Desarrollo de un modelo multiescala que describe la formación de nanoestructuras basadas en puntos cuánticos de semiconductores III-V, aplicadas a celdas solares con parámetros meteorológicos del departamento de Risaralda
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Español
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Resumen
En esta tesis doctoral se desarrolla un enfoque multiescala para el estudio de materiales semiconductores del grupo III–V y nanoestructuras basadas en puntos cuánticos, con potencial aplicación en celdas solares de tercera generación. El trabajo integra cálculos de primeros principios basados en la Teoría del Funcional de la Densidad, un modelo cinético de difusión superficial y simulaciones unidimensionales de dispositivo fotovoltaico, con el objetivo de establecer una conexión coherente entre propiedades atomísticas, procesos cinéticos y respuesta macroscópica.
A nivel atomístico, se analizan las propiedades estructurales, electrónicas, ópticas y termodinámicas de sistemas bulk, aleaciones dopadas y superficies de GaAs, empleando distintos esquemas de intercambio y correlación y combinando cálculos con pseudopotenciales y métodos all-electron. Se determinan energías de formación, densidad de estados, energías superficiales y tendencias de estabilidad, identificando la influencia del dopaje y de la orientación cristalográfica sobre el comportamiento físico de los materiales estudiados.
Los procesos de difusión superficial se caracterizan mediante el cálculo de barreras de activación obtenidas con el método CI-NEB, las cuales se emplean como parámetros de entrada para un modelo cinético reducido basado en tasas de salto tipo Arrhenius. Este modelo permite describir los mecanismos iniciales de nucleación, crecimiento y coalescencia de islas sobre distintas superficies de GaAs, evidenciando la dependencia de la movilidad superficial con la especie difusora, la temperatura y la terminación superficial.
Finalmente, los parámetros electrónicos y ópticos derivados de los cálculos de primeros principios se integran en simulaciones de dispositivo mediante el software SCAPS-1D, con el propósito de evaluar de forma preliminar el impacto de los materiales estudiados en parámetros básicos de desempeño fotovoltaico, tales como la eficiencia de conversión ($\eta$) y el factor de llenado ($FF$). Los resultados obtenidos demuestran que el enfoque multiescala propuesto constituye una herramienta consistente para analizar la relación entre propiedades microscópicas y comportamiento macroscópico en dispositivos fotovoltaicos basados en materiales III–V (Texto tomado de la fuente).
Abstract
This doctoral thesis presents a multiscale approach for the study of III–V semiconductor materials and quantum-dot-based nanostructures with potential application in third-generation solar cells. The proposed framework integrates first-principles calculations based on Density Functional Theory, a kinetic model for surface diffusion, and one-dimensional device simulations, aiming to establish a coherent link between atomistic properties, kinetic processes, and macroscopic device response.
At the atomistic level, the structural, electronic, optical, and thermodynamic properties of bulk systems, doped alloys, and GaAs surfaces are systematically investigated using different exchange–correlation schemes and combining pseudopotential-based and all-electron methods. Formation energies, band structures, surface energies, and stability trends are analyzed, highlighting the influence of dopants and crystallographic orientation on the physical behavior of the studied materials.
Surface diffusion processes are characterized through the calculation of activation barriers using the CI-NEB method. These barriers are employed as input parameters for a reduced kinetic model based on Arrhenius-type hopping rates, which enables the analysis of the initial mechanisms of nucleation, growth, and island coalescence on different GaAs surfaces. The results reveal a strong dependence of surface mobility on the diffusing species, temperature, and surface termination.
Finally, the electronic and optical parameters obtained from first-principles calculations are incorporated into device-level simulations using the SCAPS-1D software to provide a preliminary assessment of the impact of the studied materials on photovoltaic performance metrics, such as conversion efficiency and fill factor. Overall, this work demonstrates that the proposed multiscale approach provides a physically consistent framework to connect microscopic properties with the macroscopic behavior of III–V-based photovoltaic devices.
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ilustraciones, graficas, tablas