Estudio de capas delgadas de InAlN para su posible utilización en celdas solares de alta eficiencia

Abstract

En ésta tesis de doctorado se estudiaron las propiedades químicas, físicas, estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas de la aleación semiconductora InAlN, con posibles aplicaciones en celdas solares. Se usaron estrategias para obtener la aleación semiconductora a un costo menor a los métodos actuales usados en materiales fotovoltaicos comerciales. Para esto se logró obtener el material tanto por magnetrón Sputering RF como por Sputtering DC; mediante el uso de un único blanco de InAl, y a temperatura ambiente. Así mismo, se logró sintetizar películas amorfas, policristalinas, y altamente cristalinas; lo cual permite alto grado de versatilidad en la metodología propuesta. Para realizar el estudio sistemático de las propiedades del material, se variaron principalmente tres parámetros en las capas de InAlN: La fracción molar x de InN en la aleación InxAl1-xN, el espesor, y por último el tipo de sustrato sobre el cual se depositan las capas. Como aspectos interesantes se destacan varios asuntos: El primero es la obtención de band-gaps (Eg) adecuados para emplear el material InAlN en la capa absorbente y la capa ventana de celdas solares. En segundo lugar, valores de coeficientes ópticos de absorción por encima de los asociados a materiales fotovoltaicos convencionales, lo cual permitiría usar espesores de la capa activa menores a los actuales. En tercer lugar, se reporta por primera vez la posibilidad de variar el Eg variando el espesor de la película. Por último, se construyó un dispositivo básico de celda solar heterounión tipo InAlN-n/Si-p, y así confirmar que la aleación InxAl1-xN tiene potencial su uso en celdas solares.

Abstract: This doctoral thesis the chemical, physical, structural, morphological, optical and electrical properties of the InAlN semiconductor alloy were studied, with possible applications in solar cells. Strategies were used to obtain the semiconductor alloy at a lower cost than the current methods used in commercial photovoltaic materials. For this, the material was obtained by both Sputering RF magnetron and DC Sputtering; by using a single InAl blank, and at room temperature. Likewise, it was possible to synthesize amorphous, polycrystalline, and highly crystalline films; which allows a high degree of versatility in the proposed methodology. To perform the systematic study of the properties of the material, three parameters were varied mainly in the InAlN layers: The molar fraction x of InN in the alloy InxAl1-xN, the thickness, and finally the type of substrate on which they are deposited the layers As interesting aspects, several issues stand out: The first is to obtain suitable band-gaps (Eg) to use the InAlN material in the absorbent layer and the solar cell window layer. Secondly, values of optical absorption coefficients above those associated with conventional photovoltaic materials, which would allow to use thicknesses of the active layer lower than the current ones. Thirdly, the possibility of varying the Eg by varying the thickness of the film is reported for the first time. Finally, a basic device of the InAlN-n / Si-p heterounion solar cell was constructed, and thus confirm that the InxAl1-xN alloy has potential for use in solar cells..