Nitruro de indio-aluminio (InAlN): las celdas solares del futuro E-Book

Luis Fernando Mulcué Nieto

• Herausgeber: Universidad Nacional de Colombia
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2024

Seitenzahl: 124

Beschreibung

La aleación ternaria semiconductora de nitruro de indio y aluminio (InxAl1-xN) despierta cada vez mayor interés en la industria, debido a sus potenciales aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos y fotovoltaicos. Debido a esto, en la última década han aumentado las investigaciones de este interesante material, especialmente para su empleo en futuras aplicaciones en celdas solares. En este libro presentamos las propiedades químicas, físicas, estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas de este semiconductor. El principal aporte es usar diversas estrategias para obtenerlo a un costo menor respecto a los métodos epitaxiales usados en celdas solares multiunión con eficiencia récord mundial. Para esto se obtuvo el material tanto por magnetrón sputtering Radio Frequency como por sputtering Direct Current; mediante el uso de un único blanco de InAl y a temperatura ambiente. Asimismo, se sintetizaron películas amorfas, policristalinas y altamente cristalinas, lo cual permite alto grado de versatilidad en la metodología propuesta.

Leseprobe

©Universidad Nacional de Colombia

©Editorial Universidad Nacional de Colombia

©Luis Fernando Mulcué Nieto y Wilmer Saldarriaga Agudelo

Editorial Universidad Nacional de Colombia

Leonardo Alberto Amaya Calderón

Director

Comité editorial

Leonardo Alberto Amaya Calderón

Ana Patricia Noguera de Echeverry

Fabio Andrés Pavas Martínez

Veronique Claudine Bellanger

Fredy Fernando Chaparro Sanabria

Jairo Iván Peña Ayazo

Pedro Nel Benjumea Hernández

Primera edición, 2023

ISBN 978-958-505-216-1 (ePub)

Edición

Editorial Universidad Nacional de Colombia

[email protected]

www.editorial.unal.edu.co

Colección Techné

Diseño de la colección: Andrea Kratzer, Juan Carlos Villamil, Henry Ramírez Fajardo

Coordinación editorial: Laura Camila Acosta Uzeta

Diagramación: Francisco Jiménez Montero

Corrección de estilo: Anyeli Rivera

Bogotá, D. C., Colombia, 2023

Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales.

Catalogación en la publicación Universidad Nacional de Colombia

Mulcué Nieto, Luis Fernando, 1983-

Nitruro de indio-aluminio (InAlN) : las celdas solares del futuro / Luis Fernando Mulcué Nieto, Wilmer Saldarriaga Agudelo. -- Primera edición. -- Bogotá : Universidad Nacional de Colombia. Editorial Universidad Nacional de Colombia, 2023

1 CD-ROM (108 páginas) : ilustraciones (principalmente a color), diagramas, imágenes. -- (Colección Techné)

Incluye referencias bibliográficas e índice temático

ISBN 978-958-505-216-1 (ePub)

1. Celda solar 2. Energía solar -- Investigaciones 3. Células fotovoltaicas 4. Células solares 5. Recursos energéticos renovables 6. Aleaciones resistentes al calor 7. Semiconductores 8. Nitruro de indio -- Aleaciones 9. Nitruro de aluminio -- Aleaciones I. Saldarriaga Agudelo, Wilmer de Jesús, 1974- II. Título III. Serie

CDD-23621.47 / 2023

Diseño epub:Hipertexto – Netizen Digital Solutions

Contenido

Introducción

Capítulo 1 Estado del arte

Propiedades ópticas de InAlN

Propiedades eléctricas del InAlN

Propiedades estructurales y morfológicas del InAlN

Condiciones de obtención de InAlN mediante técnicas epitaxiales

Condiciones de obtención de InAlN mediante magnetrón sputteringRF

Capítulo 2 Experimental

Técnica de magnetrón sputtering

Diseño experimental

Capítulo 3 Estudio de las propiedades del InAlN en función de la fracción molar de indio

