El silicio polimorfo como innovación para celdas solares a película delgada

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1 Instituto de Investigaciones en Materiales Universidad Nacional Autónoma de México El silicio polimorfo como innovación para celdas solares a película delgada

2 CONTENIDO 1. Introducción 2. Uso del diclorosilano para al obtención de nanocristales de silicio por la técnica de PECVD. 3. Nanocristales de silicio embebidos en silicio amorfo 4. Propiedades optoelectrónicas de silicio polimorfo con diferentes fracciones cristalinas. 5. Conclusiones

3 1. Introducción Ventajas del silicio: Abundante, material no-toxico. Tecnologías madura para ultra alta integración basadas fundamentalmente en silicio y en compuestos de silicio (óxidos de silicio, nitruros de silicio). Es el Material que domina hoy en día la industria electrónica y de las celdas solares. Retos en la tecnología basada en el silicio: Integración optoelectrónica Emisión eficiente de luz en diodos de silicio. Sobrepasar la barrera del 25% de eficiencia celdas solares basadas en silicio Celdas solares de tercera y cuarta generación. Reducción de los costos y disminución de la degradación en celdas a películas delgadas sobre substratos flexibles R.T. Collins, P.M. Fauchet, M.A. Tischler, Physics Today, January (1997) 24.

4 Cómo incrementar la eficiencia en una celda solar? Absorción eficiente de los fotones provenientes del sol Diferentes Energías! 1. Introducción Celdas Solares tipo Tandem Ingeniería del Band Gap Absorción del espectro solar con celdas de materiales de diferente E g. Multicapas de nanocristales de silicio Control de la absorción mediante QCE. Down conversion de los fotones ultraviolestas del espectro solar Absorción UV PL visible PL eficiente desde los nanocristales de silicio. E.-C. Cho et al, Advances in OptoElectronics (2007) Article ID Capa Antirreflejante (Si 3 N 4 ) Solar Cell nc-si

5 Estructuras fotovoltaicas de alta eficiencia que utilizan aleaciones de silicio amorfo convencional PROBLEMAS IMPORTANTES QUE PRESENTA ESTOS DISPOSITIVOS FABRICADOS CON SILICIO AMORFO HIDROGENADO CONVENCIONAL Poca estabilidad bajo insolación prolongada (Disminución importante de la eficiencia de conversión). Baja calidad de la interfaz en las uniones. Importantes pérdidas por baja absorción de fotones infrarrojos Perdidas ocasionadas por recombinación superficial.

6 INTENSIDAD RAMAN (a. u.) Intensidad RAMAN (u.a) Intensidad RAMAN (u.a) Intensidad RAMAN (u.a) 1. Introducción SILICIO AMORFO CON DIFERENTES GRADOS DE CRISTALIZACIÓN a1 a2 a3 a4 Matriz totalmente amorfa Matriz amorfa con 10% de cristalización Tamaño promedio de los nanocristales Nc= 2-5 nm Matriz amorfa con 40% de cristalización Tamaño promedio de los nanocristales Nc= 2-5 nm Matriz amorfa con 40% de cristalización Tamaño promedio de los nanocristales Nc= nm 1,2 1,0 0,8 R=SiH 2 Cl 2 /H 2 R=0.1 RF of 100 Watt 480 cm -1 R=SiH 2 Cl 2 /H 2 =0.05 RF of 50 W 480 cm cm -1 R=SiH 2 Cl 2 /H 2 =0.1 RF of 50 W 503 cm -1 R=SiH 2 Cl 2 /H 2 =0.05 RF of 150 W 519 cm -1 0,6 0,4 0,2 0, Número de Onda( cm -1 ) Número de Onda (cm -1 ) Número de Onda (cm -1 ) Número de Onda (cm -1 ) a1= a2 > a3 > a4

7 2. Uso del Diclorosilano Uso del diclorosilano para obtener nanocristales de silicio por PECVD. Modelo de crecimiento Especies metaestables SiCl x H y altamente reactivas con H at. Formación de HCl reacción exotérmica Calentamiento local incremento de la cristalización. Regula la incorporación del hidrógeno y el cloro en la película. H. Shirai et al, J. Non-Cryst. Solids, (2000) 131. Estabilidad de los enlaces Si Cl (391 kj mol 1 ) con respecto al Si H (328 kj mol 1 ) y al Si Si (226 kj mol 1 ) El cloro actúa como enlace terminal Limita el tamaño. Los procesos de nucleación son muy sensibles a la química de la superficie.

