Estudio de capas (Ga,As)(In,N) obtenidas por magnetrón sputtering con posible aplicación en celdas solares

Abstract

El estudio de materiales semiconductores III-V ha mantenido un fuerte interés en el campo de la investigación debido a sus aplicaciones en la tecnología de la optoelectrónica y las celdas solares. Es por eso que en el presente trabajo de tesis nos enfocamos en mostrar resultados experimentales de aleaciones semiconductoras III-V, específicamente capas de: GaAs, InGaAs, GaAsN y bicapas In/GaAs obtenidas por la técnica evaporación catódica asistida por campo magnético. Esta técnica de preparación permite controlar variables físicas involucradas en los procesos (tiempo, presión, temperatura y atmósfera), lo que hace que se convierta en una técnica ideal para obtener semiconductores. Con el fin de aprovechar esta versatilidad de la técnica de preparación, recolectamos información de las propiedades físicas de cada una de las muestras obtenidas, utilizando: difracción de rayos X, microscopía Raman, microscopía electrónica de barrido, microscopía de fuerza atómica, espectroscopia de masas de iones secundarios, espectroscopia foto-electrónica de rayos-x, UV-Vis, espectroscopia fotoacústica y efecto hall. Lo anterior permitió corroborar la obtención del semiconductor de interés en cada uno de los casos y además correlacionar propiedades ópticas y estructurales en función de algunas de las variables de las que se tiene control. A lo largo del documento se muestran valores experimentales obtenidos, como: ancho de banda, modos vibracionales y parámetros de red de cada una de las capas, resultados que están en buen acuerdo con reportes de la literatura. Con el fin de demostrar la posible aplicación de estos semiconductores en el campo de las celdas solares se realizó el diseño de una celda solar tipo tándem en base a semiconductores de la familia de los arseniuros obteniendo una eficiencia límite teórico del 38%. Finalmente en el documento se concluye sobre la relevancia de la preparación de este tipo de semiconductores por una técnica diferente a las convencionales (epitaxiales), aunque se aclara que tan solo es un pequeño paso en el acercamiento hacia la construcción de una celda solar III-V por la técnica magnetrón sputtering.

Abstract: The study of III-V semiconductor materials has maintained a strong interest in the area of research due to its applications in optoelectronics technology and solar cells. That's why we focus in this thesis to show experimental results of III-V semiconductor alloys, specifically layers: GaAs, InGaAs, GaAsN and bilayers In/GaAs obtained by rf magnetron sputtering technique. This preparation technique allows controlling physical variables involved in the process (time, pressure, temperature and atmosphere), which makes it become an ideal technique for obtain semiconductors. To take this versatility of the technique of preparation, we collect information on the physical properties of each of the samples obtained using: X-ray diffraction, Raman microscopy, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, secondary ion mass spectroscopy, x-ray photo-electron spectroscopy, UV-Vis, photoacoustic spectroscopy and Hall Effect. This corroborated obtaining semiconductor interest in each of the cases and also correlate optical and structural properties based on some of the variables that you have control. Bandgap, vibrational modes and lattice parameters of each of the layers, results are in good agreement with literature reports: Throughout the document obtained experimental values, as shown. In order to demonstrate the potential application of these semiconductors in the field of solar cells designing a tandem solar cell is performed based on semiconductor family of arsenide’s obtaining an efficiency of 38% limit. Finally the paper concludes on the relevance of the preparation of such semiconductors by a different conventional (epitaxial) technique, although it clear that it is only a small step in the approach to the construction of a solar cell III V by the magnetron sputtering technique.