Introducción

Metodología

Resultados y discusión

Conclusiones

Capítulo 4 Estudio de las propiedades del InAlN en función del espesor

Introducción

Metodología

Resultados y discusión

Conclusiones

Capítulo 5 Estudio de las propiedades del InAlN en función del tipo de sustrato

Introducción

Metodología

Resultados y discusión

Conclusiones

Capítulo 6 Construcción de un dispositivo de celda solar heterounión InAl-n/Si-p

Introducción

Condiciones de depósito

Caracterización química

Caracterización eléctrica

Diseño del contacto eléctrico posterior

Diseño del contacto eléctrico frontal

Construcción de la celda solar heterounión InAl-Si

Conclusión

Capítulo 7 Conclusiones y recomendaciones

Referencias

Índice temático

Lista de figuras

Figura 1. Esquema de una celda fotovoltaica convencional

Figura 2. Esquema del sistema de depósito de películas magnetrón sputteringRF

Figura 3. Principio físico por medio del cual se forman las películas de InAlN

Figura 4. Espectro surveyXPS para las capas de InxAl1-xN depositadas sobre sustrato de vidrio para diferentes fracciones molares de indio “x”

Figura 5. Espectro XPS de alta resolución para la muestra de In0.59Al0.41N

Figura 6. Patrones de difracción de las películas de InxAl1-xN depositadas sobre vidrio, en función de la concentración de In

Figura 7. Microscopía de fuerza atómica (AFM)

Figura 8. Variación de la rugosidad superficial del InAlN en función de la composición de indio

Figura 9. Imágenes SEM que muestran la morfología superficial de las capas de InxAl1-xN, en función de la concentración de In

Figura 10. Imágenes de sección transversal de las películas de InxAl1-xN

Figura 11. Gráficas de transmitancia de capas de InxAl1-xN para diferentes composiciones de In

Figura 12. Coeficientes de absorción de materiales típicos usados en celdas solares en comparación con el obtenido en este trabajo para el sistema InxAl1-xN

Figura 13. Gráficos de Tauc para las películas de InxAl1-xN con diferentes x

Figura 14. Gráfico de Eg vs. la fracción molar de indio en las capas obtenidas de InxAl1-xN

Figura 15. Densidad de portadores en función de la fracción molar de In

Figura 16. Resistividad en función de la fracción molar de In

Figura 17. Movilidad electrónica en función de la fracción molar de In

Figura 18. Medición del espesor para la película de InxAl1-xN de 235 nm

Figura 19. Características microestructurales de las películas de InxAl1-xN

Figura 20. Variación de la rugosidad superficial del InAlN en función del espesor

Figura 21. Medición del tamaño de grano de las capas de InAlN mediante imágenes AFM en 2D

Figura 22. Variación del tamaño de grano del InAlN en función del espesor

Figura 23. Imágenes SEM que muestran la morfología superficial de las capas de InxAl1-xN, en función del espesor

Figura 24. Patrones de difracción de las películas de InxAl1-xN depositadas sobre vidrio en función del espesor

Figura 25. Cambios en parámetros estructurales de las películas de InxAl1-xN depositadas sobre vidrio en función del espesor

Figura 26. Gráficas de transmitancia de capas de InxAl1-xN para diferentes espesores de In.

Figura 27. Coeficientes de absorción obtenidos para el sistema InxAl1-xN

Figura 28. Gráficos de Tauc para las películas de InxAl1-xN con diferentes espesores

Figura 29. Gráfico de Eg vs. el espesor para las capas obtenidas de InxAl1-xN

Figura 30. Densidad de portadores en función del espesor

Figura 31. Resistividad en función del espesor

Figura 32. Movilidad electrónica en función del espesor

Figura 33. Subsistemas construidos para estudiar las propiedades de las películas de InxAl1-xN al variar el sustrato

Figura 34. Medición del espesor para la película de InxAl1-xN sobre diferentes sustratos

Figura 35. Características microestructurales de las películas de InxAl1-xN

Figura 36. Variación de la rugosidad superficial del InAlN sobre diferentes sustratos

Figura 37. Apreciación cualitativa del tamaño de grano de las capas de InAlN sobre diferentes sustratos

Figura 38. Variación del tamaño de grano del InAlN sobre diferentes sustratos

Figura 39. Imágenes SEM que muestran la morfología superficial de las capas de InxAl1-xN depositadas sobre diferentes sustratos

Figura 40. Patrones de difracción de las películas de InxAl1-xN depositadas sobre diferentes sustratos

Figura 41. Cambios en parámetros estructurales de las películas de InxAl1-xN depositadas sobre diferentes sustratos

Figura 42. Densidad de portadores en InAlN crecido sobre cada sustrato

Figura 43. Resistividad eléctrica según el sustrato

Figura 44. Movilidad electrónica para en InAlN crecido sobre cada sustrato

Figura 45. Espectro obtenido, en función de la energía de enlace.

