04 7,03E-05 -9,5279 E-03 6,27 6,77E-05 -9,5633 E-03 6,47 6,56E-05 -9,6007 E-03 6,67 6,36E-05 -9,6321 E-03 6,79 6,25E-05 -9,6803 E-03 6,92 6,13E-05 -9,6993 E-03 7,10 5,98E-05 -9,7250

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCOCUSCO

X SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLARX SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR

TECNOLOGTECNOLOGÍÍA DE FABRICACIA DE FABRICACIÓÓN DE N DE CELDAS SOLARES DE SILICIO CELDAS SOLARES DE SILICIO

AMORFO HIDROGENADOAMORFO HIDROGENADO

emailemail: kewa505@: [email protected]

Lic. D. WALTER KEHUARUCHO CARDENASLic. D. WALTER KEHUARUCHO CARDENAS --UNSAACUNSAAC

La conversión directa de energía solar a energía eléctrica, utilizando celdas solares fotovoltaicas es un mecanismo utilizado y en actualidad, representa una alternativa para suplir una fracción de las necesidades energéticas mundiales.

En los últimos años se ha reportado una celda solar utilizando silicio amorfo hidrogenado, puede tener una eficiencia hasta 15%.

El silicio amorfo absorbe fotones de alta energía (violeta -azul) rango U.V. parte del visible, pero fotones rojos y amarillos no se transforman en energía eléctrica, mientras el silicio cristalino absorbe fotones de rango visible e infrarrojo.

El carbono e hidrogeno elevan el valor del pseudo GAP de Eg = 1,68 evhasta 2.8 ev. Además el costo de las celdas solares no pueden competir con otras formas de transformación de energía, por ello se plantea el estudio de semiconductores de silicio amorfo hidrogenado cuyo equipo de fabricación es relativamente bajo y llegando su eficiencia experimental de conversión hasta 10% en actualidad.

RESUMENRESUMEN

Hasta la fecha, la mayoría de células y módulos fotovoltaicos que se encuentran en explotación en Instalaciones de uso terrestre, emplean el silicio, en sus formas monocristalina, policristalina y amorfa, como material semiconductor de base.

El procedimiento de fabricación de las células de silicio mono o policristalino es esencialmente el mismo y comprende las siguientes etapas básicas:

1. Obtención de silicio de grado metalúrgico.

2. Purificación de silicio.

3. Crecimiento de los cristales de silicio.

4. Producción de las obras de material semiconductor de base.

5. Ataque químico y texturización.

6. Formación de la unión.

7. Colocación de contactos metálicos.

8. Tratamiento antirreflexivo.

TECNOLOGTECNOLOGÍÍA DE FABRICACIA DE FABRICACIÓÓN DE CELDAS SOLARES DE N DE CELDAS SOLARES DE SILICIO AMORFO HIDROGENADOSILICIO AMORFO HIDROGENADO

BajoBuenaMedia 14%CompuestosPolicristalinosLamina Delgada

Extremadamente AltoExcelenteMuy alta 26%Compuestos III-V

BajoBajaBaja: 13%Si. Amorfo(Multiunión)

BajoMuy BajaBaja: 12%Si. Amorfo(Monounión)

MedioExcelenteAlta: 20%Si. Policristal

Muy altoExcelenteMuy alta: 20%Si. Monocrístal.

COSTO DE PRODUCC.COSTO DE PRODUCC.ESTABILIDADESTABILIDADEFICIENCIAEFICIENCIATIPO DE CELULA TIPO DE CELULA

CARACTERCARACTERÍÍSTICAS BSTICAS BÁÁSICAS DE VARIAS TECNOLOGSICAS DE VARIAS TECNOLOGÍÍAS AS DE MATERIALES EN ENERGDE MATERIALES EN ENERGÍÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.A SOLAR FOTOVOLTAICA.

Según esta tabla, las células basadas en materiales policristalinos en lamina delgada son una opción competitiva en la producción de células colares.

A pesar de esta opción los materiales policristalinos pasa todavía por una solución de muchos problemas técnicos y científicos.

