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    Tesis

    Simulación y caracterización del daño por radiación en celdas solares

    2019



    TesistaJavier Andrés GARCÍA
    Licenciado en Ciencias Físicas - Universidad de Buenos Arires - Argentina
    Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
    DirectorDr. Juan PLA.   CNEA - Argentina
    Lugar de realizaciónDepartamento Energía Solar - Gerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
    Fecha Defensa30/09/2019
    JuradoDr. Marcelo Ángel CAPPELLETTI.   UNLP, CONICET - Argentina
    Dr. Adrián Néstor FAIGÓN.   UBA, CONICET - Argentina
    Dr. Pablo Eduardo LEVY.   CNEA, CONICET - Argentina
    CódigoIS/TD 129/19

    Título completo

    Simulación y caracterización del daño por radiación en celdas solares

    Resumen

    La principal fuente de energía en satélites y sondas espaciales es la provista por el Sol a través de la conversión fotovoltaica de sus paneles solares. Por este motivo es crucial, por un lado, garantizar la durabilidad de las celdas solares durante el tiempo previsto en la misión y, por otro, aumentar su eficiencia debido al continuo incremento de la demanda de energía eléctrica de sus instrumentos. El Departamento Energía Solar (DES) de la Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina (CNEA) realiza actividades de investigación y desarrollo relacionadas con el aprovechamiento de la energía solar mediante conversión fotovoltaica para aplicaciones espaciales y terrestres. La presente tesis, realizada en el DES, tiene como objetivo general cubrir la necesidad de contar con una técnica que caracterice la estructura de los defectos presentes en los semiconductores que constituyen las celdas solares, como una herramienta adicional para evaluar y predecir el daño producido por la radiación espacial sobre estas, ya que este causa la degradación de su prestación. En este marco, resulta fundamental conocer el comportamiento de los dispositivos al ser sometidos a experimentos de daño por radiación con dosis acordes con la órbita y la duración de cada misión particular, para así realizar el correcto dimensionamiento de los paneles solares.

    Dado que se desconoce el efecto de cada tipo de defecto producido por la radiación en la prestación de las celdas solares, el objetivo particular del presente trabajo es determinar experimentalmente la estructura de defectos electrónicamente activos producida en los dispositivos bajo estudio antes y después de las experiencias de daño por radiación utilizando la técnica Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS).

    Para ello se repasó la fenomenología física involucrada en la conversión fotovoltaica de la energía solar, la descripción del ambiente espacial, y el efecto producido por la radiación en los materiales semiconductores.

    Además, se estudiaron los principios básicos que regulan el funcionamiento de la espectroscopía DLTS, particularmente las propiedades de la capacidad de la juntura semiconductora y cómo se ve afectada en presencia de defectos. A partir de esto se estudió la forma de su aplicación experimental y el análisis necesario para determinar la energía de activación, la sección de captura y la densidad de los defectos a partir de los resultados experimentales.

    Utilizando este conocimiento se implementó la técnica en el DES. Dado que no se contaba con desarrollos previos, se repasaron las condiciones técnicas para su implementación, se realizaron desarrollos de hardware y software, y finalmente se realizó la puesta a punto del sistema y su validación.

    Con la implementación de la técnica DLTS finalizada, se realizaron experimentos de daño por radiación con protones de 10 MeV en el acelerador de iones pesados TANDAR de la CNEA sobre sensores solares de silicio fabricados en el DES. Estas  experiencias  fueron diseñadas y realizadas específicamente para aplicar la técnica DLTS con el desarrollo implementado.  Se realizaron caracterizaciones de las muestras antes y después de las irradiaciones, utilizando técnicas previamente implementadas en el DES, que mostraron la degradación de los sensores a medida que aumentaba la fluencia de la irradiación. Finalizadas las irradiaciones se realizaron las mediciones y análisis de DLTS, arrojando como resultado la energía de activación, la sección de captura y la densidad para cada fluencia estudiada de cada defecto provocado por la radiación.

    Por otra parte se realizaron cálculos numéricos de la capacidad, tanto estacionaria como transitoria, de junturas semiconductoras con defectos introducidos a priori a fin de simular la aplicación de la técnica DLTS. La introducción de mejoras originales en el modelo analítico normalmente utilizado, que incluyeron la eliminación de aproximaciones y la incorporación de modelos físicos de las propiedades electrónicas, permitió refinar el análisis de de los resultados experimentales,  estudiar los errores provocados por las condiciones experimentales sobre el cálculo de las características de los defectos, así como mejorar, en algunos casos, el ajuste de dichos resultados.

