Células solares de silicio amorfo: obtención, caracterización y modelización

Abstract

[spa] La memoria presentada aborda la problemática de las células solares basadas en el silicio amorfo hidrogenado (a-Si: H), tanto desde el punto de vista experimental (obtención y caracterización) como desde un punto de vista más fundamental: se propone un nuevo modelo de la distribución energética de los estados electrónicos en el a-Si:H y se estudia por medio de análisis numérico las implicaciones en el funcionamiento de la célula solar de a-Si:H tanto de dicho modelo como de las hipótesis más habituales sobre la estructura electrónica del a-Si:H. 1) Estructura electrónica del a-Si:H: Se ha desarrollado el modelo de la distribución energética de los defectos en el a-Si:H basado en las hipótesis de la Teoría química de formación de defectos cuando se admite que éstos son el resultado de reacciones de difusión del hidrógeno. El modelo se basa en la descripción mecánico-estadística de los diferentes estados del hidrógeno en la red de a-Si:H, incluyendo el concepto de "defect pool" y la dependencia de las energías de formación con el nivel de Fermi (o los pseudo-niveles de Fermi). Se demuestra que la expresión obtenida para la densidad de estados es válida tanto en condiciones de equilibrio electrónico como en condiciones de desequilibrio estacionario. El modelo conduce a una nueva imagen de la densidad de estados de defecto en el a-Si:H y a una nueva interpretación de los efectos metaestables. La distribución energética de estados, en el a-Si:H intrínseco y en estado no degradado, se descompone en tres bandas no correlacionadas según la carga eléctrica del defecto. La densidad de defectos cargados es muy superior a la densidad defectos neutros. La degradación del material se explica por la transferencia del hidrógeno que satura defectos neutros con energías en el centro del "gap" hacia los defectos cargados y energías cercanas a los bordes de las bandas de conducción y valencia. Se demuestra que el modelo permite explicar los diferentes fenómenos relacionados con la formación de defectos que se han observado en el a-Si:H: i) el comportamiento térmicamente activado de la densidad de defectos neutros; ii) la dependencia de la distribución energética de los defectos con la posición del nivel de Fermi, y iii) el efecto Staebler-Wronski y, más concretamente, la dependencia con la temperatura y la intensidad de iluminación de la densidad de defectos fotoinducidos. 2) Obtención y caracterización de células solares p-i-n de a-Si:H: Se ha contribuido a la puesta a punto de un reactor de depósito de a-Si:H, mediante plasma RF, que permite obtener células solares de estructura p-i-n. El reactor está dotado de un portasustratos giratorio automatizado que facilita el depósito de las diferentes capas de la célula. Se ha puesto a punto, también, el sistema experimental de caracterización fotoeléctrica de las células solares obtenidas: tanto para la medida básica de la característica tensión-intensidad balo iluminación como para las medidas más fundamentales de respuesta espectral. El depósito y posterior caracterización de los dispositivos ha permitido determinar las condiciones tecnológicas que permiten obtener células solares basadas en la homounión p-i-n de a-Si:H con buenas características fotoeléctricas, el rendimiento máximo alcanzado esta en el rango del 5%. La dilución de diborano, durante el depósito de la zona p, parece ser el parámetro tecnológico relacionado con dicha capa que más afecta a las propiedades del dispositivo. Para niveles de concentración superiores al 1 %, el comportamiento de la célula empeora de forma significativa. En este caso, la disminución del rendimiento se debe, sobre todo, a los bajos valores del factor de forma de la curva V-I. El aumento del espesor de la zona p se traduce siempre en una disminución de la intensidad en cortocircuito, debido a la disminución de la respuesta espectral a las longitudes de onda más corta; lo que demuestra que en la homounión p-i-n de a-Si:H la zona p se comporta como una zona de muerte para los portadores fotogenerados en ella. El aumento del espesor de la zona p también implica un ligero aumento de la tensión en circuito abierto, aunque esto sólo es cierto para concentraciones moderadas de diborano: inferiores al 1%. En general, el aumento del espesor de la zona i implica un aumento del rendimiento debido a la mayor absorción y, como consecuencia, al mayor valor de la intensidad en cortocircuito. En las curvas de eficiencia cuántica esto se traduce en un aumento de la respuesta a las longitudes de onda más larga. Este comportamiento puede depender de la calidad electrónica de la zona i. En especial, se ha estudiado el efecto de la temperatura de depósito de la zona i, encontrándose una notable influencia de dicho parámetro en las propiedades fotoeléctricas de las células. La disminución de la temperatura de depósito de la zona i implica, en general, el aumento de la tensión en circuito abierto. Sin embargo, para muy balas temperaturas de depósito el rendimiento de la célula empeora debido a la disminución de la intensidad en cortocircuito y el factor de forma. El comportamiento de la célula solar de a-Si:H es particularmente sensible a las condiciones de depósito durante las primeras etapas de crecimiento de la zona i. En particular, se encuentra un aumento significativo de la tensión en circuito abierto con el aumento de la potencia RF o con la utilización de un plasma en régimen gamma en lugar de régimen alfa. Las propiedades del material utilizado en la zona n no parecen tener una influencia significativa en el comportamiento de la célula. No obstante, en el conjunto de muestras realizadas se observa, en general, un ligero aumento de la tensión en circuito abierto y la intensidad en cortocircuito con el aumento del espesor de la zona n. Se ha comprobado en diferentes series de espesor de zona p, que los cambios en la respuesta espectral producidos por la iluminación de fondo apenas dependen de dicho espesor. Por el contrario, se observa una notable influencia del espesor de la zona i y de la zona n: al aumentar dichos espesores, la respuesta del dispositivo se hace más sensible a la iluminación de fondo. Estos cambios dependen de las características del material intrínseco: a balas temperaturas de depósito la iluminación de fondo implica la disminución de la respuesta espectral; a medida que se aumenta la temperatura de depósito, la situación se invierte y la iluminación supone una disminución de la respuesta espectral. 3) Simulación del funcionamiento de la célula solar p-i-n de a-Si:H: Se ha desarrollado el programa de simulación del funcionamiento de una estructura p-i-n de a-Si:H. El programa resuelve de forma simultánea la ecuación de Poisson para el potencial eléctrico y las ecuaciones de continuidad para el transporte de electrones y huecos. Incluye las estadísticas electrónicas que describen el estado de ocupación y la velocidad de recombinación para los distintos tipos de defectos en el a-Si:H: la estadística de Simmons-Taylor para los estados en las colas de las bandas y la estadística de ScockIey-Last para el enlace no saturado. El programa permite simular con facilidad cualquier tipo de medida fotoeléctrica; y puede utilizarse para analizar las implicaciones de las distintas hipótesis sobre la densidad de estados en el a-Si:H. La simulación de la operación de la célula p-i-n de a-Si:H demuestra el papel determinante de los defectos electrónicos (en particular, del enlace no saturado) en dicha operación. Se han estudiado las implicaciones del modelo convencional de la densidad de estados. En este caso, los resultados indican que deben revisarse los parámetros o hipótesis más habituales empleados en la descripción del a-Si:H. Con dichos parámetros se demuestra que la zona p de la célula no se comporta como una zona de muerte para los portadores fotogenerados en ella, en contra de lo observado experimentalmente. Se han analizado tres posibles causas que podrían provocar este comportamiento: i) la existencia de un potencial de contacto en la zona p, ii) la disminución de la movilidad de los portadores en las zonas dopadas y) iii) el aumento de la sección eficaz de captura de los defectos cargados. Los estudios preliminares de la influencia del modelo de la densidad de estados basada en la Teoría química de formación de defectos en el funcionamiento de la estructura p-i-n demuestran como la dependencia de la densidad de estados con la posición del nivel de Fermi provoca, para la temperatura de equilibrio, el apantallamiento del campo eléctrico en el interior de la zona intrínseca. La imagen de la estructura p-i-n que predice la Teoría química es bastante diferente a la supuesta más habitualmente: en condiciones de equilibrio, el campo eléctrico es claramente no uniforme, siendo muy intenso en las interfases p-i e i-n y prácticamente nulo en el interior de la zona i. El modelo termodinámico de la densidad de defectos puede incorporarse en el programa de simulación para analizar los efectos metaestables en las células p-i-n de a-Si:H. Los primeros resultados demuestran que la iluminación de la célula provoca un incremento importante de la densidad de defectos neutros (centros de recombinación) en el interior de la zona i y, como consecuencia, el empeoramiento del rendimiento debido a la disminución de la I(se) y el FF.

