Tesis:
Three-terminal heterojunction bipolar transistor solar cells = Células solares de tres terminales tipo transistor bipolar de heterounión
- Autor: ZEHENDER, Marius Harry
- Título: Three-terminal heterojunction bipolar transistor solar cells = Células solares de tres terminales tipo transistor bipolar de heterounión
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: AEROTECNIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70526/
- Director/a 1º: ANTOLÍN FERNÁNDEZ, Elisa
- Director/a 2º: MARTI VEGA, Antonio
- Resumen: This thesis contributes to the development of the heterojunction bipolar transistor solar cell (HBTSC), a solar cell that has been proposed in 2015 and, within this work, is demonstrated experimentally. The HBTSC incorporates an npn (or pnp) doping sequence and a heterojunction to form a double junction solar cell (2JSC) with the least number of layers possible. Because both junctions share the layer in the center, the HBTSC needs three terminals. In return, it neither requires tunnel junctions nor current-matched junctions. The current independency throughout the junctions provides the HBTSC with a lower spectral sensitivity and higher tolerance to nonoptimal bandgaps than series-connected multi-junction solar cells (SC-MJSC). The compact structure of the HBTSC makes fabrication less complex than other multiterminal approaches because it does not need extra isolating or interconnecting layers between the two junctions. The structure of the HBTSC resembles the structure of a bipolar transistor, based on which we call the three layers emitter, base and collector. However, the injection of charge carriers from the emitter through the base into the collector, which is an required effect in a transistor, must be avoided in our solar cell because this would cause a loss of efficiency. Therefore, an important question to solve is whether we can fabricate an HBTSC that suppresses the transistor effect, making the J-V characteristics of one junction independent from the bias of the other junction. In this work, we demonstrate for the first time an HBTSC whose two junctions exhibit independent J-V characteristics. This proof-of-concept (PoC) device, when illuminated by the AM1:5G spectrum, reaches open-circuit voltages of 1:33V at its GaInP top junction and 0:95V at its GaInP/GaAs bottom junction and a total efficiency of 28%, when considering the illuminated junction area. Prior to these findings, we observe a crosstalk between the two junctions of a test device made of the same epitaxial structure as the PoC device, but with a layout that has higher series resistance. We compare this test device with another that has the same layout, but this time the epitaxial structure has a thicker base layer. Modeling the series resistance of these devices reveals that the crosstalk results from a voltage drop that is caused by the current which flows laterally in the base layer. In the base, the current of both junctions sums up and follows the same path. The current of one junction causes a voltage drop throughout the resistance of the base, which is measured at the other junction as well, degrading the voltage of its J-V curve. With the PoC device, we prove that by minimizing the series resistance at the base, we can circumvent this crosstalk. The PoC device still has one issue: its efficiency is 28%, but only when considering the illuminated junction area. When considering the whole device area, the efficiency is 18%. This is because the base contact is made through the top surface, where a part of the top junction is removed to access the base. To solve this issue, we present thin film devices which have the base contact on the back surface so that the complicated etching of GaInP is avoided and shadowing reduced. We describe a model for the external quantum efficiency (EQE) and J-V characteristics of the HBTSC in one dimension to reproduce the experimental findings, identify problems of the devices and help with planning new structures of the planar HBTSC. Additionally, we design a HBTSC based on nanowires (NWs), for which we model the absorptance and detailed-balance J-V characteristics. We find that the NW HBTSC can reach similar absorptance as a planar device, while using one third of the absorbing material. ----------RESUMEN---------- Esta tesis contribuye al desarrollo de la célula solar de tres terminales de tipo transistor bipolar de heterounión (HBTSC, por sus siglas en inglés), una célula solar propuesta en 2015 y demostrada experimentalmente en este trabajo. La HBTSC incorpora tres capas semiconductoras con secuencia de dopaje npn (o pnp) y una heterounión para formar una célula solar de doble unión con el menor número de capas posible. Debido a que ambas uniones comparten la capa en el centro, la HBTSC necesita tres terminales. A cambio, no requiere de uniones túnel, ni que la corriente sea igual en las dos uniones. La independencia de la corriente entre las uniones proporciona a la HBTSC una menor sensibilidad espectral y una mayor tolerancia para materiales con gaps de banda no óptimos que las células solares de multiunión conectadas en serie. La estructura compacta de la HBTSC hace que su fabricación sea menos compleja que en otras células multiterminales porque no necesita capas adicionales de aislamiento o interconexión entre las dos uniones. La estructura de la HBTSC se asemeja a un transistor bipolar, por lo cual llamamos a las tres capas emisor, base y colector. Sin embargo, la inyección de portadores de carga desde el emisor a través de la base al colector, que es un efecto requerido en un transistor, debe evitarse en nuestra célula solar porque esto provocaría una pérdida de eficiencia. Por lo tanto, una cuestión importante a resolver es si podemos fabricar una HBTSC que suprima el efecto del transistor, haciendo que las características densidad de corriente-voltaje (J-V ) de una unión sean independientes de la polarización de la otra unión. En este trabajo, demostramos por primera vez una HBTSC cuyas dos uniones exhiben características J-V independientes. Este dispositivo de prueba de concepto, cuando está iluminado por el espectro AM1:5G, alcanza voltajes de circuito abierto de 1:33V en su primera unión de GaInP y 0:95V en su segunda unión de GaInP/GaAs. Tiene una eficiencia total del 28%, considerando el área de unión iluminada. Antes de estos hallazgos, observamos una interferencia entre las dos uniones de un dispositivo de prueba hecho de la misma estructura epitaxial que el dispositivo de prueba de concepto, pero con un diseño que tiene mayor resistencia en serie. Comparamos este dispositivo de prueba con otro que tiene el mismo diseño, pero esta vez la estructura epitaxial tiene una capa base más ancha. El modelado de la resistencia en serie de estos dispositivos revela que la interferencia resulta de una caída de voltaje causada por la corriente que fluye lateralmente en la capa base. En la base, la corriente de ambas uniones se suma y sigue el mismo camino. La corriente de una unión provoca una caída de voltaje sobre la resistencia de la base, que también se mide en la otra unión, degradando el voltaje de su curva J-V . Con el dispositivo de prueba de concepto, demostramos que al minimizar la resistencia en serie en la base, podemos evitar esta interferencia. El dispositivo de prueba de concepto todavía tiene un problema: su eficiencia es 28%, pero solo cuando se considera el área de la unión iluminada. Al considerar el área completa del dispositivo, la eficiencia es 18%. Esto se debe a que el contacto de la base se realiza a través de la superficie superior, donde se retira una parte de la primera unión para acceder a la base. Para resolver este problema, presentamos los dispositivos de película delgada que tienen el contacto de la base en la parte posterior para evitar el complicado ataque de GaInP y reducir las sombras. Describimos un modelo para las características de la eficiencia cuántica externa y de J-V de la HBTSC en una dimensión para reproducir los hallazgos experimentales, identificar problemas de los dispositivos y ayudar con la planificación de nuevas estructuras de la HBTSC. Además, diseñamos una HBTSC basado en nanohilos, para lo cual modelamos las características de absortancia y de J-V . Encontramos que la HBTSC con nanohilos puede alcanzar una absortancia similar a la de un dispositivo plano, empleando un tercio del material absorbente.