Tecnología de fabricación de celdas solares de silicio amorfo hidrogenado. Walter Kehuarucho Cardenas

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1 Tecnología de fabricación de celdas solares de silicio amorfo hidrogenado Walter Kehuarucho Cardenas

2 TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE CELDAS SOLARES DE SILICIO AMORFO HIDROGENADO Primera edición Enero, 2012 Lima - Perú Walter Kehuarucho Cardenas PROYECTO LIBRO DIGITAL PLD 0556 Editor: Víctor López Guzmán guzlopster@gmail.com guzlopnano@gmail.com facebook.com/guzlopster twitter.com/guzlopster Lima - Perú

3 PROYECTO LIBRO DIGITAL (PLD) El proyecto libro digital propone que los apuntes de clases, las tesis y los avances en investigación (papers) de las profesoras y profesores de las universidades peruanas sean convertidos en libro digital y difundidos por internet en forma gratuita a través de nuestra página web. Los recursos económicos disponibles para este proyecto provienen de las utilidades nuestras por los trabajos de edición y publicación a terceros, por lo tanto, son limitados. Un libro digital, también conocido como e-book, ebook, ecolibro o libro electrónico, es una versión electrónica de la digitalización y diagramación de un libro que originariamente es editado para ser impreso en papel y que puede encontrarse en internet o en CD-ROM. Por, lo tanto, no reemplaza al libro impreso. Entre las ventajas del libro digital se tienen: su accesibilidad (se puede leer en cualquier parte que tenga electricidad), su difusión globalizada (mediante internet nos da una gran independencia geográfica), su incorporación a la carrera tecnológica y la posibilidad de disminuir la brecha digital (inseparable de la competición por la influencia cultural), su aprovechamiento a los cambios de hábitos de los estudiantes asociados al internet y a las redes sociales (siendo la oportunidad de difundir, de una forma diferente, el conocimiento), su realización permitirá disminuir o anular la percepción de nuestras élites políticas frente a la supuesta incompetencia de nuestras profesoras y profesores de producir libros, ponencias y trabajos de investigación de alta calidad en los contenidos, y, que su existencia no está circunscrita solo a las letras. Algunos objetivos que esperamos alcanzar: Que el estudiante, como usuario final, tenga el curso que está llevando desarrollado como un libro (con todas las características de un libro impreso) en formato digital. Que las profesoras y profesores actualicen la información dada a los estudiantes, mejorando sus contenidos, aplicaciones y ejemplos; pudiendo evaluar sus aportes y coherencia en los cursos que dicta. Que las profesoras y profesores, y estudiantes logren una familiaridad con el uso de estas nuevas tecnologías. El libro digital bien elaborado, permitirá dar un buen nivel de conocimientos a las alumnas y alumnos de las universidades nacionales y, especialmente, a los del interior del país donde la calidad de la educación actualmente es muy deficiente tanto por la infraestructura física como por el personal docente. El per sonal docente jugará un rol de tutor, facilitador y conductor de proyectos

4 de investigación de las alumnas y alumnos tomando como base el libro digital y las direcciones electrónicas recomendadas. Que este proyecto ayude a las universidades nacionales en las acreditaciones internacionales y mejorar la sustentación de sus presupuestos anuales en el Congreso. En el aspecto legal: Las autoras o autores ceden sus derechos para esta edición digital, sin perder su autoría, permitiendo que su obra sea puesta en internet como descarga gratuita. Las autoras o autores pueden hacer nuevas ediciones basadas o no en esta versión digital. Lima - Perú, enero del 2011 El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica Víctor López Guzmán Editor

