Tècniques de confinament òptic en cel·lules solars sobre substrat plàstic

Abstract

[spa] La fabricació de cèl·lules solars de silici cristal·lí utilitzant les tècniques habituals de la microelectrònica sobre oblea és una tecnologia madura que presenta, com a principal inconvenient, l'alt cost dels dispositius obtinguts. La tecnologia de silici en capa prima es presenta com una bona alternativa per tal de minimitzar el cost ja que utilitza de l'ordre d'un factor 1000 menys de silici, i permet dipositar els dispositius sobre substrats barats i flexibles mitjançant processos roll to roll de producció contínua. Les cèl·lules solars de silici en capa prima presenten una zona d'absorció activa que sol estar entorn als 250 nm i a les 2 milimicres per el silici amorf (a-Si:H) i el microcristal·lí (mi-c-Si:H), respectivament. Aquests gruixos permeten una eficient col·lecció dels portadors però impossibiliten la completa absorció de la radiació solar de longitud d'ona superior als 650 nm. L'ús d'estructures reflectores combinades amb textures nanomètriques en les capes del dispositiu i/o al substrat s'utilitzen habitualment per tal de dispersar i confinar la llum dins les cèl·lules solars i reduir al màxim la quantitat de llum que s'escapa d'elles. L'objectiu d'aquest treball ha estat obtenir substrats plàstics per ésser utilitzats en cèl·lules solars en capa prima, flexibles, de baix cost, amb una textura òptima de cara al confinament òptic de la llum dins el dispositiu i compatibles amb el dipòsit de silici de qualitat. Textures molt eficients de cara al confinament de la llum ja es troben desenvolupades sobre vidre. Aquestes textures es solen aconseguir mitjançant el dipòsit a alta temperatura de capes metàl·liques (Ag o Al) o de capes d'òxid transparent conductor (TCO). L'estratègia que s'ha seguit per assolir l'objectiu del treball no ha estat intentar reproduir aquestes capes sobre plàstics, degut a les limitacions tèrmiques d'aquests, sinó comprovar la viabilitat de copiar aquest tipus de textures sobre la superfície d'un polímer mitjançant litografia d'estampació en calent (HEL). En aquesta tècnica s'escalfa el polímer per sobre la seva temperatura de transició vítrea i es pressiona, durant un cert temps, contra un motlle per tal d'obtenir el negatiu d'aquesta superfície sobre el polímer. El polinaftalat d'etilè (PEN) ha estat el polímer que s'ha decidit utilitzar en els tests d'estampació, i com a motlles s'han utilitzat superfícies amb textures aleatòries nanomètriques i micromètriques, així com també estructures regulars consistents en piràmides i línies. En aquest treball s'ha estudiat i comparat morfològica i òpticament les superfícies dels motlles i les mostres de PEN estampades que s'han obtingut utilitzant diferents condicions de temperatura, pressió i temps. L'estudi morfològic de les textures aleatòries nanomètriques s'ha dut a terme mitjançant microscòpia de forces atòmiques (AFM) i les textures més grans s'han estudiat amb microscòpia òptica interferomètrica o microscòpia electrònica de rastreig. Dins aquesta part destaca el sistema que s'ha desenvolupat per comparar quantitativament la morfologia de les superfícies dels motlles i les mostres de PEN amb rugositat aleatòria i nanomètrica mitjançant imatges d'AFM. Aquest permet comparar estadísticament les dimensions verticals i laterals de la textura de les seves superfícies. Els motlles i les mostres de PEN texturades s'han caracteritzat òpticament mesurant la quantitat de llum reflectida i dispersada en funció de l'angle amb una fina capa de plata sobre seu. Els resultats obtinguts s'han relacionat amb la morfologia de les mostres i s'ha intentat inferir l'efecte que aquestes textures tindrien en el confinament òptic de la llum dins les cèl·lules solars. Per acabar s'ha presentat les respostes espectrals mesurades per cèl·lules solars dipositades sobre alguns dels substrats de PEN que s'han fabricat en aquest treball.

[eng] The crystalline silicon solar cells production by means of the usual microelectronic techniques is a mature technology which presents as a main drawback its high cost. The thin film silicon solar cells technology is appearing as a good alternative in order to decrease the cost of the devices because it uses 1000 times less silicon, and it allows the devices on cheap and flexible substrates using roll to roll techniques. The aim of this work was to obtain cheap flexible plastic substrates compatible with the good quality silicon deposition process to be used in solar cells with and optimum roughness to increase the device current. Very efficient textures to optical confinement have already been developed on glass. These textures are usually obtained depositing metallic or transparent conducting oxides (TCO) layers at high temperatures. The growth of these layers on plastics is very difficult because of the high required temperature (~400 ºC). Thus, the strategy has been to transfer the textures on glass to the plastics foils by means of Hot Embossing Litography (HEL). In this technique, a master, the surface of which is to be transferred is put on the plastic. Next, the entirety is heated above the plastic glass temperature, what cause the polymer to soften, making it able to adopt the master surface when a force is applied to polymer-master set during a set time. The plastic used in the stamping tests has been the polyethylene naphtalate (PEN). Several random nanometric and micrometric roughness together with regular textures have been used as masters. In this work, the surfaces of the textured PEN obtained with different stamping conditions and masters have been studied and compared morphological and optically. Finally, amorphous silicon solar cells have been deposited on the best stamped PEN samples and the obtained current gains, in comparison with flat samples, have been analysed and related with the morphology of the substrates.