OBTENCION DE CELDAS SO­LA­RES DE SILICIO POLIMORFO Y EL EFEC­TO DE LA TEM­PE­RA­TU­RA EN SUS PRO­PIE­DA­DES

Revista +Ciencia de la Facultad de Ingeniería - - ¡Ciencia a todo lo que da! - LEONHAMUIBALAS Me­ca­tró­ni­ca In­ge­nie­ría de Coor­di­na­dor

In­tro­duc­ción

La ener­gía fo­to­vol­tai­ca ha te­ni­do un gran au­ge en los úl­ti­mos años a ni­vel glo­bal. Con las nue­vas re­for­mas no so­lo se ha in­cre­men­ta­do la par­ti­ci­pa­ción del sec­tor pri­va­do en nues­tro país, sino tam­bién con­so­li­da­do la ge­ne­ra­ción de ener­gía lim­pia y fo­men­ta­do su uso. De es­te mo­do, la re­for­ma ener­gé­ti­ca per­mi­tió la exis­ten­cia de un mer­ca­do li­bre y abier­to que pro­mue­ve la com­pe­ti­ti­vi­dad.

Adi­cio­nal­men­te, la Se­cre­ta­ría de Ener­gía (Se­ner) es­ta­ble­ció co­mo me­ta una par­ti­ci­pa­ción mí­ni­ma de ener­gías lim­pias en la ge­ne­ra­ción de ener­gía eléc­tri­ca en nues­tro país: 25% pa­ra el 2018, 30% pa­ra el 2021 y 35% pa­ra el 2024. To­do es­to ha mar­ca­do la ne­ce­si­dad de ge­ne­rar una industria que per­mi­ta el abas­te­ci­mien­to de pro­duc­tos y ma­te­ria­les de ba­jo cos­to, así co­mo la apa­ri­ción de un mer­ca­do com­pe­ti­do ali­nea­do a las es­tra­te­gias na­cio­na­les en el sec­tor ener­gé­ti­co. El im­pul­so de la in­ves­ti­ga­ción, el desa­rro­llo y la in­no­va­ción en ener­gía so­lar per­mi­ti­rá el apro­ve­cha­mien­to del re­cur­so so­lar de nues­tro país. En la fi­gu­ra 1 se ob­ser­va la irra­dia­ción di­rec­ta nor­mal en las di­fe­ren­tes re­gio­nes geo­grá­fi­cas de Mé­xi­co, en don­de el co­lor más cla­ro in­di­ca el me­nor re­cur­so so­lar, mien­tras que el más obs­cu­ro lo con­tra­rio. Se pue­de in­fe­rir que el te­rri­to­rio na­cio­nal pre­sen­ta una gran can­ti­dad de re­cur­sos so­la­res que pue­den ser apro­ve­cha­dos pa­ra la ge­ne­ra­ción de ener­gía eléc­tri­ca.

La tec­no­lo­gía fo­to­vol­tai­ca ha pre­sen­ta­do un desa­rro­llo ace­le­ra­do pa­ra me­jo­rar su efi­cien­cia y es­ta­bi­li­dad, y dis­mi­nuir sus cos­tos de fa­bri­ca­ción. Ac­tual­men­te, las celdas so­la­res de silicio cris­ta­lino cuen­tan con una par­ti­ci­pa­ción del 85% en el mer­ca­do in­ter­na­cio­nal, sin em­bar­go, exis­ten tec­no­lo­gías de pe­lí­cu­las del­ga­das que han lo­gra­do dis­mi­nuir su cos­to sig­ni­fi­ca­ti­va­men­te, co­mo es el ca­so del silicio amor­fo.

