Fisica de Celdas Fotovoltaicas. Parte I: Conceptos Previos

Transcripción

1 Fisica de Celdas Fotovoltaicas Parte I: Conceptos Previos José L. Solis Universidad Nacional de Ingenieria Instituto Peruano de Energia Nuclear

2 Materiales Semiconductores Los Semiconductores son un grupo de materiales que tienen conductividades entre los metales y aislantes. La clasificación de los semiconductores son: Materiales elementales semiconductores, grupo IV de la Tabla periódica. Materiales compuestos semiconductores, están formados de la combinacion de los elementos del grupo III y V.

3 Materiales Semiconductores III IV V

4 Materiales Semiconductores

5 Introducción Es imposible producir un material perfecto. Los cientificos de Materiales o Ingenieros manipulan la estructura de los materiales para producir materiales con propiedades deseadas.

6 Dureza vs. Estructura del acero vs. proceso

7 Propiedades ópticas del Al 2 O 3 Safiro

8 Propiedades de los Materiales

9 Estructura

10 Dimensiones de las Estructuras TiO 2 ( Rutilo ) Recubrimiento de WO 3 Nanoparticulas de WO 3 Pentaceno (C 22 H 14 (

11 Algunas Definiciones Los sólidos pueden dividirse en cristalino y amofo. Sólido Cristalino: Posee orden de corto y largo alcance. Los átomos, moleculas o iones ocupan posiciones espaciales específicas, y estan relacionadas entre si por operaciones de simetria. Sólido Amorfo: Posee solamente orden de corto alcance. No están relacionados por operaciones de simetria. Orden de Corto Alcance: Longitud y ángulo del enlace fijo. Orden de Largo Alcance: Asociado con la red.

12 SiO 2 Cristalino y Amorfo

13 Sólido Las muestras sólidas se forman cuando las atracciones electrostáticas entre los átomos, iones o moléculas superan al movimiento térmico y produce la pérdida de la libertad translacional. El arreglo espacial que el sólido adopta depende de la naturaleza de las fuerzas de enlaces presentes y siempre tendrá una configuración que minimize las interacciones electrostáticas o la energía de la red.

14 Tipos de Enlace Químico ( diamante ) Covalente ( NaCl ) Iónico ( silicatos ) Iónico covalente ( metales ) Metálico

15 Sólidos Amorfo orden de corto alcance Policristalino completamente en segmentos ordenado Cristal sólido entero formado con átomos ordenados

16 Sólidos Monocristal de granate Amorfo orden de corto alcance Policristalino completamente en segmentos ordenado Monocristal sólido entero formado con átomos ordenados

17 Importancia de la Estructura Cristalina

18 Arreglo de los átomos en un cristal GRAFITO Microscopio de Tunelamiento

19 Cristal

20 Celda elemental Celda elemental o unitaria es la unidad que puede reproducir la red solo por traslación. La elecció n de la celda no es única, sino que hay infinitas posibilidades.

21 14 Celdas de Bravais Pueden ser P: primitivas; I: centradas en el cuerpo (Inner); F: centradas en todas las caras del paralelepípedo (Face); A (B ó C): centradas en las caras perpendiculares al eje a (b o c); R: primitiva romboédrica. Ninguna restricción

22 Monoclínico

23 Ortorrómbico

24 Tetragonal a a

25 Hexagonal y trigonal

26 Cúbico

27 Estructura cristalina tipo Diamante Si y Ge La estructura de diamante es un FCC con una base de dos átomos ( FCC (000 y + las traslaciones Cada átomo esta rodeado por cuatro vecinos idénticos en un arreglo tetrahédrico

28 Estructura cristalina tipo Diamante GaAs

29 Dimensión de la celda Cu = M/V V c = M c / a Densidad = 8.94 g/cm 3 M c = 4 x 63.5 / (6.023 x10 23 ) a a V c = a 3 = 4.3 x 10-8 cm 3 a = 3.61 Å

30 NO existe un Cristal Perfecto

31 Tipos de Defectos Vacancia de átomo Átomo Intersticial Átomo Substitucional Dislocaciones Bordes de Grano Defectos Puntuales Defectos de Linea Defectos de Area

32 Defectos Puntuales Vacancia: La ausencia de un átomo en su sitio normal en la red cristalina

33 Defectos Puntuales Defecto substitucional: Substitución de un átomo de la red cristalina por otro distinto

34 Preparación y Obtención de Obleas de Si Procesos necesarios y requerimientos de pureza química exigidos por las industrias semiconductoras (concentración de impurezas y cantidad de defectos), tanto para Si como para GaAs. I) Purificación: obtención del material policristalino ( 1000ppm 1 er paso. Obtener el silicio de grado metalúrgico (99%, (MGS) refinar el SiO 2 químicamente. 2 do paso. Obtener el silicio de grado electrónico (EGS, de 8N a 11N) muy puro, libre de defectos procesado químico.

35 Si Grado Metalúrgico

36 Refinamiento del Si polisilicio grado electrónico (ge) con pureza de 99, %.

37 Preparación y Obtención de Obleas de Si II) Crecimiento de Si monocristalino Formación del monocristal de Si (material orientado y ( lingotes ) cristalino) en bloques cilíndricos de gran diámetro Técnicas de crecimiento: permiten el crecimiento del cristal mediante la solidificación de átomos de una fase líquida en una superficie (válidos tanto para Si como GaAs): La mayoría de los cristales de Si se obtienen mediante el método de Czochralski (CZ). Para aplicaciones optoelectrónicas de Si (fabricación de celdas solares) se utiliza el método de la zona fundida (Floating Zone, FZ).

38 Método de Czochralsky Czochralski en 1918 ideó esta técnica para determinar la velocidad de crecimiento de cristales. Fue en 1950 cuando en la Bell (Teal y Little) se realizaron las modificaciones para obtener el primer monocristal de Si con alto grado de pureza química y densidad de defectos cristalinos razonables (1952). Hoy día es una técnica similar en esencia, con mejoras como automatización, control informático, mejoras de pureza de la atmósfera.

39 Método de Czochralsky Se obtienen velocidades de crecimiento de mm/hr, con diámetros de hasta 30 cm. Un pequeño cristal (denominado semilla (100) o (111)) se introduce, se rota y se retira de la mezcla de silicio de gran pureza para de ese modo dar lugar a un cristal cilíndrico.

40 Método de Czochralsky T = 1420 C

41 Método de la Zona Fundida