Simulación y caracterización de celdas solares multijuntura y de silicio cristalino para aplicaciones espaciales. - Barrera, Marcela Patricia (2009)
Los dispositivos fotovoltaicos son utilizados para la provisión de energía eléctrica de los satélites, siendo las celdas solares el principal componente de dicho sistema. Uno de los requisitos de estos dispositivos es la necesidad de poseer una alta eficiencia. Una forma de incrementar la eficiencia de las celdas es disminuyendo la reflectividad de la cara frontal, maximizando de este modo la fracción de energía absorbida. A tal fin, se utilizan técnicas antirreflectantes (AR), siendo una de ellas el empleo de multicapas dieléctricas. En este trabajo se realizó la optimización numérica de la estructura MgF2-vidrio-adhesivo-TiO2- SiO2- Si, la que es representativa de celdas solares de Si cristalino encapsuladas para aplicaciones espaciales, obteniéndose los espesores óptimos para el MgF2 y el TiO2 para una serie de espesores del SiO2 pasivante. Asimismo, se consideró la influencia del espesor del vidrio y el adhesivo en el proceso de optimización. Para este estudio se consideró el espectro solar AM0 y una respuesta espectral típica de celdas solares de Si cristalino. Con posterioridad, se elaboraron y caracterizaron muestras con estructura TiO2-SiO2-Si. Para ello, primeramente se optimizó un procedimiento experimental para la obtención de la bicapa TiO2-SiO2 con espesores acordes con la optimización teórica realizada, a partir de la evaporación térmica de Ti y un posterior proceso térmico de oxidación a alta temperatura. La caracterización óptica de las muestras elaboradas a partir de la medición de reflectividad espectral en el intervalo UV-visible, permitió determinar los espesores de las capas de TiO2 y SiO2 realizando el ajuste de la curva experimental con la curva teórica. Se realizó además la caracterización estructural de muestras mediante reflectividad de rayos X (XRR) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) en sección transversal (cross section). La primera técnica confirmó la presencia de la fase rutilo para el TiO2. Por otra parte, se obtuvieron los espesores de las capas a partir de mediciones de reflectividad óptica, considerándose la presencia de la rugosidad de las superficies. Los espesores encontrados mediante las distintas técnicas resultaron consistentes entre si. Con el fin de estudiar muestras representativas de la celda solar encapsulada, se elaboraron muestras con estructura MgF2-vidrio(adhesivo)-TiO2-SiO2-Si, con espesores optimizados. Se obtuvo una buena correspondencia entre los valores de reflectividad medidos y el ajuste teórico, en el cual se utilizaron los espesores de las películas determinados anteriormente a la integración de la muestra. Además, se elaboraron celdas de Si monocristalino n+-p-p+ convencionales y también con el empleo de distintas técnicas AR, bicapa TiO2-SiO2 y una monocapa de ZnS. Para ello, se partió de obleas comerciales tipo p, y se propuso un método de elaboración de la capa AR compatible con el proceso de elaboración de celdas convencionales. La capa de ZnS se obtuvo por evaporación térmica en cámara de vacío Es importante destacar que los procesos propuestos para la elaboración de celdas solares con AR, tanto con bicapa de TiO2-SiO2 como con ZnS, permitieron obtener por primera vez celdas con estas características en el país. Por otra parte, se realizó la simulación numérica de celdas solares basadas en materiales III-V mediante el código no comercial D-AMPS-1D (New Developments - Analysis of Microelectronic and Photonic Devices - One Dimensional). Primeramente se realizó un estudio sobre los efectos de la pasivación de la ventana de InGaP sobre la celda solar de GaAs p-n. Con posterioridad se simuló una celda multijuntura InGaP/GaAs/Ge, similar a las provistas por la empresa Emcore Photovoltaics, para lo que se estudiaron homojunturas n-p basadas en InGaP, GaAs y Ge con estructura y caracterización eléctrica publicadas en la literatura. Los resultados obtenidos se encuentran en buen acuerdo con los valores experimentales presentados en la bibliografía consultada para los tres tipos de dispositivos simulados. Luego se adaptó la estructura de estos dispositivos para corresponderse con la de las subceldas de la celda triple. Así, se obtuvieron resultados preliminares para la característica I-V de celdas de triple juntura a partir de la interconexión virtual en serie de estas tres subceldas, los que resultaron consistentes con datos encontrados en la literatura y con mediciones de características I-V realizadas en el Grupo Energía Solar (GES). Asimismo, se inició el estudio de técnicas de deposición de materiales para la fabricación de celdas solares basadas en compuestos III-V. Entre dichas actividades, se realizó la deposición de estructuras monolíticas de GaAs aptas para la fabricación de celdas solares. La presente Tesis Doctoral fue realizada en el GES de la Gerencia de Investigación y Aplicaciones de la Comisión Nacional de Energía Atómica. Dicho Grupo, está a cargo del desarrollo de técnicas de diseño, integración y ensayo para la elaboración de paneles solares para aplicaciones espaciales. Las actividades realizadas en esta Tesis, en el marco de la integración de los paneles del proyecto Aquarius/SAC-D, se centraron en el proceso de soldadura y en la caracterización de componentes del panel solar. Se presentan los resultados obtenidos incluyendo la integración del modelo de ingeniería para el satélite SAC-D.