5 X Simposio Peruano de Energía Solar TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE CELDAS SOLARES DE SILICIO AMORFO HIDROGENADO Walter Kehuarucho Cardenas Departamento Académico De Física Universidad Nacional San Antonio Abad Del Cusco La conversión directa de energía solar a energía eléctrica, utilizando celdas solares fotovoltaicas es un mecanismo utilizado y en actualidad representa una alternativa para suplir una fracción de las necesidades energéticas mundiales. En los últimos años se ha reportado una celda solar utilizando silicio amorfo hidrogenado, puede tener una eficiencia hasta 15%. El silicio amorfo absorbe fotones de alta energía (violeta -azul) rango U.V. parte de visible, pero fotones rojos y amarillos no se transforman en energía eléctrica, mientras el silicio cristalino absorbe fotones de rango visible e infrarrojo. El carbono e hidrogeno elevan el valor de pseudo GAP de Eg = 1,68 ev hasta 2.8 ev. Además es costo de las celdas solares no pueden competir con otras formas de transformación de energía, por ello se plantea el estudio de semiconductores de silicio amorfo hidrogenado cuyo equipo de fabricación es relativamente bajo y llegando su eficiencia experimental de conversión hasta 10% en actualidad LABORATORIO DE ENERGIA SOLAR FACULTAD DE CIENCIAS-UNI-LIMA TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE CELDAS SOLARES DE SILICIO AMORFO HIDROGENADO Hasta la fecha, la mayoría de células y módulos fotovoltaicos que se encuentran en explotación en Instalaciones de uso terrestre, emplean el silicio, en sus formas monocristalina, policristalina y amorfa, como material semiconductor de base. El procedimiento de fabricación de las células de silicio mono o policristalino es esencialmente el mismo y comprende las siguientes etapas básicas: 1. Obtención de silicio de grado metalúrgico. 2. Purificación de silicio. 3. Crecimiento de los cristales de silicio. 4. Producción de las obras de material 5. Ataque químico y texturización. 6. Formación de la unión. 7. Colocación de contactos metálicos. 8. Tratamiento antirreflexivo. 2.- CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE VARIAS TECNOLOGÍAS DE MATERIALES EN ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA TIPO DE CELULA EFICIENCIA ESTABILIDAD COSTO DE PRODUCC. Si. Monocrístal. Muy alta: 20% Excelente Muy alto Si. Policristal Alta: 20% Excelente Medio Si. Amorfo Baja: 12% Muy Baja Bajo (Monounión) Si. Amorfo Baja: 13% Baja Bajo? (Multiunión) Compuestos Muy alta 26% Excelente Extremadamente III-V Alto Compuestos Media Buena Bajo? Policristalinos 14% Lamina Delgada Según esta tabla, las células basadas en materiales policristalinos en lamina delgada son una opción competitiva en la producción de células colares. A pesar de esta opción los materiales policristalinos pasa todavía por una solución de muchos problemas técnicos y científicos.

6 X Simposio Peruano de Energía Solar El silicio Amorfo es una opción por el costo bajo en su producción, y es alternativa en los siguientes procesos: a) Producciones de transistores en lamina delgada. b) Conversión fotovoltaica. 3.- CONSIDERACIONES QUE SE DEBE TENER EN CUENTA PARA EL DISEÑO DE UNA CELULA SOLAR FOTOVOLTAICA. ADAPTACIÓN AL ESPECTRO SOLAR: El espectro solar sobre la superficie terrestre no es uniforme. Adaptación de energía de GAP. MINIMAS, PERDIDAS OPTICAS: Producidos por fenómenos de Reflexión-Absorción. MINIMO ESPESOR: Por razones prácticas y económicas. Esto se consigue utilizando materiales que tengan gran capacidad de absorción de la luz. MAXIMA GENERACIÓN DE PORTADORES DE CARGA: La η de una célula será siempre una función del numero de portadores de carga que sean foto generados en la heterounión, por los fotones absorbidos. MINIMAS PERDIDAS ELECTRICAS EN LOS CIRCUITOS: MAXIMA FOTOESTABILIDAD. Esto se consigue empleando materiales que tengan resistencia a la degradación foto inducida y por lo tanto no sufran deterioro en sus propiedades. MINIMO COSTO DE PRODUCCIÓN: 4.- SOLIDOS AMORFOS Y SEMICONDUCTORES AMORFOS. En un cristal, la periodicidad geométrica tiene como consecuencia la periodicidad de la energía potencia, entonces permite aplicar el teorema de Block, permite calcular la estructura electrónica del material. En un sólido amorfo, las consideraciones anteriores dejan de ser validas entonces se hacen más complicado determinar las funciones de onda y el Hamiltoniano. Esto se debe a la ausencia de orden de largo alcance. DISTANCIA INTERATOM Y ANGULOS DE ENLACE SON IGUALES A LO LARGO DE TODA LA ESTRUCTURA O.C.A NO DEBE SEPARASE MUCHO DE SU POSICIÓN IDEAL HAY AUSENCIA DE O.L.A SILICIO AMORFO PARA CELULAS SOLARES ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN La interpretación de las propiedades ópticas y eléctricas como el Si Amorfo, requiere un conocimiento de la distribución energética de sus portadores de carga (estructura electrónica), ósea la densidad de estados electrónicos en función de la energía. Se presta muchas tensiones mecánicas internas debidas al desorden geométrico, con la aparición de todo tipo de distorsiones en la red: vacantes, enlaces no saturados y enlaces Si - H. La carencia del O.L.A inherente en sólidos amorfos da como resultado las colas de bandas, de conducción y valencia, que depende de la cantidad de desorden. La anchura del Pseudo GAP depende críticamente de las condiciones de fabricación esencialmente de la concentración de H. según MOTT Pseudo GAP.

