Tesis:
Contributions to the development of novel solar cells concepts
- Autor: VILLA MORALES, Juan
- Título: Contributions to the development of novel solar cells concepts
- Fecha: 2017
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/48303/
- Director/a 1º: RAMIRO GONZÁLEZ, Íñigo
- Director/a 2º: MARTÍ VEGA, Antonio
- Resumen: Esta Tesis contribuye al desarrollo de nuevos conceptos de células solares. Estos nuevos conceptos son aquellas propuestas tecnológicas que no están sujetas al límite de Shockley- Queisser (S-Q), pudiendo sobrepasarlo. Dentro de estas nuevas propuestas tecnológicas, la más avanzada y que hoy en día ya se aplica a nivel industrial es la célula solar de multiunión (MJSC, por sus siglas en inglés). El récord de eficiencia de conversión experimental de las MJSCs es del 46.0% bajo 508 soles de concentración publicado en 2014. Además, otras propuestas tecnológicas fueron planteados y se englobaron en lo que se conoce como “células solares de tercera generación”, que estaban en investigación y desarrollo y que no se aplicaban a nivel industrial. De estas propuestas en fotovoltaica (PV, por sus siglas en inglés) como nuevos conceptos de células solares, la más desarrollada es la célula solar de banda intermedia (IBSC, por sus siglas en inglés). La eficiencia límite teórica de la IBSC es del 63.2% bajo máxima concentración y asumiendo el Sol como un cuerpo negro a 6000 K. La tecnología más estudiada para implementar las IBSCs ha sido la de puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés), denominadas células solares de banda intermedia basadas en puntos cuánticos (QD-IBSC, por sus siglas en inglés). Hasta ahora, los mayores retos de las IBSCs se han enmarcado en demostrar sus principios operacionales, lo cual ya ha sido conseguido a baja temperatura y, más recientemente, a temperatura ambiente. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos en la investigación de QD-IBSCs y sus avances, éstas siguen presentando dos problemas principales que disminuyen su rendimiento: una ineficiente absorción de fotones con energías menores que la banda prohíbida (EG) –fotones sub-banda prohibida– y una excesiva degradación del voltaje de operación de la IBSC comparada con una célula de referencia (aquella fabricada con la misma estructura de semiconductor, pero en la que se ha remplazado la estructura de QDs que induce la banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) por un material semiconductor convencional). En este contexto, nuestro trabajo se centra en contribuir al desarrollo y mejora de QD-IBSCs viables. Hemos propuesto e investigado la incorporación de técnicas de atrapamiento de luz basadas en texturar el sustrato de QD-IBSCs de alta banda prohibida, fabricadas con QDs de InAs en una matriz de AlGaAs, es decir, InAs/AlGaAs QDIBSCs. A través de una amplia caracterización de las InAs/AlGaAs QD-IBSCs texturadas, demostramos que los dispositivos de QD-IBSCs texturados muestran una mejora en la absorción de fotones con energías por debajo de la banda prohibida. Asímismo, los dispositivos basados QD-IB pueden ser utilizados como detectores de radiación infrarroja, a partir del concepto de fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro texturado aplicado a dispositivos de InAs/AlGaAs QD-IB también mejora la fotodetección en el rango 3-5 μm. En relación al concepto de IBSC, hemos ampliado la caracterización QD-IBSCs, mostrando por primera vez el fenómeno de fotovoltaje con dos fotones sub-banda prohibida en prototipos de GaSb/GaAs QD-IBSC. Este fenómeno es análogo al de fotocorriente con dos fotones sub-banda prohibida, en el que en lugar de medir el incremento de la fotocorriente debida a añadir una segunda fuente de iluminación sub-banda prohibida, se mide el incremento del fotovoltaje. Gracias a ello hemos podido mejorar la comprensión del marco teórico de las IBSCs. Además, esta Tesis contribuye al desarrollo de un nuevo método de procesado de células solares delgadas basadas en semiconductores III-V compatibles con caracterización a baja temperatura y que es aplicable a QD-IBSC basadas en InAs/AlGaAs. Siguiendo este método, hemos fabricado y caracterizado células solares delgadas de AlGaAs. Mostramos la adecuación de este método para medir a bajas temepraturas mediante la medida de fotocorriente o eficiencia cuántica de los dispositivos a diferentes temperaturas. Finalmente, la última parte de esta Tesis contribuye al entendimiento del otro concepto de células solares que ya hemos introducido al comienzo, las MJSCs. Hemos estudiado la eficiencia límite de la producción de energía anual (AEE, por sus siglas en inglés) de las MJSC, haciendo una comparación entre las MJSC conectadas en serie (MJSC-SC, por sus siglas en inglés) –presentando dos terminales eléctricos para su conexión– y las MJSC independientemente conectadas (MJSC-IC, por sus siglas en inglés) –presentando dos terminales para cada sub-célula que forme parte de la multiunión–. La eficiencia límite de conversión fotovoltaica para estos sistemas tándem se ha revisado siguiendo un análisis de balance detallado. Los resultados obtenidos nos confirman, por un lado, lo ya sabido: que las MJSC-IC tienen una mayor eficiencia que las MJSC-SC. Además, discutimos acerca del concepto de la AEE con el fin de analizar la optimización de dichas MJSC. Debido a la eliminación de la restricción de la conexión en serie (que hace que la corriente a través de cada sub-célula en la unión sea la misma) en MJSC-IC, éstas también muestran una mayor AEE que las MJSC-SC para el mismo número de células solares. A partir de estos resultados, podemos concluir que sería más conveniente pasar de un sistema de 4-MJSC-SC a uno de 4-MJSC-IC en lugar