Author: JOSE DE JESUS MARTINEZ BASILIO

Desarrollo de celdas solares de heterounión c-Si / a-Si:H

JOSE DE JESUS MARTINEZ BASILIO (2011)

This work is focused on the design, manufacture and characterization of pin and nip heterojunction solar cells. These solar cells were made on crystalline silicon with depositions of intrinsic and doped hydrogenated amorphous silicon thin films, at low temperatures (< 200 ºC) by means of the Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) Technique.

Nip solar cells were made on p-type crystalline silicon with an intrinsic buffer layer and n-type hydrogenated amorphous silicon thin film. A layer of Oxide Tin Film was deposited as a transparent conductive oxide (TCO). The metal contacts were formed by aluminum evaporation. Pin solar cells were made on n-type crystalline silicon with an intrinsic buffer layer and p-type hydrogenated amorphous silicon thin film. The characterization was carried out by obtaining the current - voltage curves under illumination using a lamp with a known irradiance. In this way, the short circuit current density (Jsc), the open circuit voltage (Voc) and efficiency were obtained.

Also, an analysis about the effect of varying the flow rates of phosphine and diborane in the deposition of the amorphous films (n and p type, respectively) was performed, aiming to study their influence in the characteristics of the performance of the solar cells. It has found that the best efficiency was achieved with the deposition of an a-Si:H thin film doped with diborane with flow of 10 sccm. It was found that the main limiting factor in the efficiency of the cells was a high resistance due to the non ohmic metal-semiconductor contacts. Several techniques were used to reduce the series resistance in the cells and therefore increase the fill factor and the efficiency. However, that was not achieved in a satisfactory way.

Moreover, a simulation study was performed in the cells, varying the resistance value of the back metal-semiconductor contact. It was found that a resistance value of above 10 - 20 Ωcm2 results in a fill factor very small and consequently in a very low efficiency of the solar cells. Finally, we can conclude that the developed process in the present thesis, has the potential to fabricate cells with better characteristics and larger efficiencies, once that the large series resistance has been reduced.

En el presente trabajo se realizó la fabricación y caracterización de celdas solares de hetero unión nip y pin. Las cuales fueron fabricadas sobre sustratos de silicio cristalino, donde posteriormente se depositaron películas delgadas de silicio amorfo intrínseco y silicio amorfo dopado, a bajas temperaturas (≤ 200ºC) por medio de la técnica de Depósito Químico en Fase Vapor Asistido por Plasma (PECVD).

Para la fabricación de celdas nip se utilizaron sustratos de silicio cristalino tipo p, sobre el cual se depositó una película delgada de a-Si:H intrínseco y, posteriormente, una película delgada de silicio amorfo hidrogenado dopado con fósforo, es decir a-Si:H tipo n, como capa anti reflejante se utilizó una película de Óxido de Indio Estaño ITO (Indium Tin Oxide) y finalmente, los contactos metálicos se realizaron por medio de evaporación de aluminio. Las celdas pin se fabricaron sobre silicio cristalino tipo n, sobre el cual se depositaron películas delgadas de silicio amorfo intrínseco y silicio amorfo dopado con boro, es decir a-Si:H tipo p . La caracterización se llevó a cabo por medio de la obtención de curvas corriente voltaje bajo iluminación, usando una lámpara de irradiancia conocida. De esta manera se extrajeron los parámetros de la densidad de corriente de corto circuito (Jsc), el voltaje de circuito abierto (Voc) y la eficiencia del dispositivo.

También se realizó un análisis sobre el efecto al variar los flujos de los gases dopantes en las películas amorfas (tipo n y p, respectivamente), con el objetivo de estudiar su influencia en las características de desempeño de las celdas fabricadas. Los resultados obtenidos muestran que el mejor desempeño de la celda se obtuvo al depositar una película de a-Si:H dopado

con boro con un flujo de 10 sccm, logrando obtener una eficiencia del 5.8%. Se encontró que la principal limitante de la eficiencia de las celdas solares fabricadas fue una alta resistencia en serie debido a los contactos no óhmicos metal-semiconductor y/o al efecto de tener una película intrínseca de un grosor mayor a 5 nm. Se utilizaron distintas técnicas para reducir la resistencia en serie en las celdas y de esta manera lograr un mayor factor de llenado y una mayor eficiencia. Sin embargo no fue posible reducirla.