7 X Simposio Peruano de Energía Solar DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DE LA DENSIDAD DE ESTADOS EN SEMICONDUCTORES AMORFOS ( DIAGRAMA DE BANDAS) Estas tensiones se relajan en gran medida por la distorsión de los ángulos de enlace y por la incorporación de H. No solo satura los enlaces, sino sirve de puente entre At. de Si. MODELO DE LA DENSIDAD DE ESTADOS: La determinación completa de la estructura de densidad de estados de un material requiere: El conocimiento de la posición de equilibrio de átomos (estructura atomiza). Sus modos normales de vibraciones (Estructura fonones). Estructura electrónica excitada. DOS ATOMOS DE Si UNIDOS ENTRE Si POR PUENTES DE H

8 X Simposio Peruano de Energía Solar * Supone que las colas de las bandas penetran profundamente el GAP de energía y se traslapan. µ(e): movilidad cambia varios ordenes de magnitud. ** Las colas de las bandas no penetran profundamente en el GAP de energía, si no que se extienden en el orden de 0.1 ev. Dentro del GAP. Y como es no cristalino contiene imperfecciones, tales como Daglind Bond, vacancias. *** Recientemente mediciones experimentales, especialmente mediciones de fotoconductividad, efecto de campo y mediciones de µ dan una imagen más detallada de los estados de a - Si: H. La banda central esta dividida en dos: - Una de niveles de impurezas y defectos aceptores y otra de donadores entre las cuales esta anclado el nivel de Fermi. (E F ). La estructura electrónica real es más compleja por ello los modelos aproximados son de gran utilidad en la interpretación de las propiedades ópticas y eléctricas de silicio amorfo. Diferentes gases se pueden mezclar con el silano: Si.H4 por ejemplo C. Ge. y Fluor. La incorporación del hidrogeno en el a.si (a.si:h). Puede hacer variar el GAP. De 1.5 ev. Hasta 2.0 ev. Porque: la energía de enlace de Si.H > Si.Si. CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA EN SEMICONDUCTORES AMORFOS. En a. Si existen 3 posibles mecanismos de conducción. - Conductividad total depende de la temperatura. - A temperaturas bajas, la conducción ocurre por saltos entre estados localizados cerca N f. Denominada conductividad por saltos en Rango variables. - A temperaturas altas, los portadores pueden ser excitados a través M borde de movilidad en estados extendidos la conductividad de los E. Ext. Es dominante. a) CONDUCCIÓN POR ESTADOS EXTENDIDOS: La conductividad para cualquier semiconductor es: f ( E) σ = e N( E) µ ( E) KT de E...(1) f(e): Función de distribución Fermi-Dirac. 1 E E f ( E) = 1 + exp KT usando la relación: f ( E) = f ( E) 1 E σ = e E C [ f ( E) ] N( E) µ ( E) f ( E) / KT F [ 1 f ( E) ]..(2) de Contribución de los electrones a la conductividad