8 SISTEMA DE CRECIMIENTO POR PECVD Sistema de Depósito químico en fase vapor asistido por plasma (PECVD) diseñado en conjunto por especialistas de la UNAM y la empresa mexicana INTERCOVAMEX para la fabricación del silicio polimorfo nanoestructurado

9 2. Uso del Diclorosilano Morfología de la superficie estudiada por AFM 350 mtorr 30 s 60 s 120 s 600 s c-si c-si substrate B.M. Monroy et al, J. Nanosci. Nanotech, 6 (2006) Glass

10 2. Uso del Diclorosilano Morfología de la superficie estudiada por AFM 500 mtorr c-si Quartz SiN x Glass B.M. Monroy et al, J. Nanosci. Nanotech, 6 (2006) 3752.

11 Evidencia de la cristalinidad obtenida por HRTEM 2. Uso del Diclorosilano 3.6 nm 5 n m 4.0 nm 6.9 nm SiN x a-si

12 Caracterización Estructural: HRTEM 3. nc-si embebidos en silicio amorfo Química del Cloro: nc-si incrementan su tamaño y la distribución de tamaños con la potencia de RF. Los nc-si más grandes tienen formas irregulares Zonas cristalizadas

13 Series nc-si embebidos en silicio amorfo 25 W 5 n m 19 nm 5 n m 11 nm 5 n m nm

14 Series 2.5 In summary

15 Series 5 3. nc-si embebidos en silicio amorfo 150 W 5 0 n m 5 0 n m 2 1/ nm 1 0 n m

16 Series n m 1 0 n m 1 0 n m 1 0 n m For 150W the nanocrystal sizes range from 3 to 9 nm

17 Series 5 In summary

18 4. Propiedades optoelectrónicas de silicio polimorfo Caracterización Estructural: FTIR y RAMAN No hay evidencia de enlaces del tipo Si-H. El hidrógeno presente corresponde a enlaces en la superficie de los nc-si Diferencias en la fracción cristalina como una función de los parámetros de crecimiento Potencia RF y dilución de hidrógeno.

19 4. Propiedades optoelectrónicas de silicio polimorfo Absorción La absorción depende de la fracción cristalina y del confinamiento cuántico en nanocristales de tamaños muy pequeños.

20 Fotoluminiscencia y Fotoconductividad 4. Propiedades optoelectrónicas de silicio polimorfo PL debido a QCE Excelente pasivación superficial de los nc-si. La fotoconductividad se incrementa 2 ordenes bajo iluminación.

21 5. Conclusiones Uso del Diclorosilano como gas precursor: Permite el control de la incorporación de hidrógeno en forma de Si-H. Limita el tamaño de los nanocristales. Promueve la cristalización sin necesidad de tratamientos térmicos. nc-si embebidos en matrices de silicio amorfo: Regulación del contenido de hidrógeno por la introducción del cloro durante los crecimientos. Influencia de la fracción cristalina en las propiedades de absorción del material y en el mejoramiento del orden estructural en la matriz. La conductividad de las películas se incrementa mas de dos ordenes en presencia de iluminación.

22 5. Conclusiones Hipótesis de estructura de celda solar a películas delgadas de silicio polimorfo

23 Agradecimientos Laboratorio de Materiales Avanzados Para su Uso en Energías Renovables: Dr. Guillermo Santana, Dra. Betsabée Marel Monroy, Dr. Mario Fidel García, Dra. Monserrat Bizarro, Estudiantes: M.C. Carlos Álvarez, M.C. Adriana Benítez, M.C. Elis Mon, M.C. Luis Gómez, M.C. León Hamui, Ing. Carlos Ramos, Ing. Jaime Lora, Lic. Fernando Castillo, Estudiante de Lic. Química Carlos I. Salas Estudiantes Graduados: Dr. Aduljay Remolina Millan, M.C. Felix Santiago, M.C. Luis Gómez, M.C. León Hamui Financiamiento CONACyT-México-PAPIIT-UNAM y Proyectos -ICyTDF.

24 Gracias por su atención!

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