Para confirmar que la resistencia en serie estaba limitando el funcionamiento de las celdas solares, se realizaron diversas simulaciones.

Master thesis

Solar cells Pn junctions Design CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA

Desarrollo e Investigación de un proceso de fabricación de celdas solares basadas en la tecnología del c-Si

JOSE DE JESUS MARTINEZ BASILIO (2017)

Electricity generated by solar energy conversion, is considerated one of the alternatives sources most promising and clear than can substitute the fossil fuels. By the photovoltaic effect, solar cells can covert solar radiation into electricity, for that reason the study and development has become in a topic of interest in recent years. By its advantages over other technologies, silicon is presented as ideal technology for the fabrication of Photovoltaics devices. However, in order to use solar cells in many countries as sustainable energy production is necessary reduce the production costs. The aim of this research work was to establish a fabrication process of simple structures of solar cells based in the crystalline silicon (c-Si) technology, maintaining competitive conversion efficiencies (12-15 %). The Spin-On Dopant Filmtronics SOD-P509 was used as n-type liquid source in the pn junction formation of the solar cells, a thin lm of silicon dioxide (SiO2) was deposited as single layer anti-reflection coating and aluminum (Al) was used for the metal contacts formation. Under this conditions an efficiency of 7.9 % was obtained. In order to improve the performance of the devices fabircated, techniques as surface texturization and back surface eld (BSF) were incorporated into the fabrication process. The surface texturization was made by alkaline solutions using the potassium hydroxide (KOH) as etchant solution in order to reduce supercial reflection losses. While the BSF was created by the aluminum diffusion in the rear side of the solar cells with the purpose of reducing surface recombination at the rear side of the devices. Conditions under which the highest efficiency of this work was reached: 14%.

La electricidad generada por medio la conversión de la energía solar, es considerada

como una de las fuentes alternas más prometedoras y limpias que puede sustituir

el uso de combustibles fósiles. Por medio del efecto fotovoltaico las celdas solares

poseen la capacidad de transformar la radiación solar en energía eléctrica, por lo

que su estudio y desarrollo se ha vuelto un tema de gran interés en años recientes.

Por sus diferentes ventajas, el silicio se presenta como la tecnología idónea para la

fabricación de los dispositivos fotovoltaicos. No obstante, para que las celdas solares

puedan ser ampliamente utilizadas en la mayoría de los países, es necesario reducir

los costos de producción.

Inicialmente, este trabajo de investigación se enfocó en establecer un proceso de

fabricación de estructuras simples de celdas solares, basadas en la tecnología del silicio

cristalino, tratando de mantener eciencias de conversión competitivas (12-15 %).

Para ello se utilizó una fuente líquida dopante tipo n (SOD-P509) en la formación de

la unión np de las celdas solares, una capa anti-reflejante sencilla a base de dióxido

de silicio (SiO2), y contactos metálicos hechos de aluminio (Al). Condiciones bajo

las cuales se obtuvieron eciencias del 7.9 %.

Posteriormente, y con el objetivo de incrementar el rendimiento de los dispositivos

fabricados; se incorporaron técnicas como el texturizado superficial y la formación

de un campo posterior (BSF) al proceso de fabricación. El texturizado se realizó por

medio de soluciones alcalinas utilizando el hidróxido de potasio (KOH) como solución

grabante, para tratar de disminuir las pérdidas por reflexión superficial. Con el

fin de disminuir la velocidad de recombinación superficial en la parte posterior de

las celdas, se incorporó una etapa para crear un campo posterior (BSF), mediante

la difusión de una película de aluminio en la parte trasera de los dispositivos. Bajo

estas condiciones se logró alcanzar un 14 % de eciencia en las celdas.

Doctoral thesis

Solar cell Spin on dopant Efficiency surface texturized Back surface field. CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA ELECTRÓNICA