Elaboración, caracterización, simulación numérica y ensayo de celdas solares basadas en semiconductores III-V

Abstract

Esta Tesis está enmarcada en el estudio y desarrollo de celdas solares para aplicaciones espaciales en el país. Tiene como objetivo contribuir al progreso del conocimiento científico-tecnológico en el campo de las celdas solares basadas en materiales semiconductores III-V, y en particular a su simulación, fabricación y caracterización óptica y eléctrica. Fue realizada en el Departamento Energía Solar (DES) de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), que ha sido el responsable de la integración de los paneles solares de varias Misiones Espaciales argentinas. Una celda solar de GaAs convencional consiste en una juntura n − p. Por encima de esta, se encuentra una capa ventana y una capa de contacto mientras que por debajo de la juntura se encuentra una capa Back Surface Field (BSF). Todas estas capas películas se crecen epitaxialmente sobre un sustrato. Para completar la celda es necesario depositar una grilla de contactos en la cara superior y otro contacto en la cara inferior, remover la capa de contacto de la superficie libre de la cara superior, y depositar una capa antirreflectante (ARC). Como parte del objetivo de desarrollo de celdas solares, se puso el foco en la optimización de capas antirreflectantes, que aumentan la cantidad de luz que ingresa en la celda solar. Se investigó el comportamiento de una bicapa de nanotubos de TiO2 como ARC para celdas solares de GaAs. Se fabricaron bicapas de nanotubos mediante anodizado electroquímico sobre sustratos de Si y GaAs, las cuales se caracterizaron óptica y estructuralmente, modelando su comportamiento como antirreflectante sobre celdas solares de GaAs. Se desarrolló software específico para optimizar los espesores de películas antirreflectantes, obteniéndose diseños de ARC con una reflectividad pesada <2 %. Mediante el código de simulación D-AMPS (New Developments – Analysis of Microelectronic and Photonic Devices - One Dimensional) se simuló una celda de GaAs con este ARC, se obtuvo un aumento de la corriente de cortocircuito del orden del 40 %. Siguiendo el objetivo de simulación de celdas en aplicaciones espaciales, 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 espectro infrarrojo. Se demostró que adelgazar las celdas y disminuir el dopaje de la base puede tener un impacto significativo en la temperatura de funcionamiento de una celda solar, >6°C. Para una órbita terrestre, este efecto corresponde a una disminución de la potencia disipada >9 %. En cuanto al objetivo de elaboración de celdas, se diseñaron, fabricaron y caracterizaron celdas solares de GaAs a partir de crecimientos epitaxiales. Entre los dispositivos desarrollados, se encuentran las primeras celdas solares de GaAs elaboradas íntegramente en Argentina. Se propuso la estructura del crecimiento epitaxial del dispositivo, que fue crecida mediante Molecular Beam Epitaxy (MBE) por el Grupo de Dispositivos y Sensores del Centro Atómico Bariloche - CNEA. Se diseñó el flujo de proceso para la elaboración de celdas, se pusieron a punto las técnicas necesarias y los dispositivos resultantes se caracterizaron eléctricamente. Mediante el código de simulación D-AMPS se modelaron los dispositivos, lo que permitió evaluar el proceso de ataque de la capa de contacto y guiar el diseño de la ventana para próximos crecimientos. Teniendo en cuenta las aplicaciones espaciales, se realizó una experiencia de daño por radiación, con una fluencia equivalente a 8 años de órbita baja (LEO), observándose una degradación del 7 % en la eficiencia cuántica externa (EQE) de las celdas.Solar energy is one of the main energy sources for space applications. Due to their high eficiency and resistance to radiation damage, the most optimal solar cells for space are multijunction cells based on III-V compound semiconductors. These are formed by elements from groups III and V of the periodic table, such as GaAs, AlGaAs, and InGaP. Currently, for the integration of Argentine satellites, commercial triple-junction InGaP-GaAs-Ge solar cells are used. This thesis is framed within the study and development of solar cells for space applications in Argentina. Its objective is to contribute to the advancement of scientific and technological knowledge in the field of solar cells based on III-V semiconductor materials, particularly in their simulation, fabrication, and optical and electrical characterization. It was carried out at the Departamento Energia Solar (DES) of the Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), which has been responsible for the integration of solar panels for several Argentine space missions. A conventional GaAs solar cell consists of an n-p junction. Above this, there is a window layer and a contact layer, while below the junction, a Back Surface Field (BSF) layer is found. All these films are epitaxially grown on a substrate. To complete the cell, a contact grid must be deposited on the top surface, another contact on the bottom surface, the contact layer on the free surface of the top face must be removed, and an anti-reflective coating (ARC) must be applied. As part of the objective of developing solar cells, the focus was placed on optimizing anti-reflective coatings, which increase the amount of light entering the solar cell. The behavior of a bilayer of TiO2 nanotubes as an anti-reflective coating (ARC) for GaAs solar cells was investigated. Bilayers of nanotubes were fabricated by electrochemical anodization on Si and GaAs substrates, which were optically and structurally characterized, modeling their behavior as an anti-reflective layer for GaAs solar cells. Specific software was developed to optimize the thickness of antreflective films, resulting in ARC designs with a weighted reflectivity of <2 %. Using the D AMPS (New Developments - Analysis of Microelectronic and Photonic Devices - One Dimensional) simulation code, a GaAs cell with this ARC was simulated, showing a short-circuit current increase of approximately 40 %. Following the objective of simulating cells for space applications, the thermal load in triple-junction solar cells with a 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 spectrum. It was demonstrated that thinning the cells and reducing the base doping concentration can have a significant impact on the operating temperature of a solar cell, reducing it by more than 6°C. For an Earth orbit, this efect corresponds to a power dissipation reduction of more than 9 %. Regarding the objective of solar cell fabrication, GaAs solar cells were designed, manufactured, and characterized from epitaxial growths. Among the developed devices are the first GaAs solar cells entirely fabricated in Argentina. The epitaxial growth structure of the device was proposed and grown using Molecular Beam Epitaxy (MBE) by the Grupo de Dispositivos y Sensores at Centro Atómico Bariloche - CNEA. The process flow for cell fabrication was designed, the necessary techniques were fine tuned, and the resulting devices were electrically characterized. Using the D-AMPS simulation code, the devices were modeled, which allowed for the evaluation of the contact layer etching process and guided the window design for future growths. Considering space applications, a radiation damage experiment was conducted with a fluence equivalent to 8 years in low Earth orbit (LEO), showing a 7 % degradation in the external quantum eficiency (EQE) of the cells.