de aumentar el número de sub-celulas. Esta tendencia se mantiene para un mayor número de células que forman la multiunión. Finalmente, con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnia de Madrid (IES-UPM), hemos desarrollado un sistema de electrodeposición para aplicar revesitmiento de metales a las células solares y un sistema de caracterización de reflectancia-transmitancia mediante una esfera integradora. ----------ABSTRACT---------- This Thesis contributes to the development of novel solar cells concepts. These novel concepts are not subjected to the Shockley-Queisser (S-Q) limit since they are capable of exceeding it. In this respect, the most advanced technology and that nowadays it is already applied at industry level is that of multi-junction solar cell (MJSC). MJSC shows an experimental conversion efficiency of 46.0% under 508 suns of concentration reported in 2014. In addition, other technological approaches were proposed and were encompassed in what was known as “third generation solar cells”. These technological proposals were under research and development, and they were not applied at industry level. From these approaches in photovoltaic (PV) as a novel solar cell concepts, the most developed is the intermediate band solar cell (IBSC). The limiting efficiency of the IBSC is 63.2% under maximum solar concentration (blackbody at 6000 K). The most studied technology for implementing IBSC have been those based on quantum dots (QD)s, which are named quantum dot-intermediate band solar cells (QD-IBSC)s. Up until now, the greatest challenges in IBSC have been to prove the two operation principles of the IBSC what has been achieved, firstly, at low temperature, and, recently, at room temperature. Despite the efforts in QD-IBSCs researchs and their advances, the main problems still curb the performance of IB solar cells: the inefficient absorption of photons with energy lower than the bandgap (EG) –sub-bandgap photons– and the excesive operation voltage degradation of the IBSC compared with the reference solar cell (that fabricated with the same semiconductor structure, but in which the QD structure that induces the intermediate band (IB) has been replaced by a conventional semiconductor material). In this context, our work focuses on the contribution to the development and the enhancement of practical QD-IBSCs. We have proposed and investigated the inclusion of light-trapping techniques based on texturing the substrate of wide-bandgap QD-IBSCs, fabricated with InAs QDs in AlGaAs host semiconductor, that is, InAs/AlGaAs QDIBSC. By doing an extensive characterization of the textured InAs/AlGaAs QD-IBSC, we demonstrate an improvement in the absorption of sub-bandgap photons. In addition, QD-IB devices can be employed as infrared (IR) photodetectors, from the concept of optically triggered infrared photodetector (OTIP). The texturing applied to InAs/AlGaAs QD-IB devices also enhances the photodetection in the range 3-5 μm. Regarding the topic of IBSCs, we have extended the characterization of QD-IBSCs, showing for the first time the two-photon photovoltage (TPPV) phenomenon, that is, the production of photovoltage by means of two sub-bandgap photon illumination in GaSb/GaAs QD-IBSC. This phenomenon is similar to the two-photon photocurrent phenomenon in which instead of measuring the increment of photocurrent due to the addition of a second sub-bandgap photon source, an increment in photovoltage is measured. This two-photon photovoltage phenomenon represents a key demonstration in IBSCs which had been elusive until now. It allows to better comprehension of the IBSC framework. In addition, this Thesis contributes to the development of a new processing method of thin-film solar cells based on III-V semiconductors compatible with low-temperature characterization and also applicable with the processing of InAs/AlGaAs QD-IBSCs, by virtue of its importance in the characterization of electronic devices based on nanostructures, such as QD-IB devices. Following this method, we have fabricated and characterized thin-film AlGaAs solar cells. We show the adequacy of this method to measure at low temperatures the photocurrent or quantum efficiency of the devices. Finally, the last part of this Thesis contributes to the understanding of the other high-efficiency solar cell concepts, already presented, the MJSCs. We have studied the limiting efficiency of the annual energy production (AEE) of MJSCs, making a comparison between MJSC series-connected (MJSC-SC) –having two electric external terminals for their connection– and independently-connected ones (MJSC-IC) –having two electric external terminals for the connection of each sub-cell–. The efficiency of photovoltaic conversion for tandem systems are revised through a detailed balance analysis. MJSC-IC have a greater photovoltaic conversion efficiency than MJSC-SC, what is well-known. In addition, we also discuss the concept of AEE in order to analyze the optimization of the MJSC. Due to the removal of the series connection constrain, MJSC-ICs also show higher AEE than MJSC-SCs for the same number of cells. From the results, we can conclude that implementing several terminals to a four junctions MJSC-SC, converting it into a MJSC-IC offers a higher AEE gain than implementing a five junctions MJSC-SC. This trend is maintained for a greater number of sub-cell of the tandem. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Instituto de Energía Solar of the Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), we have developed an electroplating set-up for the depostion of metal on solar cells and a reflectancetransmittance characterization set-up by using an integrating sphere.