No obs­tan­te, es­ta tec­no­lo­gía pre­sen­ta una de­gra­da­ción in­du­ci­da por la luz que afec­ta su efi­cien­cia de con­ver­sión ener­gé­ti­ca en el tiem­po, por lo que ha ocasionado una bús­que­da pa­ra el desa­rro­llo de dis­po­si­ti­vos es­ta­bles y efi­cien­tes du­ran­te ope­ra­ción. El silicio polimorfo, con­for­ma­do por na­no­cris­ta­les de silicio en una ma­triz de silicio amor­fo, tie­ne una ma­yor es­ta­bi­li­dad ba­jo la ex­po­si­ción de la luz; es­to adi­cio­na­do a que pre­sen­ta pro­pie­da­des de trans­por­te elec­tró­ni­co y que es una con­se­cuen­cia de la bue­na ca­pa­ci­dad del hi­dró­geno pa­ra pa­si­var de­fec­tos e im­pu­re­zas en el ma­te­rial. De­bi­do a que el hi­dró­geno jue­ga un pa­pel im­por­tan­te en la es­ta­bi­li­dad de es­te ti­po de ma­te­ria­les, en el pre­sen­te tra­ba­jo se ana­li­za el efec­to de la tem­pe­ra­tu­ra en su di­fu­sión y, a la vez, la for­ma en la que se en­la­za pa­ra es­ta­ble­cer la es­ta­bi­li­dad de una cel­da so­lar, la cual es com­pa­ra­da al va­riar su pro­ce­so de fa­bri­ca­ción, con el fin de de­ter­mi­nar la ma­ne­ra en que se pue­den ob­te­ner celdas so­la­res de silicio polimorfo más es­ta­bles.

Me­to­do­lo­gía

Las es­truc­tu­ras fo­to­vol­tai­cas de silicio polimorfo ti­po PIN y NIP fue­ron

de­po­si­ta­das me­dian­te sis­te­ma de de­pó­si­to quí­mi­co en fa­se va­por asis­ti­do por plas­ma (PECVD, por sus si­glas en in­glés); pa­ra ello, se uti­li­za­ron los mis­mos pa­rá­me­tros y tiem­pos, pe­ro lo úni­co que va­rió fue el or­den. Am­bas se de­po­si­ta­ron so­bre vi­drio Cor­ning re­cu­bier­to de óxi­do de es­ta­ño (ma­te­rial trans­pa­ren­te con­duc­tor), con una pre­sión de cá­ma­ra de 3.3 Torr y una po­ten­cia RF de 30 W pa­ra el aco­pla­mien­to del plas­ma. El plas­ma per­mi­tió la di­so­cia­ción de los ga­ses pre­cur­so­res (hi­dró­geno y si­lano), y las con­di­cio­nes de de­pó­si­to ge­ne­ra­ron los na­no­cris­ta­les den­tro del mis­mo, los cua­les pos­te­rior­men­te caen so­bre el subs­tra­to en el que se de­po­si­ta la película del­ga­da. Pa­ra evi­tar cual­quier oxi­da­ción de las pe­lí­cu­las del­ga­das que con­for­man la es­truc­tu­ra fo­to­vol­tai­ca, se de­po­si­ta­ron se­cuen­cial­men­te sin rom­per el va­cío. El es­pe­sor de las pe­lí­cu­las n y p que con­for­man el dis­po­si­ti­vo tie­nen un es­pe­sor de en­tre 20 y 30 nm, mien­tras que la película in­trín­se­ca tie­ne apro­xi­ma­da­men­te 200 nm de es­pe­sor.

Des­pués se hi­cie­ron me­di­cio­nes óp­ti­cas uti­li­zan­do elip­so­me­tría es­pec­tros­có­pi­ca, con ob­je­to de co­no­cer el es­pe­sor, la ru­go­si­dad y las pro­pie­da­des óp­ti­cas del dis­po­si­ti­vo, co­mo el coe­fi­cien­te de ab­sor­ción y el gap óp­ti­co. De ma­ne­ra adi­cio­nal, se efec­tua­ron me­di­cio­nes de es­pec­tros­co­pia Ra­man pa­ra in­ves­ti­gar la cris­ta­li­ni­dad de las es­truc­tu­ras fo­to­vol­tai­cas, y se to­ma­ron mi­cro­gra­fías con un mi­cros­co­pio elec­tró­ni­co de ba­rri­do pa­ra co­no­cer la mor­fo­lo­gía su­per­fi­cial de las pe­lí­cu­las. Asi­mis­mo, las pro­pie­da­des eléc­tri­cas de los dis­po­si­ti­vos se ob­tu­vie­ron por las me­di­das eléc­tri­cas que reali­zó un elec­tró­me­tro pro­gra­ma­ble Keith­ley 2400 en una geo­me­tría pla­na, uti­li­zan­do co­mo con­tac­to alu­mi­nio eva­po­ra­do en una cá­ma­ra al va­cío con 10-5 Torr. Pa­ra ha­cer las me­di­cio­nes eléc­tri­cas ba­jo ilu­mi­na­ción se usó una lám­pa­ra de 100 mW/cm2, con un es­pec­tro si­mi­lar al del sol.