Figura 46. Curvas corriente-voltaje, obtenidas para verificar contacto óhmico entre los contactos y la muestra

Figura 47. Imágenes SEM de las muestras analizadas

Figura 48. Dispositivo fotovoltaico construido

Figura 49. Curva característica I-V obtenida para el dispositivo fotovoltaico

Agradecimientos

Este libro es resultado de mi tesis doctoral, por lo cual quiero expresar mis agradecimientos a todos aquellos que lo hicieron posible. A Dios, por darme la bendición de continuar con mis estudios. A mi esposa Kerly, mis hijos David y Neythan, por entender el tiempo que demanda una tesis.

Quiero dar las gracias a mi director y coautor, el Dr. Wilmer Saldarriaga, por su apoyo durante estos años, su gran aporte y experiencia fueron vitales.

Agradezco también a la profesora Dra. Elisabeth Restrepo y su equipo de trabajo: Santiago Arroyave, Daniel Escobar, Nicolás Duarte y Sebastián Mendoza del Laboratorio de Física del Plasma de la Universidad Nacional de Colombia, sede Manizales, por su gran apoyo logístico y académico durante el desarrollo de la tesis.

A los investigadores del Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAM-México: Dr. Wencel de la Cruz por la colaboración y enseñanza que me brindó durante la estancia doctoral, a la M. Sc. Eloisa Aparicio y al técnico Jaime Mendoza por las medidas de difracción de rayos X (XRD), al Ing. Israel Gradilla por las medidas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de energía dispersiva (EDS), al M. Sc. Eduardo Murillo por las medidas en el microscopio de fuerza atómica (AFM). También agradezco a los estudiantes del grupo de investigación del profesor Wencel: A la M. Sc. Angélica María Garzón, a los ingenieros Martín Ysidro Jáuregui, Juan Luis Macias, Ángel de Jesús Franyutti. También agradezco al Dr. Harvi Alirio Cuero por ponerme en contacto con el Dr. Wencel.

Al M.Sc. Néstor Eduardo Sánchez coordinador de Senova, por su apoyo con la técnica de sputtering de radiofrecuencia (RF) para desarrollar parte de las muestras en la Tecnoacademia Sena, regional Caldas.

Agradezco también el apoyo recibido a través de la beca de doctorado otorgada por el Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación de Colombia (Colciencias), convocatoria 617. Así mismo, el apoyo de movilidad Alianza del Pacífico, otorgado por la Secretaría de Relaciones Exteriores de México, fue fundamental para realizar mi estancia doctoral.

A la Escuela de Física de la Facultad de Ciencias, por el apoyo logístico y económico para participación en eventos y estancias de investigación.

Luis Fernando Mulcué Nieto

Dedico este libro a mi esposa Paola Ramírez, a mis hijos Nicolás y Federico, mis compañeros de viaje.

Wilmer Saldarriaga Agudelo

Introducción

Actualmente, una de las grandes problemáticas a nivel mundial es la creciente demanda de energía. Este fenómeno se debe a varios factores como el desarrollo tecnológico y el crecimiento de la población mundial. Sin embargo, este problema cuenta con los siguientes agravantes: el agotamiento de los combustibles fósiles, la contaminación ambiental por las emisiones de diversos elementos a la atmósfera y el calentamiento global resultado de los gases de efecto invernadero. Una de las soluciones a lo anterior es la implementación y utilización de las energías renovables. Estas son virtualmente inagotables, además de que su impacto ambiental es menor en comparación con las energías convencionales. En esta línea se destaca la energía solar fotovoltaica, debido a su gran disponibilidad y modularidad.

Celdas solares fotovoltaicas

El mínimo dispositivo capaz de generar electricidad de origen fotovoltaico se denomina celda solar. Su principio físico de funcionamiento consiste en el llamado “efecto fotovoltaico”, en el cual los fotones incidentes en un diodo semiconductor producen una diferencia de potencial [1]. Este voltaje genera una potencia de salida que alimenta un dispositivo eléctrico. En la figura 1 se muestra una célula fotovoltaica convencional de una sola unión p-n, en cuya interfase se forma un campo eléctrico que sirve para separar los electrones de los huecos.

Figura 1. Esquema de una celda fotovoltaica convencional

Tanto los materiales usados como el diseño de las celdas solares repercuten en el costo final del sistema fotovoltaico. Para entender esto podemos tener en cuenta la siguiente expresión [2]:

Se puede apreciar claramente que hay dos variables que influyen. La primera es el costo unitario en área que indica cuántos dólares cuesta construir cada metro cuadrado de módulo solar. Los siguientes factores aportan a esta variable:

• Tipo de tecnología y robustez de los equipos utilizados para fabricar los módulos fotovoltaicos.