9 X Simposio Peruano de Energía Solar En el modelo de Davis-Mott, la energía de Fermi esta situada cerca del medio del GAP. Y suficientemente lejos de E c. Ec - EF >> KT la σ es por e - situados en B. Móvil entonces se puede usar la estadística de Boltzman, para describir la ocupación de estados: [( E E ) KT ] f ( E) = exp F / Si se supone que tanto la densidad de estados como la movilidad son constantes dentro de la banda de conducción, se puede escribir: σ σ = σ min ( E exp...(3) E KT C F ) σ = en ( E) ( E) KT min µ min : es la conductividad mínima para una energía situada en el borde de la movilidad. σ min : esta usualmente en el orden (Ωm). La diferencia Ec - EF muestra para a-si una dependencia lineal con la T. E E = E γt = E C F La expresión para σ es: Eo KT σ =σo e...(4) E o Es la distancia en energía a T = O K. σ o = σ min e γk (es independiente de la T) para (a.si) γ =(4-8)x 10-4 ev/ K. una gráfica Lnσ 1/T permite obtener la energía de activación del proceso E o y el valor N(E C ), en el borde Movil. 0 a b) CONDUCCIÓN EN LAS COLAS DE LAS BANDAS. Si las funciones de onda con E A < E < E C (cola de la banda de conducción) son localizados, lo cual significa que la conducción entre estos estados solo puede realizarse por saltos térmicamente activados (hopping conductivity), en este proceso un e intercambia energía con un fonon cuando se mueve de un estado localizado a otro. la movilidad es: 2 1 er W ( E) = ν f exp 6 KT KT µ...(5) donde: ν f : Frecuencia fononica ( S -1 ) R: Es la distancia promedio de salto. W: ( KT) diferencia de energías entre 2 estados localizados. La movilidad es del orden 10-2 cm 2 /VS < estados extendidos. la dependencia de σ con la T, se puede hallar con la ayuda de la relación 1. Si suponemos una variación de la densidad de estados en la cola de la banda, como: N( E ) N ( E) = ( E E ) C S S A ( EC E A) La σ, para el caso de una variación lineal de la densidad de estados (S = 1), se escribe como: ( E E = + F W σ 1 exp KT A ) σ...(6) Donde: E E 1 2 σ = 1 exp 1 e ν KT + KT 6 R N( E ) 2 1 f C E =E C - E A, es el rango de penetración de la banda en el Pseudo GAP. A pesar de que W como σ 1 depende de T se espera una dependencia lineal. Ln σ 1/T.

10 X Simposio Peruano de Energía Solar SISTEMA DE DEPOSICIÓN GLOW DISCHARGE REACTIVO GLOW DISCHARGE REACTIVO. GLOW DISCHARGE D.C. - Es una técnica más usada para la deposición de a-si: H, es la descomposición del silano SiH 4 por descarga plasmatica. Desde el punto de vista de las propiedades fotovoltaicas, el método de GLOW-DISCHARGE D.C. de SiH 4 es el mas comúnmente empleado en la fabricación de celdas solares de silicio amorfo. - En el proceso los átomos del material a depositar son introducidos al plasma formado parte de un compuesto gaseoso. Este se descompone debido al alto voltaje. DESCARGAS A TRAVÉS DE GASES: Como descarga a través de un gas se entiende como el paso de corriente eléctrica a través de un volumen que contiene gas, las condiciones previas para este paso de corriente son: a) Algunas de las partículas de gas deben estar ionizadas por cualquiera de los medios disponibles. b) Debe existir un campo eléctrico que arrastre las partículas cargadas producidas, originándose de este modo la corriente. EL PLASMA FÍSICO: Es conocido que el condiciones normales todos los gases no conducen corriente eléctrica y son aisladores. No obstante, dada una temperatura alta ( 10 4 C) o bien un campo eléctrico fuerte, las propiedades de gas cambia de modo sustancial, este se ioniza convirtiéndose en un buen conductor de electricidad. En el transcurso de la ionización los átomos y moléculas neutras del gas pierden parte de sus e - y se transforman en partículas de carga +, es decir en iones. Observar: figura de deposición Glow-Discharge. DEPOSICIÓN DE LAS MUESTRAS Y CALCULOS: Con la debida limpieza, el cuidado necesario y a la vez pesados los sustratos, se procedió de la siguiente manera: Masa inicial: m s = 5,28700 gr. Masa Final: m sd = 5,29655 gr. CONDICIONES DE PREPARACIÓN Presión de deposición (Promed) : 200 militorr.