El silicio Amorfo es una opción por el costo bajo en su producción, y es alternativa en los siguientes procesos:

a.- Producciones de transistores en lamina delgada.

b.- Conversión fotovoltaica.

CONSIDERACIONES QUE SE DEBE TENER EN CUENTA PARA EL CONSIDERACIONES QUE SE DEBE TENER EN CUENTA PARA EL DISEDISEÑÑO DE UNA CELULA SOLAR FOTOVOLTAICA.O DE UNA CELULA SOLAR FOTOVOLTAICA.

ADAPTACIÓN AL ESPECTRO SOLAR.

El espectro solar sobre la superficie terrestre no es uniforme. Adaptación de energía de GAP.

MINIMAS, PERDIDAS OPTICAS.

Producidos por fenómenos de Reflexión-Absorción.

MINIMO ESPESOR.

Por razones prácticas y económicas. Esto se consigue utilizando materiales que tengan gran capacidad de absorción de la luz.

MAXIMA GENERACIÓN DE PORTADORES DE CARGA.

La η de una célula será siempre una función del numero de portadores de carga que sean foto generados en la heterounión, por los fotones absorbidos.

MINIMAS PERDIDAS ELECTRICAS EN LOS CIRCUITOS.

MAXIMA FOTOESTABILIDAD.

Esto se consigue empleando materiales que tengan resistencia a la degradación foto inducida y por lo tanto no sufran deterioro en sus propiedades.

MINIMO COSTO DE PRODUCCIÓN.

DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DE LA DENSIDAD DE ESTADOS EN SEMICONDUCTORES AMORFOS ( DIAGRAMA DE BANDAS)

( )EN ( )EN

( )EN( )EN

EECC EECC

EECCEECC

EEVV

EEVV

EEVV

EEVV

EEBB EEFF EEAA

EEFF

EEFF EEFF

B.CB.CB.VB.V

DAVIS-MOTT-MODIF.

COHEN-FRITZCHEDAVIS-MOTT

OVSHINKY

ESTADOS EXTEND

ESTADOS LOCALIZ

D Ap n

1969 1970

MODELO DE LA DENSIDAD DE ESTADOSMODELO DE LA DENSIDAD DE ESTADOSLa determinación completa de la estructura de densidad de estados de un material requiere:

El conocimiento de la posición de equilibrio de átomos (estructura atomiza).

Sus modos normales de vibraciones (Estructura fonones).

Estructura electrónica excitada.

CONDUCTIVIDAD ELCONDUCTIVIDAD ELÉÉCTRICA EN SEMICONDUCTORES CTRICA EN SEMICONDUCTORES AMORFOSAMORFOS

a.a. CONDUCCICONDUCCIÓÓN POR ESTADOS EXTENDIDOS.N POR ESTADOS EXTENDIDOS.

La conductividad para cualquier semiconductor es:

....... (1)....... (1)

f(E): Función de distribución Fermi-Dirac.

usando la relación:

....... (2)....... (2)

( ) ( ) ( )dE

EEfKTEENE ∫ ∂

∂−= µσ

( )1

exp1−

−+=

KTEEEf F

( ) ( ) ( )[ ]KT

EfEfEEf −−=

∂∂ 1

( ) ( ) ( ) ( )[ ] dEEfEfEENeCE∫∞

−= 1µσ

σσ: Contribución de los electrones a la conductividad

En el modelo de Davis-Mott, la energía de Fermi esta situada cerca del medio del GAP. Y suficientemente lejos de Ec.

∴ Ec - EF >> KT ← la σ es por e- situados en B. Móvil entonces se puede usar la estadística de Boltzman, para describir la ocupación de estados:

Si se supone que tanto la densidad de estados como la movilidad son constantes dentro de la banda de conducción, se puede escribir:

σσminmin : es la conductividad mínima para una energía situada en el borde de la movilidad.

σσminmin : esta usualmente en el orden 200-300 (Ωm).

( )

−−=

KTEEEf Fexp

−−=

KTEE FCexpminσσ

( ) ( )KTEEeN CC µσ =min

....... (3)....... (3)

Entonces la expresión para σσ es:

Eo ← Es la distancia en energía a T = O°K.

