Título
Study of intrinsic and doped silicon-carbon films by PECVD of medium and high vacuum for solar cells
Autor
William Wenceslao Hernández Montero
Colaborador
CARLOS ZUÑIGA ISLAS (Asesor de tesis)
Nivel de Acceso
Acceso Abierto
Materias
Silicon-carbon films - (PELÍCULAS DE SILICIO Y CARBONO) Solar cells - (CÉLULAS SOLARES) PECVD - (PECVD) Medium vacuum and high vacuum - (VACÍO MEDIO Y ALTO VACÍO) Intrinsic and doped layers - (CAPAS INTRÍNSECAS Y DOPADAS) CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA - (CTI) FÍSICA - (CTI) ELECTRÓNICA - (CTI) DISEÑO DE CIRCUITOS - (CTI)
Resumen o descripción
Solar cells are the main elements for the generation of electrical energy from solar radiation. Crystalline silicon (c-Si) wafers and hydrogenated amorphous silicon films (a-Si:H) are mature technologies to fabricate silicon-based solar cells. Next-generation photovoltaics requires that materials and structures combine a high-efficiency at low-costs. Silicon could continue in this field by optimizing the structure of photovoltaic devices and improving the properties of materials. Tandem solar cells of a-Si:H/μc-Si:H/μc-Si:H and heterojunctions of a-Si:H/c-Si have demonstrated enhancement of efficiency compared to current market solar cells. On the other hand, carbon is incorporated in p-type doped silicon films or buffer layers to improve the performance of thin-film solar cells. Thus, silicon and carbon are key materials for photovoltaics. The synthesis of silicon-based films by Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) is convenient; because various forms can be obtained, for instance: amorphous, microcrystalline, nanocrystalline, quasi-epitaxial. Moreover, many factors can be tuned such as frequency, power, temperature, pressure, precursor gases, e.g., silane (SiH₄) or hydrogen (H₂). From the experimental point of view, these factors can be varied and the films can be analyzed. However, the number of experiments increases exponentially. The two-level factorial design of experiments (DOE) was implemented to find the main effects for the synthesis of silicon-based films with optimal properties for solar cells; saving time and resources. The number of experiments for intrinsic films was 8; pressure, SiH₄, and H₂ were the factors at two levels. Since these parameters allow a morphological control of the films. For the study of doped silicon films, diborane (B₂H₆) and phosphine (PH₃) gases were incorporated. Gas methane (CH₄) was used to alloy with carbon the intrinsic and doped silicon films. The factorial DOE was implemented again for the study of doped and alloyed films; low and high values for B₂H₆, PH₃, and CH₄ were set.
The structural and optoelectronic properties of the intrinsic and doped silicon-carbon films were studied. These films were synthesized by PECVD at frequencies of 110 kHz and 13.56 MHz. The reactor of low-frequency (LF) works at 110 kHz and medium vacuum (MV) of 10⁻³ Torr.
Las celdas solares son el principal elemento para la generación de energía eléctrica a partir de la radiación solar. El silicio cristalino (c-Si) y las películas de silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) son tecnologías de gran desarrollo para la fabricación de celdas solares. La próxima generación de celdas solares requiere de materiales y estructuras que combinen una alta eficiencia a bajo costo. El silicio podría continuar vigente, mejorando sus propiedades y optimizando los dispositivos. Celdas solares tipo tándem de a-Si:H/μc-Si:H/μc-Si:H y hetero-uniones de a-Si:H/c-Si han demostrado una mejora en la eficiencia. Además, el carbono se incorpora a películas tipo-p y buffer para mejorar las características de las celdas solares. Por tanto, el silicio y el carbono son claves para la energía solar. La síntesis de películas de a-Si:H por depósito químico en fase vapor asistido por plasma (PECVD, por sus siglas en inglés) es conveniente, ya que pueden obtenerse diversas morfologías: amorfa, microcristalina, nanocristalina, quasi-epitaxial. Además, pueden ajustarse varios factores, tales como: frecuencia, potencia, presión, gases precursores p.ej. silano (SiH₄) o hidrogeno (H₂). Desde el punto de vista experimental, cualquiera de estos factores se puede variar y analizar su respuesta. Sin embargo, el número de experimentos se incrementa exponencialmente. El diseño de experimentos factoriales (DOE, por sus siglas en inglés) se implementó para determinar los principales efectos en la síntesis de películas basadas en silicio; y así optimizar tiempo y recursos. El número de experimentos para las películas intrínsecas fue de 8, usando tres factores: la presión y los flujos de SiH₄ y H₂. Ya que estos parámetros permiten un control estructural de las películas. Para el estudio de las películas dopadas, se incorporaron los gases diborano (B₂H₆) y fosfina (PH₃). El gas metano (CH₄) se utilizó para la aleación con carbono. El DOE se implementó para el estudio de películas dopadas y aleadas; usando dos niveles para los gases B₂H₆, PH₃ y CH₄.
Se estudiaron las propiedades optoelectrónicas y estructurales de las películas intrínsecas y dopadas de silicio-carbono. Las películas se obtuvieron por PECVD a frecuencias de 110 kHz y 13.56 MHz. El reactor de baja frecuencia (LF) de 110 kHz alcanza un vacío medio de ~10⁻³ Torr.
Editor
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica
Fecha de publicación
febrero de 2017
Tipo de publicación
Tesis de doctorado
Versión de la publicación
Versión aceptada
Recurso de información
Formato
application/pdf
Idioma
Inglés
Audiencia
Estudiantes
Investigadores
Público en general
Sugerencia de citación
Hernández Montero, W. W., (2017). Study of intrinsic and doped silicon-carbon films by PECVD of medium and high vacuum for solar cells, Tesis de Doctorado, Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica
Repositorio Orígen
Repositorio Institucional del INAOE
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