Fabricação de células solares de GaAs contendo pontos quânticos de InAs

Autor: Marcelo Delmondes de Lima, A. A. Quivy
Přispěvatelé: Alain Andre Quivy, Ronaldo Domingues Mansano, Daniel Neves Micha
Rok vydání: 2021
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
DOI: 10.11606/d.43.2019.tde-13092021-123518
Popis: Esse trabalho é o primeiro do Laboratório de Novos Materiais Semicondutores na área de células fotovoltaicas e, como tal, teve de enfrentar inicialmente vários desafios para que a pesquisa pudesse ser realizada em boas condições. Um panorama da tecnologia fotovoltaica atual foi apresentado, assim como todas as etapas da fabricação e dos testes dos dispositivos. As amostras foram crescidas pela técnica de epitaxia por feixes moleculares e processadas por litografia óptica, ataque químico molhado e metalização por feixe de elétrons. Usamos novas máscaras possuindo células solares com tamanho e contatos diferentes, e tentamos obter contatos elétricos de boa qualidade usando ligas diferentes para as camadas dopadas do tipo p e n. Após a fabricação de uma célula de GaAs de boa qualidade, usada como referência para o restante do estudo, algumas melhorias básicas foram feitas de maneira a aumentar a eficiência dela. Inicialmente, inserimos uma fina janela de AlGaAs na parte superior da estrutura para evitar a recombinação dos portadores na superfície, substituímos a camada traseira de GaAs mais dopada (BSF) por uma camada de AlGaAs para ver se isso melhorava o desempenho do dispositivo, e removemos da região óptica a fina camada superior de GaAs extremamente dopada (usada apenas para melhorar a qualidade do contato superior) para evitar que ela absorvesse parte da radiação incidente. A caracterização das células foi feita com um simulador solar e revelou que a primeira e terceira modificação melhoraram sensivelmente os dispositivos, levando a eficiência deles a 14%, maior valor obtido nesse trabalho, sendo que a segunda modificação não surtiu efeito. Finalmente, uma célula solar baseada na melhor estrutura obtida e contendo pontos quânticos de InAs na região ativa foi processada de maneira a tentar aumentar ainda mais a eficiência pela absorção da radiação incidente possuindo uma energia abaixo do gap do GaAs e que normalmente não é aproveitada. Os resultados indicaram uma redução de eficiência da ordem de 40% com a introdução dos pontos quânticos na estrutura, provavelmente relacionada com a geração de defeitos estruturais durante a formação das nanoestruturas. Algumas soluções para esse problema consistem em aumentar a dopagem dos pontos quânticos e concentrar a presença deles na parte inferior da região ativa. This is the first work of the Laboratory of New Semiconductor Materials in the field of photovoltaic cells and, as such, initially had to face several challenges so that the research could be carried out in good conditions. A panorama of the current photovoltaic technology is presented, as well as all the steps of the manufacture and tests of the devices. The samples were grown by molecular beam epitaxy and processed by optical lithography, wet etching and electron-beam metallization. We use new masks having solar cells with different sizes and contacts, and we tried to get good electrical contacts using different metallic alloys for the p and n-type regions. After the manufacture of a GaAs cell of good quality, that will be used as a reference for the remainder of the study, some basic improvements were made in order to increase its efficiency. Initially, we inserted a thin AlGaAs window at the top of the structure to prevent recombination of the carriers at the surface, then we replaced the back layer of highly doped GaAs material (BSF) by an AlGaAs layer to see if this improved the performance of the device, and, finally, we removed the thin top layer of extremely doped GaAs material (used only to improve the quality of the top contact) from the to prevent it from absorbing part of the incident radiation. The cell characterization was done with a solar simulator and revealed that the first and third modifications significantly improved the devices, leading an efficiency above 14%, the highest value obtained in this work, and that the second modification did not have any relevant effect. Finally, a solar cell based on the best structure described above and containing InAs quantum dots in the active region was processed in order to try to further increase the efficiency by absorbing the incident radiation having an energy below the GaAs bandgap which is normally not harnessed. The experimental results indicated a reduction of efficiency of the order of 40% after the introduction of the quantum dots in the structure, an effect that is probably related to the generation of structural defects during the formation of nanostructures. Some solutions to this problem are to increase the doping of the quantum dots and to concentrate their presence in the lower part of the active region.
Databáze: OpenAIRE
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