[eng] A general and straightforward analytical expression for the defect-state-energy distribution of a-Si:H is obtained through a statistical-mechanical treatment of the hydrogen occupation for different sites. Broadening of available defect energy levels (defect pool) and their charge state, both in electronic equilibrium and non-equilibrium steady-state situations, are considered. The model gives quantitative results that reproduce different defect phenomena, such as the thermally activated spin density, the gap-state dependence on the Fermi level, and the intensity and temperature dependence of light-induced spin density. An interpretation of the Staebler-Wronski effect is proposed, based on the "conversion" of shallow charged centres to neutrals near the middle of the gap as a consequence of hydrogen redistribution. In this work we also present results of computer simulation of the behaviour of amorphous silicon p-i-n structures including our statistical model of the DOS of a-Si:H. These ideas have important implications for the understanding of the behaviour of p-i-n solar cell structures, where the dependence of the gap-state on the Fermi level should cause a low defect density in the middle of the i-layer but a dramatic increase towards the contacts. The model also has implications in the interpretation of the degradation of p-i-n devices, where the saturated spatially-variant gap-state depends on the operation conditions of the device. Compared with other defect pool models, the explicit use of hydrogen chemical potential (mi-H) allows us a more realistic description: it is clear that the chemical-equilibrium will be attained only when mi-H becomes constant along the p-i-n structure.