⇒ una gráfica Lnσ ∀ 1/T permite obtener la energía de activación del proceso Eo y el valor N(EC), en el borde Movil.

La diferencia Ec - EF muestra para a-Si una dependencia lineal con la T.

aFC ETEEE =−=− γ0

KTE

e0

0

−= σσ ....... (4)....... (4)

Keγσσ min0 = es independiente de la T

para (a.Si) γ =(4 - 8)x 10-4 eV/°K.

b.b. CONDUCCICONDUCCIÓÓN EN LAS COLAS DE LAS BANDAS.N EN LAS COLAS DE LAS BANDAS.

Si las funciones de onda con EA < E < EC (cola de la banda de conducción) son localizados, lo cual significa que la conducción entre estos estados solo puede realizarse por saltos térmicamente activados (hopping conductivity), en este proceso un e- intercambia energía con un fonon cuando se mueve de un estado localizado a otro.

⇒ la movilidad es:

donde:

νf : Frecuencia fononica (≈1013 S-1)

R : Es la distancia promedio de salto.

W : (≈ KT) diferencia de energías entre 2 estados localizados.

⇒ La movilidad es del orden 10-2 < estados extendidos.

( )

−

=

KTW

KTeRE f exp

2

61νµ

VScm 2

....... (5)....... (5)

⇒ La σσ, para el caso de una variación lineal de la densidad de estados (S = 1), se escribe como:

donde:

∆E =EC - EA , es el rango de penetración de la banda en el PseudoGAP.

La dependencia de σ con la T, se puede hallar con la ayuda de la relación 1. Si suponemos una variación de la densidad de estados en la cola de la banda como:

( )( ) ( ) ( )SAS

AC

C EEEE

ENEN −−

=

+−−=

KTWEE FAexp1σσ

( )Cf ENReKT

EKT

E 221 6

11exp1 νσ

∆+

∆−−=

....... (....... (66))

A pesar de que WW como σσ11 depende de T se espera una dependencialineal.

Ln σσ ∀ 1/T.

GLOWGLOW DISCHARGEDISCHARGE D.CD.C::

Es una técnica más usada para la deposición de a-Si: H, es la descomposición del silano SiH4 por descarga plasmatica.

Desde el punto de vista de las propiedades fotovoltaicas, el método de GLOW-DISCHARGE D.C. de SiH4 es el mas comúnmente empleado en la fabricación de celdas solares de silicio amorfo.

En el proceso los átomos del material a depositar sonintroducidos al plasma formando parte de un compuesto gaseoso.

Este se descompone debido al alto voltaje.

SISTEMA DE DEPOSICISISTEMA DE DEPOSICIÓÓN GLOW DISCHARGE REACTIVO N GLOW DISCHARGE REACTIVO GLOW DISCHARGE REACTIVO.GLOW DISCHARGE REACTIVO.

DESCARGASDESCARGAS AA TRAVTRAVÉÉSS DEDE GASESGASES::

Como descarga a través de un gas se entiende como el paso de corriente eléctrica a través de un volumen que contiene gas, las condiciones previas para este paso de corriente son:

a. Algunas de las partículas de¡ gas deben estar ionizadas por cualquiera de los medios disponibles.

b. Debe existir un campo eléctrico que arrastre las partículas cargadas producidas, originándose de este modo la corriente.

ELEL PLASMAPLASMA FFÍÍSICOSICO: :

Es conocido que el condiciones normales todos los gases no conducen corriente eléctrica y son aisladores. No obstante, dada una temperatura alta (≈ 104 °C) o bien un campo eléctrico fuerte, las propiedades de¡ gas cambia de modo sustancial, este se ioniza convirtiéndose en un buen conductor de electricidad. En el transcurso de la ionización los átomos y moléculas neutras del gas pierden parte de sus e- - y se transforman en partículas de carga +, es decir en iones.

Observar: figura de deposición Glow-Discharge.

DEPOSICIDEPOSICIÓÓNN DEDE LASLAS MUESTRASMUESTRAS YY CALCULOSCALCULOS::

Con la debida limpieza, el cuidado necesario y a la vez pesados los sustratos, se procedió de la siguiente manera:

Masa inicial: ms= 5,28700 gr.

