Elaboración, caracterización, simulación numérica y ensayo de celdas solares basadas en semiconductores III-V
2025
| Tesista | Simón SAINT-ANDRÉ Licenciado en Ciencias Físicas, UBA. Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física. Instituto Sabato. UNSAM, CNEA - Argentina |
| Directora | Dra. Marcela Patricia Barrera. CNEA, CONICET - Argentina |
| Co-Director | Dr. Daniel Fabián Rodríguez. CNEA - Argentina
|
| Lugar de realización | Departamento Energía Solar - GIYA – GAIDI - CNEA / INN-Conicet. - Argentina |
| Fecha Defensa | 28/04/2025 |
| Jurado | Dr. Guido Berlín. CNEA, ITBA - Argentina Dr. Javier Schmidt. IFL- CCT Santa Fe , CONICET, UNL - Argentina Dr. Kurt Taretto. U. del Comahue - Argentina |
Título completo
Elaboración, caracterización, simulación numérica y ensayo de celdas solares basadas en semiconductores III-V
Resumen
Debido a su alta eficiencia y resistencia al daño por radiación, las celdas solares óptimas en el espacio son multijunturas basadas en compuestos III-V. Por ejemplo, en los satélites argentinos se utilizan celdas comerciales de triple juntura InGaP-GaAs-Ge.
Esta Tesis tiene como objetivo la investigación de celdas solares basadas en materiales semiconductores III-V, y en particular su simulación, fabricación y caracterización óptica y eléctrica. Fue realizada en el Departamento Energía Solar de la CNEA, responsable de la integración de los paneles solares de varias Misiones Espaciales argentinas.
En primer lugar, se investigó el uso de una bicapa de nanotubos de TiO2 como antirreflectante (ARC) para celdas solares. Estas se fabricaron mediante anodizado electroquímico, y se caracterizaron óptica y estructuralmente, modelando su efecto antirreflectante sobre celdas solares de GaAs. Se optimizaron los espesores de películas antirreflectantes, obteniéndose diseños con una reflectividad pesada <2%. Simulando una celda de GaAs con este ARC, se obtuvo un aumento de la corriente de cortocircuito del orden del 40%.
Por otro lado, se modeló la carga térmica en celdas solares de triple juntura con sustrato de Ge. Se analizó el efecto de la absorción por portadores libres, la concentración del dopaje en la base, el espesor del sustrato y la reflectividad en la cara posterior mediante un modelo de multicapas, obteniendo la absorción y reflectividad de la celda en el infrarrojo. Se demostró que adelgazar las celdas y disminuir el dopaje de la base puede tener un impacto >6°C en la temperatura de funcionamiento de una celda solar.
Finalmente, se diseñaron, fabricaron y caracterizaron celdas solares de GaAs a partir de crecimientos epitaxiales. Se diseñó el flujo de proceso para la elaboración de celdas, se pusieron a punto las técnicas necesarias y los dispositivos se caracterizaron eléctricamente. Las simulaciones realizadas permitieron evaluar el proceso de ataque de la capa de contacto y guiar el diseño de próximos crecimientos. Además, se realizó un ensayo de daño por radiación, con una fluencia equivalente a 8 años de órbita baja, observándose una degradación del 7% en la eficiencia cuántica externa de las celdas.
Complete Title
Development, Characterization, Numerical Simulation and Testing of Solar Cells Based on III-V Semiconductors
Abstract
Due to their high efficiency and resistance to radiation damage, the optimal solar cells for space applications are multi-junction cells based on III-V compounds. For example, Argentine satellites use commercial triple-junction InGaP-GaAs-Ge solar cells.
This Thesis aims to investigate solar cells based on III-V semiconductor materials, particularly their simulation, fabrication, and optical and electrical characterization. It was carried out at the Solar Energy Department of CNEA, which has been responsible for integrating solar panels for various Argentine Space Missions.
First, the use of a TiO₂ nanotube bilayer as an anti-reflective coating (ARC) for solar cells was investigated. These were manufactured by electrochemical anodization and characterized optically and structurally, modeling their anti-reflective effect on GaAs solar cells. The thicknesses of anti-reflective films were optimized, obtaining designs with a weighted reflectivity <2%. Simulating a GaAs cell with this ARC resulted in an increase in short-circuit current of approximately 40%.
Additionally, the thermal load in triple-junction solar cells with Ge substrate was modeled. The effects of free carrier absorption, base doping concentration, substrate thickness, and back-surface reflectivity were analyzed using a multilayer model, obtaining the absorption and reflectivity of the cell in the infrared range. It was demonstrated that thinning the cells and decreasing the base doping can have an impact of >6°C on the operating temperature of a solar cell.
Finally, GaAs solar cells were designed, fabricated, and characterized from epitaxial growths. The process flow for cell development was designed, the necessary techniques were fine-tuned, and the devices were electrically characterized. The simulations performed allowed for evaluation of the contact layer etching process and guided the design of future growths. Additionally, a radiation damage test was conducted with a fluence equivalent to 8 years in low orbit, observing a 7% degradation in the external quantum efficiency of the cells.
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