11 X Simposio Peruano de Energía Solar Corriente de plasma (Promed) : 50.5 ma. Voltaje : 1420 v. Temperatura del sustrato : 200 C. Presión de flujo de gas H : 90 kg-f/cm 2 Tiempo de deposición : 109 h. Campo eléctrico : 142 v/cm Resultado de la muestra : muy bueno.

12 X Simposio Peruano de Energía Solar CALCULO DEL ESPESOR DE LA MUESTRA: m e =, m = m s Aρ sd m S ρ s : ρ promedio de la muestra e = 0, , cm e = 2,43µm Como el Si. esta en abundancia que el H. se aproxima a la ρ del Si. DETERMINACIÓN DEL TIPO DE CONDUCTIVIDAD. Se usa un equipo llamado sonda Seebeck. Se calienta con 6 V y con 0,5 A. Se obtuvo semiconductores de tipo P. Observar Fig. (α) MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA

13 X Simposio Peruano de Energía Solar La muestra obtenida se corta un pedazo con diamante. Se sacan 2 conexiones con hilos delgados de Cu. Cuya separación debe ser 2-4 mm. Aproximadamente. Para realizar un contacto Oh mico entre el semiconductor y los hilos de cm. Se suelda con Ag. Dejar que seque 24 h. La conductividad de la película puede calcularse con la relación: L σ = R A medidas en la muestra: donde: e = 0, cm. ρ: Resistividad electrica. L = 0, cm. ρ: 1/σ W = 0,00044 cm. A = We (sección transv.) m ρl R m = We σ = R m 0,045375cm (6Ω)(0,00044)(0,000243) cm 2 σ ,716 Ω R m( ) Ω 9 1 = 10 cm 1 DATOS DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA T C 1/T ( K) -1 Rm (G Ω) σ (1/cm Ω) Ln(σ) 51 3,086E-03 2,61 1,63E-04-8, ,096E-03 2,89 1,47E-04-8, ,106E-03 3,11 1,36E-04-8, ,115E-03 3,39 1,25E-04-8, ,125E-03 3,63 1,17E-04-9, ,135E-03 3,90 1,09E-04-9, ,145E-03 4,19 1,01E-04-9, ,155E-03 4,44 9,56E-05-9, ,165E-03 4,69 9,05E-05-9, ,175E-03 4,99 8,50E-05-9, ,185E-03 5,26 8,07E-05-9, ,195E-03 5,54 7,66E-05-9, ,205E-03 5,83 7,28E-05-9, ,215E-03 6,04 7,03E-05-9, ,226E-03 6,27 6,77E-05-9, ,236E-03 6,47 6,56E-05-9, ,247E-03 6,67 6,36E-05-9, ,257E-03 6,79 6,25E-05-9, ,268E-03 6,92 6,13E-05-9, ,279E-03 7,10 5,98E-05-9,7250

14 X Simposio Peruano de Energía Solar

15 UNIVERSIDAD NACION AL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO X SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR TECNOLOGÍA A DE FAB RIC A CIÓN N DE CELDAS SOLARES DE SILICIO AMORFO HIDROGENADO Lic. D. WALTER KEHUARUCHO CARDENAS - UNSAAC : kewa505@hotmail hotmail.com

16 RESUMEN La conversión directa de energía solar a energía eléctrica, utilizando celdas solares fotovoltaicas es un mecanismo utilizado y en actualidad, representa una alternativa para suplir una fracción de las necesidades energéticas mundiales. En los últimos años se ha reportado una celda solar utilizando silicio amorfo hidrogenado, puede tener una eficiencia hasta 15%. El silicio amorfo absorbe fotones de alta energía (violeta -azul) rango U.V. parte del visible, pero fotones rojos y amarillos no se transforman en energía eléctrica, mientras el silicio cristalino absorbe fotones de rango visible e infrarrojo. El carbono e hidrogeno elevan el valor del pseudo GAP de Eg = 1,68 ev hasta 2.8 ev. Además el costo de las celdas solares no pueden competir con otras formas de transformación de energía, por ello se plantea el estudio de semiconductores de silicio amorfo hidrogenado cuyo equipo de fabricación es relativamente bajo y llegando su eficiencia experimental de conversión hasta 10% en actualidad.