    Por último, en base a las simulaciones y las características del equipo desarrollado, se propuso como trabajo futuro mejorar el control térmico a fin de aumentar la resolución en temperatura del dispositivo experimental, ya que esta es la variable más importante para reducir el error experimental. Por otro lado se propone seguir trabajando en la mejora del modelo teórico de la capacidad con la perspectiva de perfeccionar la fidelidad en la reproducción de los espectros experimentales y, consecuentemente, la extracción de los parámetros de los defectos.

     

    Palabras clave: semiconductores, celdas solares, DLTS, caracterización, daño por radiación, defectos, simulación.

    Complete Title

    Simulation and characterization of radiation damage in solar cells

    Abstract

    The main source of energy in satellites and space probes is that provided by the Sun through the photovoltaic conversion in their solar panels. For this reason, it is crucial to guarantee, on the one hand, the durability of the solar cells throughout the duration of the mission and, on the other hand, to increment their efficiency, due to the continuous increase in the electric energy demands of the instruments. The Departamento Energía Solar (DES) of the Comisión Nacional de Energía Atómica from Argentina (CNEA) performs research and development activities related to the utilization of solar energy through photovoltaic conversion for both space and terrestrial applications. The general goal of this thesis, developed at DES, is to meet the need for a technique that characterizes the structure of defects present in the semiconductors that compose a solar cell, as an additional tool in the evaluation and prediction of the damage caused to the cells by space radiation, since this leads to the degradation of their performance. In this context, it is of fundamental importance to understand the behavior of the devices when they are subjected to radiation damage with exposure levels consistent with the orbit and duration of each particular mission, in order to size the solar panels correctly.

    Given that the effect of each kind of defect caused by the radiation in the performance of the solar cells is unknown, the particular goal of this paper is to experimentally determine the structure of electronically active defects produced in the studied devices before and after experiencing radiation damage, by using the Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) technique.

    In order to achieve this, we reviewed the physical phenomenology involved in the photovoltaic conversion of solar energy, the description of the space environment, and the effect of radiation on semiconductor materials.

    We also studied the basic principles that regulate the functioning of DLTS spectroscopy, in particular the properties of the semiconductor junction capacitance, and how it is affected by the presence of defects. Based on this, we studied the experimental implementation and the analysis needed to determine the activation energy, the capture section and the density of defects from the experimental results.

    Using this knowledge we implemented the technique at DES. Given the lack of previous developments, we reviewed the technical conditions for the implementation, we developed the corresponding hardware and software, and finally we calibrated and validated the system.

    Once finalized the implementation of the DLTS technique, we preformed radiation damage experiments with 10 MeV protons at the heavy ion accelerator TANDAR at CNEA on silicon solar sensors fabricated at DES. These experiments were designed and performed specifically for the application of the DLTS technique with our experimental design. We characterized the samples before and after being irradiated, using techniques previously implemented at DES, showing the degradation of the sensors as the fluence was increased. Once this was done, we performed the DLTS measurements and analysis, obtaining as a result the activation energy, the capture section and the density for each fluence used and for each kind of defect caused by the radiation.

    On the other hand, we numerically calculated both the stationary and transient capacitance of semiconductor junctions with defects introduced a priori in order to simulate the implementation of the DLTS technique. The introduction of original improvements to the analytical model normally used, including the elimination of certain approximations and the addition of physical models of electronic properties, allowed us to refine the analysis of the experimental results, study the errors caused by the experimental conditions on the calculation of the characteristics of the defects, and in some cases to improve the fitting of those results.

    Lastly, based on the simulations and the characteristics of the equipment we developed, we proposed as a future development the improvement of the thermal control in order to improve the temperature resolution of the experimental device, given that this is the most relevant variable to reduce the experimental error. Furthermore, we propose to continue working on the improvement of the theoretical model of the capacitance, with the aim of improving the accuracy in the interpretation of the experimental spectra and, consequently, in the extraction of parameters of the defects.

    Keywords: semiconductors, solar cells, DLTS, characterization, radiation damage, simulation.


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