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Tesis

Optimización teórico-dieléctricas antirreflectantes en celdas solares de silicio para aplicaciones espaciales

2004



Título Optimización teórico-dieléctricas antirreflectantes en celdas solares de silicio para aplicaciones espaciales
Nombre Barrera, Marcela Patricia
Licenciada en Física UBA Argentina
Magister en Ciencia y Tecnología de Materiales UNSAM
Directores Dr. Plá Juan C..
.
. CNEA Centro Atómico Constituyentes
Fecha Defensa 10/05/2004
Jurado

Código Código IT IT/T--87/04

Resumen

La reflectividad de los semiconductores es, en general, mayor a un 30. En el caso del silicio, esta cantidad varía desde aproximadamente un 33 en el infrarrojo (IR) hasta un 55 en el ultravioleta (UV). Es por ello que, para incrementar la eficiencia de las celdas solares de silicio, es necesario disminuir la reflectividad de la cara frontal de la celda solar, maximizando de este modo la fracción de energía absorbida; la forma de conseguir esto es mediante el uso de técnicas antirreflectantes (AR). A tal fin se han desarrollado distintas técnicas AR, las cuales consisten en el depósito de multicapas dieléctricas, la textura superficial, o la combinación de ambas, esto es depositando la multicapa sobre la superficie ya texturada. Dos materiales dieléctricos con las características adecuadas para funcionar como AR en celdas solares de Si encapsuladas con el TiO2 y el ZnS. En este trabajo se realizó la optimización numérica del sistema MgF2-vidrio-TiO2-SiO2-Si, que es una representación de la celda de Si cristalino encapsulada para aplicaciones espaciales, para lo cual se consideró el espectro solar AM0 y una respuesta espectral típica de celdas solares de Si cristalino. Se concluyó que el espesor de SiO2 pasivante debía ser lo más delgado posible mientras mantuviera sus propiedades pasivantes. Considerando una pérdida de a lo sumo un 1 de la corriente de cortocircuito, se obtuvo un intervalo de tolerancia para la desviación de los espesores de TiO2 y MgF2 respecto de sus valores óptimos. La fabricación de muestras con una bicapa de TiO2/SiO2 sobre un sustrato de Si se realizó mediante un proceso térmico en ambiente oxidante luego de depositar una película de Ti sobre la oblea de Si por evaporación en cámara de vacío. Por otro lado, también se depositó ZnS sobre Si mediante evaporación térmica. En ambos tipos de muestras, se realizó la caracterización óptica a partir de la medición de reflectividad espectral, la cual permitió determinar, ajustando la curva medida por medio de simulaciones teóricas, los espesores de las capas de TiO2, SiO2 y ZnS. Los espesores de Ti y ZnS medidos con un monitor de espesores in situ durante la evaporación resultaron consistentes con los valores de los espesores de TiO2 y ZnS obtenidos a partir de la simulación. El sistema MgF2-vidrio-TiO2-SiO2-Si fue elaborado tomando en cuenta los espesores obtenidos mediante la optimización numérica. A partir de la caracterización óptica, se obtuvo una buena correspondencia entre los valores de reflectancia medidos y el ajuste teórico. Finalmente, se fabricaron celdas solares de Si cristalino utilizando dos técnicas AR: textura y ZnS como capa dieléctrica. Los dispositivos no encapsulados y con ZnS como AR son las primeras celdas con AR optimizado para aplicaciones espaciales elaboradas en el Grupo Energía Solar del Centro Atómico Constituyentes

Complete Title

Abstract

The reflectivity of semiconductors is more than 30. For silicon, this quantity varies form aprox. 33 in the infrared (IR) to aprox. 55 in the ultraviolet (UV). For this reason, to obtain solar cells with better efficiency is necessary to minimize the reflected light at the front surface, in order to enhance the energy absorbed; the way to do this is using antireflection (AR) techniques. With this objective, different design of antireflection coatings were developed: dielectric multilayer systems, surface texture of both of them. Two dielectric materials with appropriate characteristics for AR coatings on encapsulated Si solar cells are the TiO2 and ZnS. In this work, the numeric optimization of the MgF2-glass-TiO2-SiO2-Si structure was performed; this structure is a realistic representation of an encapsulated Si solar cell. Moreover, the AM0 solar spectrum, and a typical crystalline silicon solar cell spectral response were considered, keeping in mind the space application of these devices. The conclusion was that the passivating SiO2 must be kept as thin as possible, whilst the passivating properties are preserved. The tolerance of TiO2 and MgF2 thickness respect to the optimal values was obtained, keeping the condition of at most 1 of loss on the short circuit current. To obtain the TiO2/SiO2 double layer on silicon, titanium films were deposited in a vacuum chamber and then the sample was annealed in oxygen at high temperatures. Otherwise, also ZnS thin films were deposited on silicon by thermal evaporation. Optical characterisation on both type of sample was performed by measuring the spectral reflectivity. This allowed to determine the thickness of the TiO2, SiO2 and ZnS layers by mean a numerical simulation of the reflectivity. The Ti and ZnS thickness were measured in situ with a thickness monitor during the evaporation, and the results were in good agreement with the values obtained by numeric simulation. The MgF2-glass-TiO2-SiO2-Si structure was elaborated and optically characterized. The simulation of this structure, using the previously determied thickness of each layer, showed a good agreement between the measured reflectivity and the theoretical one. Finally, silicon solar cells were fabricated using the two AR techniques: texture and a single ZnS layer. The no encapsulated devices with Ar are the first solar cells elaborated in the Grupo Energía Solar

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