17 TECNOLOGÍA A DE FABRICACIÓN N DE CELDAS SOLARES DE SILICIO AMORFO HIDROGENADO Hasta la fecha, la mayoría de células y módulos fotovoltaicos que se encuentran en explotación en Instalaciones de uso terrestre, emplean el silicio, en sus formas monocristalina, policristalina y amorfa, como material semiconductor de base. El procedimiento de fabricación de las células de silicio mono o policristalino es esencialmente el mismo y comprende las siguientes etapas básicas: 1. Obtención de silicio de grado metalúrgico. 2. Purificación de silicio. 3. Crecimiento de los cristales de silicio. 4. Producción de las obras de material semiconductor de base. 5. Ataque químico y texturización. 6. Formación de la unión. 7. Colocación de contactos metálicos. 8. Tratamiento antirreflexivo.

18 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS B DE VARIAS TECNOLOGÍAS DE MATERIALES EN ENERGÍA A SOLAR FOTOVOLTAICA. TIPO DE CELULA EFICIENCIA ESTABILIDAD COSTO DE PRODUCC. Si. Monocrístal. Muy alta: 20% Excelente Muy alto Si. Policristal Alta: 20% Excelente Medio Si. Amorfo (Monounión) Baja: 12% Muy Baja Bajo Si. Amorfo (Multiunión) Baja: 13% Baja Bajo Compuestos III-V Muy alta 26% Excelente Extremadamente Alto Compuestos Policristalinos Lamina Delgada Media 14% Buena Bajo

19 Según esta tabla, las células basadas en materiales policristalinos en lamina delgada son una opción competitiva en la producción de células colares. A pesar de esta opción los materiales policristalinos pasa todavía por una solución de muchos problemas técnicos y científicos. El silicio Amorfo es una opción por el costo bajo en su producción, y es alternativa en los siguientes procesos: a.- b.- Producciones de transistores en lamina delgada. Conversión fotovoltaica.

20 CONSIDERACIONES QUE SE DEBE TENER EN CUENTA PARA EL DISEÑO O DE UNA CELULA SOLAR FOTOVOLTAICA. ADAPTACIÓN AL ESPECTRO SOLAR. El espectro solar sobre la superficie terrestre no es uniforme. Adaptación de energía de GAP. MINIMAS, PERDIDAS OPTICAS. Producidos por fenómenos de Reflexión-Absorción. MINIMO ESPESOR. Por razones prácticas y económicas. Esto se consigue utilizando materiales que tengan gran capacidad de absorción de la luz. MAXIMA GENERACIÓN DE PORTADORES DE CARGA. La η de una célula será siempre una función del numero de portadores de carga que sean foto generados en la heterounión, por los fotones absorbidos. MINIMAS PERDIDAS ELECTRICAS EN LOS CIRCUITOS. MAXIMA FOTOESTABILIDAD. Esto se consigue empleando materiales que tengan resistencia a la degradación foto inducida y por lo tanto no sufran deterioro en sus propiedades. MINIMO COSTO DE PRODUCCIÓN.

21 N ( E) ESTADOS EXTEND N( E) COHEN-FRITZCHE OVSHINKY ESTADOS LOCALIZ DAVIS-MOTT B.V E F B.C E V E C E V E B E F E A E C N( E) DAVIS-MOTT-MODIF. N( E) p D E F n A E F E V E C E V E C DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DE LA DENSIDAD DE ESTADOS EN SEMICONDUCTORES AMORFOS ( DIAGRAMA DE BANDAS)

22 MODELO DE LA DENSIDAD DE ESTADOS La determinación completa de la estructura de densidad de estados de un material requiere: El conocimiento de la posición de equilibrio de átomos (estructura atomiza). Sus modos normales de vibraciones (Estructura fonones). Estructura electrónica excitada.