• Las temperaturas de trabajo del proceso. Entre mayores sean, mayor será el costo final.

• La cantidad y el tipo de materiales requeridos.

• La duración y la estabilidad de la tecnología. Se espera que las celdas tengan un tiempo de vida de por lo menos 30 años.

La segunda variable es la eficiencia de conversión de una celda solar, entre mayor es, menor será el costo final. Esta se define como el porcentaje de la potencia solar incidente que se convierte en potencia eléctrica. La expresión matemática que permite calcularla, en función de las pérdidas internas del dispositivo, es la siguiente [3]:

Donde Φph,λ es el flujo espectral de fotones, λg la longitud de onda de los fotones de energía igual al band gap del semiconductor, Eg la energía del band gap, R* la reflectividad total efectiva en el rango de interés, IQE*op la eficiencia cuántica óptica interna, ηG la eficiencia cuántica por generación de portadores, IQE* la eficiencia cuántica eléctrica, Af el área efectiva de la celda, Atot el área total de la celda, Voc el voltaje de circuito abierto y FF el factor de llenado.

En la tabla 1 se detalla cada uno de los ocho términos que conforman la anterior expresión, junto con las propiedades de los materiales que son críticas para cada uno de ellos. De acuerdo con esta, las propiedades de los materiales que constituyen la celda solar son muy importantes para conseguir construir una celda solar eficiente.

Tabla 1. Factores de pérdida de eficiencia y las propiedades físicas

Factor de pérdida de eficiencia

Propiedades físicas relacionadas

1. No absorción por defecto de energía

Ópticas, químicas

2. Termalización por exceso de energía

Ópticas, químicas, electrónicas

3. Reflexión total

Ópticas, morfológicas

4. Absorción incompleta debido al espesor finito

Ópticas, químicas

5. Recombinación

Electrónicas, estructurales

6. Sombreado

Factor externo al material

7. Factor de tensión

Electrónicas, estructurales

8. Factor de llenado

Electrónicas, estructurales, ópticas, morfológicas

Fuente: [3].

Aunque existen diversos tipos de celdas solares en el mercado actual, usualmente se clasifican en tres generaciones, dependiendo del material básico utilizado y el nivel de madurez comercial.

Celdas solares de primera generación: consisten en silicio cristalino (c-Si) o silicio policristalino (p-Si). Esta tecnología cuenta con gran madurez y constituye cerca del 92 % del mercado actual [4].

Celdas solares de segunda generación: también llamadas “celdas solares de película delgada”. Consisten en capas de materiales de unos pocos micrómetros de espesor crecidas o depositadas sobre un sustrato. Pueden ser de silicio amorfo (a-Si), teluro de cadmio (Cd-Te), cobre-indio-selenio (CIS) y cobre-indio-galio-selenio (CIGS) [5]. La cantidad de material semiconductor utilizado en su fabricación es del 1 %, en comparación con la tecnología basada en silicio en bloque. Este factor las hace más económicas que las celdas de primera generación, por lo que actualmente su utilización es del 8 % en el mercado mundial [4].

La máxima eficiencia posible para las celdas procedentes de las dos tecnologías anteriores es del 31 % (consideradas tecnologías de monounión), si la radiación solar incidente es de 1 sol, es decir, si no se usan lentes para concentrarla. Pero alcanza el 41 % en la concentración máxima. A estos porcentajes se les denomina el “límite Shockley-Queisser”, en honor a los autores que usaron la teoría del balance detallado para calcularlo [6].

Celdas solares de tercera generación: corresponden a tecnologías que buscan reducir significativamente el costo de la celda, por cada kW de electricidad generado. Para esto se investiga cómo mejorar la eficiencia de conversión, pero manteniendo las ventajas ambientales y económicas de la tecnología de segunda generación. Una de las formas de lograr esto es construir “celdas solares multiunión o tándem”, que consisten en disponer varias capas de celdas, cada una con un gap de energía diferente. Los materiales más usados para este objetivo son los semiconductores de los grupos III y V de la tabla periódica, también llamados semiconductores III-V. Con esta estrategia, y uniendo varias capas, en teoría se pueden alcanzar eficiencias hasta del 68 % a 1 sol, y del 86.8 % a máximas concentraciones [7]