En la ta­bla 1 se ob­ser­va la des­crip­ción ge­ne­ral de las es­truc­tu­ras PIN y NIP es­tu­dia­das en el pre­sen­te tra­ba­jo. Am­bas se de­po­si­ta­ron en el si­guien­te or­den: vi­drio/SnO2/es­truc­tu­ra (PIN o NIP). Su es­pe­sor to­tal es si­mi­lar y su ta­ma­ño es de apro­xi­ma­da­men­te 246 nm. Lo an­te­rior se de­be a que los pa­rá­me­tros de de­pó­si­to se man­tu­vie­ron cons­tan­tes pa­ra po­der ha­cer una com­pa­ra­ción en­tre las es­truc­tu­ras. En la fi­gu­ra 2 se mues­tra una mi­cro­gra­fía de la es­truc­tu­ra PIN, ob­te­ni­da me­dian­te un mi­cros­co­pio elec­tró­ni­co de ba­rri­do. En ella se ob­ser­van, en co­lor más obs­cu­ro, los na­no­cris­ta­les em­be­bi­dos en la ma­triz amor­fa del silicio polimorfo, así co­mo el ta­ma­ño del diá­me­tro de los cris­ta­les

de silicio, que es me­nor a 8 nm, y la den­si­dad que es re­la­ti­va­men­te al­ta.

Se sa­be que el pro­ce­so de di­fu­sión del hi­dró­geno es di­fe­ren­te pa­ra ca­da una de las es­truc­tu­ras re­fe­ri­das en el pre­sen­te tra­ba­jo, ya que de­pen­de de la ar­qui­tec­tu­ra del dis­po­si­ti­vo. Por esa ra­zón, el cam­bio en las pro­pie­da­des op­toe­lec­tró­ni­cas de los dis­po­si­ti­vos fo­to­vol­tai­cos se eva­luó me­dian­te un tra­ta­mien­to tér­mi­co de has­ta 500 °C. En la fi­gu­ra 3 po­de­mos ver el cam­bio en la po­si­ción del pi­co Ra­man pa­ra las es­truc­tu­ras PIN y NIP des­pués del tra­ta­mien­to tér­mi­co. Un co­rri­mien­to ha­cia me­no­res va­lo­res, co­mo el que se ob­ser­va, in­di­ca un cam­bio en el or­den de la mi­cro­es­truc­tu­ra in­ter­na y un au­men­to de de­fec­tos in­ter­nos. Es­to úl­ti­mo de­ri­va­do del mo­vi­mien­to de ac­ti­va­ción tér­mi­ca de los áto­mos de hi­dró­geno, que oca­sio­na va­can­cias y po­ros de ma­yor ta­ma­ño en las pe­lí­cu­las que con­for­man la es­truc­tu­ra fo­to­vol­tai­ca. Asi­mis­mo, la ca­li­dad de la película dis­mi­nu­ye y se po­dría es­pe­rar que la pro­ba­bi­li­dad de ge­ne­ra­ción de pa­res elec­trón-hue­co en el dis­po­si­ti­vo se re­duz­ca, afec­tan­do de es­te mo­do la efi­cien­cia de con­ver­sión. Otra im­por­tan­te ob­ser­va­ción en la fi­gu­ra 3 es que am­bas es­truc­tu­ras pre­sen­tan una cur­va si­mi­lar an­tes del tra­ta­mien­to tér­mi­co, lo que in­di­ca que su es­truc­tu­ra in­ter­na es si­mi­lar, es­pe­cí­fi­ca­men­te su frac­ción cris­ta­li­na; es­to tie­ne re­la­ción con

lo ob­ser­va­do en la fi­gu­ra 2. Por otro la­do, se ad­vier­te un pi­co que es­tá al­re­de­dor de los 400 cm-1, tam­bién de­ri­va­do de la ge­ne­ra­ción de de­fec­tos en la ma­triz de silicio amor­fo.