23 CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA EN SEMICONDUCTORES AMORFOS a. CONDUCCIÓN N POR ESTADOS EXTENDIDOS. La conductividad para cualquier semiconductor es: f ( ) ( ) ( E ) = E N E µ E KT de E f(e): Función de distribución Fermi-Dirac. σ f () E E E = 1 + exp KT usando la relación: F 1 ( E) ( )[ ()] f = f E 1 E f E KT () E µ () E f () E f () E σ = e N [ 1 ]de E C... (1)... (2) σ: Contribución de los electrones a la conductividad

24 En el modelo de Davis-Mott, la energía de Fermi esta situada cerca del medio del GAP. Y suficientemente lejos de E c. Ec - EF >> KT la σ es por e - situados en B. Móvil entonces se puede usar la estadística de Boltzman, para describir la ocupación de estados: f E E F ( E) = exp KT Si se supone que tanto la densidad de estados como la movilidad son constantes dentro de la banda de conducción, se puede escribir: σ = σ min E exp C E KT F... (3) σ = min en ( E ) ( E )KT C µ C σ min : es la conductividad mínima para una energía situada en el borde de la movilidad. σ min : esta usualmente en el orden (Ωm).

25 La diferencia E c -E F muestra para a-si una dependencia lineal con la T. E E = E γt = C F 0 E a Entonces la expresión para σ es: 0 E 0 KT... (4) σ = σ e... (4) E o Es la distancia en energía a T = O K. σ 0 = σ es independiente de la T min e γ K para (a.si) γ =(4-8)x 10-4 ev/ K. una gráfica Lnσ 1/T permite obtener la energía de activación del proceso E o y el valor N(E C ), en el borde Movil.

26 b. CONDUCCIÓN N EN LAS COLAS DE LAS BANDAS. Si las funciones de onda con E A < E < E C (cola de la banda de conducción) son localizados, lo cual significa que la conducción entre estos estados solo puede realizarse por saltos térmicamente activados (hopping conductivity), en este proceso un e - intercambia energía con un fonon cuando se mueve de un estado localizado a otro. la movilidad es: 2 () er W µ E = 1 νf exp 6 KT KT... (5) donde: ν f : Frecuencia fononica ( S -1 ) R : Es la distancia promedio de salto. W : ( KT) diferencia de energías entre 2 estados localizados. La movilidad es del orden 10-2 cm 2 VS < estados extendidos.

27 La dependencia de σ con la T, se puede hallar con la ayuda de la relación 1. Si suponemos una variación de la densidad de estados en la cola de la banda como: N () E = N( E ) C ( ) ( S E E A E E )S C A La σ, para el caso de una variación lineal de la densidad de estados (S = 1), se escribe como: σ = σ 1 E + A EF W exp KT... (6)( donde: σ 1 = 1 exp ν KT KT 6 E E e f R N E C ( ) E =E C -E A, es el rango de penetración de la banda en el Pseudo GAP.

28 A pesar de que W como σ 1 lineal. depende de T se espera una dependencia Ln σ 1/T.

29 SISTEMA DE DEPOSICIÓN N GLOW DISCHARGE REACTIVO GLOW DISCHARGE REACTIVO. GLOW DISCHARGE D.C: Es una técnica más usada para la deposición de a-si: H, es la descomposición del silano SiH 4 por descarga plasmatica. Desde el punto de vista de las propiedades fotovoltaicas, el método de GLOW-DISCHARGE D.C. de SiH 4 es el mas comúnmente empleado en la fabricación de celdas solares de silicio amorfo. En el proceso los átomos del material a depositar son introducidos al plasma formando parte de un compuesto gaseoso. Este se descompone debido al alto voltaje.

30 DESCARGAS A TRAVÉS DE GASES: Como descarga a través de un gas se entiende como el paso de corriente eléctrica a través de un volumen que contiene gas, las condiciones previas para este paso de corriente son: a. Algunas de las partículas de gas deben estar ionizadas por cualquiera de los medios disponibles. b. Debe existir un campo eléctrico que arrastre las partículas cargadas producidas, originándose de este modo la corriente. EL PLASMA FÍSICO: Es conocido que el condiciones normales todos los gases no conducen corriente eléctrica y son aisladores. No obstante, dada una temperatura alta ( 10 4 C) o bien un campo eléctrico fuerte, las propiedades de gas cambia de modo sustancial, este se ioniza convirtiéndose en un buen conductor de electricidad. En el transcurso de la ionización los átomos y moléculas neutras del gas pierden parte de sus e - - y se transforman en partículas de carga +, es decir en iones. Observar: figura de deposición Glow-Discharge.

