Tesis:
Research on intermediate band solar cells and development of capacitive techniques for their characterization = Investigación en células solares de banda intermedia y desarrollo de técnicas capacitivas para su caracterización
- Autor: LÓPEZ ESTRADA, Esther
- Título: Research on intermediate band solar cells and development of capacitive techniques for their characterization = Investigación en células solares de banda intermedia y desarrollo de técnicas capacitivas para su caracterización
- Fecha: 2016
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/43081/
- Director/a 1º: MARTÍ VEGA, Antonio
- Resumen: This Thesis is a contribution to the development of intermediate band solar cells (IBSCs). The limiting efficiency of an IBSC is 63.2% under specific illumination conditions (under maximum solar concentration assuming the sun as a black body at 6000 K). The limiting efficiency of IBSCs surpasses the limiting efficiency of conventional single gap solar cells (40.7%) due to the presence of a third energy band, in addition to the conduction band (CB) and the valence band (VB). This third energy band is referred to as the intermediate band (IB) and is isolated from the metal contacts by means of electron or hole selective emitters. This configuration allows IBSCs to absorb photons with energies below the bandgap, generating an additional photocurrent by means of VB→IB and IB→CB transitions and providing output voltages (V) that exceed the energy of these sub-bandgap transitions divided by the electron charge (e). These two characteristics are known as the operation principles of the IBSC. These principles have already been demonstrated in different PV technologies, especially in IBSC prototypes based on quantum dots (QDs). However, IBSC prototypes have not yet fulfilled these principles in real life conditions, such as operation at room temperature. In this context, our work focuses on the study of different IB technological approaches to increase the possibility of obtaining practical IBSCs. The main objective of this Thesis is to characterize IBSC prototypes that belong to the bulk approach which are perhaps the least investigated technologies. In particular we investigate IBSC prototypes based on ZnTe:O, Si:Ti and GaAs:Ti materials. In IBSC prototypes based on ZnTe:O and Si:Ti, the VB→IB and IB→CB transitions are characterized by absorption coefficients as high as 104cm−1 and capture cross sections as low as 2•10−19cm2, respectively. These features are suitable for IBSC applications. We find the operation principles of IBSCs fulfill surprisingly in IBSC prototypes based on GaAs:Ti, where the energy levels that act as an IB arise from crystalline defects and not from the presence of Ti atoms. In this Thesis we also contribute to the demonstration of IBSC operation principles under working conditions close to room temperature. IBSC prototypes based on InAs/Al0.3Ga0.7As QDs, fabricated in collaboration with the University of Tokyo, demonstrate for the first time the production of photocurrent by means of the absorption of two-photons at room temperature. The absorption threshold resulting from this two-photon photocurrent corresponds to the least energetic transitions, the IB→CB transitions. This facilitates the demonstration that eV surpasses the absorption threshold at room temperature under illumination conditions similar to 0.5 suns. Finally, in order to increase the research capabilities of the IES-UPM, we implemented during this Thesis an experimental set-up dedicated to the "Deep-Level Transient Spectroscopy" (DLTS) technique. This technique provides information about recombination processes and complements the characterization obtained from optical techniques, focused on studying electron-hole pairs generation processes. RESUMEN Esta Tesis contribuye al desarrollo de las células solares de banda intermedia (IBSCs). La eficiencia límite de una IBSC es del 63,2% bajo unas condiciones de iluminación específicas (la iluminación correspondiente a concentrar al máximo la luz recibida por el Sol, suponiendo que éste es un cuerpo negro a 6000 K). Esta eficiencia límite supera la de una célula solar convencional de un solo gap (40,7%) gracias a la presencia de una tercera banda energética que se suma a las bandas de conducción (CB) y valencia (VB). Esta banda energética adicional se denomina banda intermedia (IB), y está aislada de los contactos metálicos por medio de emisores selectivos al paso de electrones o de huecos. Esta configuración permite que las IBSCs puedan absorber fotones con energías inferiores a la banda prohibida, produciendo una fotocorriente adicional a través de transiciones VB→IB y IB→CB, al mismo tiempo que pueden proporcionar tensiones de salida que exceden el valor de la energía de estas transiciones dividida por la carga del electrón. Estas dos características se conocen como los principios de operación de la IBSC. Los principios de operación han sido demostrados en diferentes tecnologías fotovoltaicas, especialmente en prototipos basados en puntos cuánticos (QDs). Sin embargo, las IBSCs fabricadas hasta el momento aún deben demostrar estos principios en condiciones de operación reales, tales como operar a temperatura ambiente. En este contexto, nuestro trabajo se centra en estudiar los diferentes enfoques tecnológicos utilizados en la fabricación de IBSCs para así aumentar las posibilidades de obtener dispositivos que operen conforme a la teoría. El objetivo principal de esta Tesis es caracterizar prototipos de IBSCs basados en semiconductores "bulk" que quizá son los menos investigados hasta el momento. En concreto, investigamos prototipos basados en ZnTe:O, Si:Ti y GaAs:Ti. En los prototipos basados en ZnTe:O y Si:Ti, encontramos que las transiciones VB→IB y IB→CB están caracterizadas, respectivamente, por coeficientes de absorción tan altos como 104cm−1 y secciones eficaces de captura tan bajas como 2•10−19cm2. Estas características son adecuadas para la obtención de dispositivos que operen como IBSCs. En los prototipos basados en GaAs:Ti conseguimos probar los principios de operación de las IBSCs. Sin embrago, sorprendentemente, en estos dispositivos los niveles de energía que actúan como una IB están asociados a defectos cristalinos y no de la presencia de átomos de Ti. En esta Tesis también contribuimos a la demostración de los principios de funcionamiento de las IBSCs en condiciones próximas a las condiciones de operación reales. Prototipos de IBSCs basados en QDs de InAs/Al0.3Ga0.7As y fabricados en la Universidad de Tokio han demuestrado la producción de fotocorriente por medio de la absorción de dos fotones, por primera vez a temperatura ambiente. El umbral de absorción de esta fotocorriente se corresponde con las transiciones de menor energía, las transiciones IB→CB. Esto facilita la demostración de que el voltaje (multiplicado por la carga del electrón) supera el umbral de energía de absorción absorción a temperatura ambiente bajo condiciones de iluminación similares a 0,5 soles. Con el fin de aumentar la capacidad de investigación del IES-UPM, a lo largo de esta Tesis se implementa un montaje experimental dedicado a la "Espectroscopía de transitorios de niveles profundos" (DLTS). Esta técnica proporciona información acerca de los procesos de recombinación y complementa la caracterización obtenida con técnicas ópticas, que se centran en el estudio de los procesos de generación de pares electrón-hueco.