Tesis:
Photon management structures for absorption enhancement in intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells.
- Autor: MELLOR, Alexander Virgil
- Título: Photon management structures for absorption enhancement in intermediate band solar cells and crystalline silicon solar cells.
- Fecha: 2013
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/21771/
- Director/a 1º: TOBIAS GALICIA, Ignacio
- Director/a 2º: LUQUE LOPEZ, Antonio
- Resumen: El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil en los puntos cuánticos. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Ambos tecnologías pueden beneficiar del atrapamiento de la luz para aumentar su absorción. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite Lambertiano del atrapamiento de la luz. Con una elección correcta del periodo, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por encima del límite Lambertiano en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. Se diseña y se optimiza redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en una red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. Se desarrolla también un método para planarizar el reflector posterior. Se ha hecho medidas de reflexión en función de la longitud de onda y se ha comparado con resultados de simulaciones de las redes, con un acuerdo bueno. Se confirma que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Además, se demuestra que la planarización del reflector posterior reduce la absorción parasita de fotones. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculadas como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo bueno. Se muestra que el conocido fenómeno del escape térmico de los puntos cuánticos es de naturaleza fotónica; se debe a los fotones térmicos, que inducen transiciones entre los estados excitados que se encuentran escalonados en energía entre el estado intermedio fundamental y la banda de conducción. En el capítulo final, este modelo realista de equilibrio detallado se combina con el método de simulación de redes de difracción para predecir el efecto que tendría incorporar una red de difracción en una célula solar de banda intermedia y puntos cuánticos. Se ha de optimizar el periodo de la red para equilibrar el aumento de las diferentes transiciones intermedias, que tienen lugar en serie. Se proyecta que al emplear atrapamiento de luz y aumentar la densidad de puntos cuánticos, se puede superar la eficiencia de una célula de referencia equivalente.