La fi­gu­ra 4 mues­tra los re­sul­ta­dos ob­te­ni­dos de las me­di­cio­nes eléc­tri­cas pa­ra am­bas es­truc­tu­ras fo­to­vol­tai­cas; en es­te ca­so, la cur­va IV apa­re­ce en obs­cu­ri­dad y ba­jo ilu­mi­na­ción. Es­tas es­truc­tu­ras en obs­cu­ri­dad tie­nen de ma­ne­ra si­mi­lar un com­por­ta­mien­to óh­mi­co, con re­sis­ti­vi­dad, en la ven­ta­na de me­di­ción se­lec­cio­na­da. En las dos es evi­den­te un cam­bio no­ta­ble ba­jo ilu­mi­na­ción, con una cur­va ti­po dio­do des­pla­zán­do­se a va­lo­res ne­ga­ti­vos por el efec­to de la luz. Sin em­bar­go, pa­ra la es­truc­tu­ra PIN es más pro­nun­cia­da, es­to se de­ri­va de la di­rec­ción y el or­den en el que ha­cen el re­co­rri­do los fo­to­nes den­tro del dis­po­si­ti­vo. Es­te co­rri­mien­to pre­sen­ta un ba­jo Voc (vol­ta­je de cir­cui­to abier­to) e Isc (co­rrien­te de corto cir­cui­to), lo cual aún es in­su­fi­cien­te pa­ra un dis­po­si­ti­vo fo­to­vol­tai­co de al­ta efi­cien­cia de con­ver­sión.

Con­clu­sio­nes

El silicio polimorfo pue­de ser una res­pues­ta de ba­jo cos­to pa­ra la ob­ten­ción de celdas so­la­res de al­tas efi­cien­cias y ma­yor es­ta­bi­li­dad, en com­pa­ra­ción con los ma­te­ria­les de pe­lí­cu­las del­ga­das uti­li­za­dos ac­tual­men­te. Se con­fir­mó la exis­ten­cia de na­no­cris­ta­les de silicio em­be­bi­dos en una ma­triz de silicio amor­fa, me­dian­te las me­di­cio­nes de mi­cros­co­pia elec­tró­ni­ca. La ob­ten­ción de es­te ti­po de ma­te­rial me­dian­te la téc­ni­ca de de­pó­si­to quí­mi­co, en fa­se va­por asis­ti­do por plas­ma, per­mi­te una ma­yor ca­li­dad en las pe­lí­cu­las y la po­si­bi­li­dad de ge­ne­rar es­pe­so­res del­ga­dos de al­re­de­dor de 246 nm pa­ra las es­truc­tu­ras fo­to­vol­tai­cas, re­du­cien­do así el vo­lu­men del ma­te­rial uti­li­za­do. La frac­ción cris­ta­li­na de am­bas es­truc­tu­ras se man­tie­ne cons­tan­te y va­ría con el tra­ta­mien­to tér­mi­co. Se ob­ser­va un pi­co que apa­re­ce al­re­de­dor de los 400 cm-1, tam­bién de­ri­va­do de la ge­ne­ra­ción de de­fec­tos en la ma­triz de silicio amor­fo, co­mo con­se­cuen­cia del tra­ta­mien­to tér­mi­co. Las es­truc­tu­ras, a pe­sar de ser de­po­si­ta­das con los mis­mos pa­rá­me­tros de de­pó­si­to pe­ro di­fe­ren­te or­den, pre­sen­tan com­por­ta­mien­tos fo­to­eléc­tri­cos dis­tin­tos ba­jo ilu­mi­na­ción. Es­to se apre­cia en ma­yor pro­por­ción en la es­truc­tu­ra PIN, lo cual in­di­ca que es ideal pa­ra el desa­rro­llo de dis­po­si­ti­vos fo­to­vol­tai­cos de pe­lí­cu­las del­ga­das con ba­se en silicio polimorfo.

Fi­gu­ra 1. Re­cur­so so­lar en Mé­xi­co, irra­dia­ción di­rec­ta nor­mal.

Fi­gu­ra 2. Ima­gen ob­te­ni­da de la es­truc­tu­ra PIN me­dian­te un mi­cros­co­pio elec­tró­ni­co de ba­rri­do.

Ta­bla 1. Des­crip­ción y es­pe­sor de las es­truc­tu­ras fo­to­vol­tai­cas PIN y NIP.

Fi­gu­ra 4. Cur­va IV en obs­cu­ri­dad y ba­jo ilu­mi­na­ción de las es­truc­tu­ras PIN y NIP de silicio polimorfo.

Fi­gu­ra 3. Evo­lu­ción del es­pec­tro Ra­man pa­ra las dos es­truc­tu­ras de­bi­do al tra­ta­mien­to tér­mi­co.

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