31 DEPOSICIÓN DE LAS MUESTRAS Y CALCULOS: Con la debida limpieza, el cuidado necesario y a la vez pesados los sustratos, se procedió de la siguiente manera: Masa inicial: m s = 5,28700 gr. Masa Final: m sd = 5,29655 gr. CONDICIONES DE PREPARACIÓN: Presión de deposición (Promed) Corriente de plasma (Promed) : 200 militorr. : 50.5 ma. Voltaje : 1420 v. Temperatura del sustrato : 200 C. Presión de flujo de gas H : 90 kg-f/cm 2 Tiempo de deposición : 109 h. Campo eléctrico Resultado de la muestra : 142 v/cm : muy bueno.

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33 CALCULO DEL ESPESOR DE LA MUESTRA Como el Si. esta en abundancia que el H. se aproxima a la ρ del Si. m e =, Aρ m = m Sd m S S ρ s : ρ promedio de la muestra e 0,00955 = cm e = 2,43 µ m 39,209976

34 DETERMINACIÓN N DEL TIPO DE CONDUCTIVIDAD Se usa un equipo llamado sonda Seebeck. Se calienta con 6 V y con 0,5 A. Se obtuvo semiconductores de tipo P.

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36 MEDICIÓN N DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA La muestra obtenida se corta un pedazo con diamante. Se sacan 2 conexiones con hilos delgados de Cu. Cuya separación debe ser 2-4 mm. Aproximadamente. Para realizar un contacto Oh mico entre el semiconductor y los hilos de cm. Se suelda con Ag. Dejar que seque 24 h.

37 La conductividad de la película puede calcularse con la relación: σ = L R A m R ρ L = We medidas en la muestra: donde: e = 0, cm. ρ : Resistividad electrica. L = 0, cm. ρ : 1/σ W = 0,00044 cm. A = We (sección transv.) σ = R m 0, cm 0, , ( Ω)( )( ) 6 cm σ ,716 Ω 9 1 = 10 cm R m () Ω 1

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39 DATOS DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA T C 1/T ( K) -1 Rm (G Ω) σ (1/cm Ω) Ln(σ) 51 3,086E-03 2,61 1,63E-04-8, ,096E-03 2,89 1,47E-04-8, ,106E-03 3,11 1,36E-04-8, ,115E-03 3,39 1,25E-04-8, ,125E-03 3,63 1,17E-04-9, ,135E-03 3,90 1,09E-04-9, ,145E-03 4,19 1,01E-04-9, ,155E-03 4,44 9,56E-05-9, ,165E-03 4,69 9,05E-05-9, ,175E-03 4,99 8,50E-05-9, ,185E-03 5,26 8,07E-05-9, ,195E-03 5,54 7,66E-05-9, ,205E-03 5,83 7,28E-05-9, ,215E-03 6,04 7,03E-05-9, ,226E-03 6,27 6,77E-05-9, ,236E-03 6,47 6,56E-05-9, ,247E-03 6,67 6,36E-05-9, ,257E-03 6,79 6,25E-05-9, ,268E-03 6,92 6,13E-05-9, ,279E-03 7,10 5,98E-05-9,7250

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41 Universidad Nacional San Antonio Abad del Cusco Asociación Peruana de Energía Solar (APES) Universidad Nacional de Ingeniería X Simposio Peruano de Energía Solar Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para la Descontaminación y Desinfección de Agua Cusco, 17 al 22 de noviembre de 2003 Seminario Internacional Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo Cusco, de abril de 2004 Editado por: Manfred Horn Juan Rodriguez Patricia Vega Auspician Salir Ministerio de Industria y Turismo Municipalidad Provincial del Cusco Ministerio de Energía y Minas