Masa Final: msd= 5,29655 gr.

CONDICIONESCONDICIONES DEDE PREPARACIPREPARACIÓÓNN::

Presión de deposición (Promed) : 200 militorr.

Corriente de plasma (Promed) : 50.5 mA.

Voltaje : 1420 v.

Temperatura del sustrato : 200 °C.

Presión de flujo de gas H : 90 kg-f/cm2

Tiempo de deposición : 109 h.

Campo eléctrico : 142 v/cm

Resultado de la muestra : muy bueno.

CALCULO DEL ESPESOR DE LA MUESTRACALCULO DEL ESPESOR DE LA MUESTRA

Como el Si. esta en abundancia que el H. ⇒ se aproxima a la ρρ del Si.

ρs : ρ promedio de la muestra

SAmeρ

∆=SSd mmm −=∆,

cme209976,3900955,0= me µ43,2=

Se usa un equipo llamado sonda Seebeck.

Se calienta con 6 V y con 0,5 A.

Se obtuvo semiconductores de tipo “P”.

DETERMINACIDETERMINACIÓÓN DEL TIPO DE CONDUCTIVIDADN DEL TIPO DE CONDUCTIVIDAD

La muestra obtenida se corta un pedazo con diamante.

Se sacan 2 conexiones con hilos delgados de Cu. Cuya separación debe ser 2 - 4 mm. Aproximadamente.

Para realizar un contacto Oh mico entre el semiconductor y los hilos de cm. Se suelda con Ag. Dejar que seque 24 h.

MEDICIMEDICIÓÓN DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICAN DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA

medidas en la muestra: donde:

e e = 0,000243 cm. ρρ : Resistividad electrica.

LL = 0,045375 cm. ρρ : 1/σσ

WW = 0,00044 cm. AA = We (sección transv.)

La conductividad de la película puede calcularse con la relación:

ARLm

=σWe

LRρ=

( )( )( ) 2000243,000044,06045375,0

cmRcm

m Ω=σ

( )11910716,424382 −−− Ω

×

Ω= cm

Rm

σ

DATOS DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICADATOS DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA

T °C 1/T (°K)-1 Rm (G Ω) σ (1/cm Ω) Ln(σ)51 3,086E-03 2,61 1,63E-04 -8,724250 3,096E-03 2,89 1,47E-04 -8,826149 3,106E-03 3,11 1,36E-04 -8,899548 3,115E-03 3,39 1,25E-04 -8,985747 3,125E-03 3,63 1,17E-04 -9,054146 3,135E-03 3,90 1,09E-04 -9,125945 3,145E-03 4,19 1,01E-04 -9,197644 3,155E-03 4,44 9,56E-05 -9,255543 3,165E-03 4,69 9,05E-05 -9,310342 3,175E-03 4,99 8,50E-05 -9,310341 3,185E-03 5,26 8,07E-05 -9,372340 3,195E-03 5,54 7,66E-05 -9,425039 3,205E-03 5,83 7,28E-05 -9,476938 3,215E-03 6,04 7,03E-05 -9,527937 3,226E-03 6,27 6,77E-05 -9,563336 3,236E-03 6,47 6,56E-05 -9,600735 3,247E-03 6,67 6,36E-05 -9,632134 3,257E-03 6,79 6,25E-05 -9,680333 3,268E-03 6,92 6,13E-05 -9,699332 3,279E-03 7,10 5,98E-05 -9,7250


Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para

la Descontaminación y Desinfección de Agua

Cusco, 17 al 22 de noviembre de 2003

Seminario Internacional

Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo

Cusco, 26 - 27 de abril de 2004

Ministerio de Industria y Turismo

Municipalidad Provincial del Cusco

Ministerio de Energía y Minas

Asociación Peruana de Energía Solar

(APES)

Universidad Nacional San Antonio Abad del

Cusco

Editado por: Manfred Horn

Juan Rodriguez

Patricia Vega

Auspician Salir

Universidad Nacional de Ingeniería

tecnología de fabricación de celdas solares de silicio ... · laboratorio de energia solar ... -...

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