Materiales semiconductores para aplicaciones en células solares fotovoltaicas. Caracterización mediante microscopia electrónica de transmisión (TEM)

Abstract

La lucha contra el cambio climático es actualmente uno de los mayores retos a los que nos enfrentamos como sociedad. Para abordar este gran reto, la energía solar fotovoltaica surge como una de las pocas opciones energéticas inagotables y respetuosas con el medio ambiente, que además puede cubrir buena parte de la demanda de energía. Dentro de la energía solar fotovoltaica, las células solares multiunión basadas en semiconductores III-V son las células solares que mayor eficiencia han demostrado hasta la fecha ya que permiten un mejor aprovechamiento del espectro solar. Sin embargo, hay que tener en cuenta que las células solares multiunión de alta eficiencia basadas en semiconductores III-V se fabrican con estructuras más complejas (mayor número de capas, elementos nanométricos, etc) lo que hace que las técnicas habituales de caracterización a partir de medidas macroscópicas no nos indiquen exactamente qué parte o partes de la célula está fallando ni cuál es la causa del fallo. Es por ello que en esta tesis se abordan distintos retos existentes en el desarrollo de las células solares multiunión de alta eficiencia para entender los mecanismos que limitan su mejora. Para ello se han estudiado las propiedades ópticas y estructurales a nivel microscópico de diferentes estructuras semiconductoras a través de una caracterización avanzada y se han correlacionado con la respuesta fotovoltaica en el caso de dispositivos completos. En concreto se ha utilizado la microscopía electrónica de transmisión (TEM), la microscopía electrónica de trasmisión y barrido (STEM), espectroscopía de dispersión de rayos X (EDS), espectroscopía por pérdida de energía de los electrones (EELS) y catodoluminiscencia (CL). En primer lugar, se ha abordado la integración de los materiales III-V sobre Si a través del crecimiento de un substrato virtual de GaP sobre Si, demostrando la viabilidad del uso de una rutina a alta temperatura con pre-exposición de AsH3 mediante la obteniendo capas continuas libres de defectos de GaP/Si. También se ha concluido que la aparición de defectos planares comunes en este sistema está relacionada con la interrupción de los dímeros de Ga en la capa de GaP. En segundo lugar, se ha estudiado el efecto del recocido en el nitruro diluido GaNAsSb mediante alta resolución de CL en sección transversal y modo espectral, siendo altamente novedoso, concluyendo que el recocido en atmósfera de AsH3 permite una homogenización del N a lo largo de la capa y genera una mejora en las propiedades ópticas. Finalmente, se ha realizado un estudio en profundidad de la célula solar monounión GaInAs (1eV)/GaAs metamórfica. Se ha conseguido relacionar la diferencia en la respuesta fotovoltaica con propiedades estructurales. En concreto se ha concluido que la disminución de la eficiencia cuántica externa (EQE) podría estar relacionada, no solo con la formación de defectos, sino también con la aparición de trampas debido a la incorporación de dopantes no deseados, tales como C o Zn, para ciertas condiciones de crecimiento.

The struggle against climate change is one of the biggest challenges we face as a society. To address this great challenge, photovoltaic solar energy emerges as one of the few inexhaustible and environmentally friendly energy options, which can also cover a large part of the energy demand. Within photovoltaic solar energy, multijunction solar cells based on III-V semiconductors are the solar cells that have shown the highest efficiency to date, since the allow better use of the solar spectrum. However, it must be considered that high-efficiency multijunction solar cells based on III-V semiconductors are manufactured with more complex structures (greater number of layers, nanometric elements, etc.), which means that the usual characterization techniques based on macroscopic measurements do not tell us exactly which part of the cell is failing or what is causing the failure. That is why this thesis addresses different challenges in the development of high-efficiency multijunction solar cells to understand the mechanisms that limit their improvement. For this purpose, the optical and structural properties at the microscopic level of different semiconductor structures have been studied through advanced characterization and have been correlated with the photovoltaic response in the case of complete devices. Specifically, transmission electron microscopy (TEM), scanning transmission electron microscopy (STEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), electron energy loss spectroscopy (EELS) and cathodoluminescence (CL) have been used. Firstly, the integration of III-V materials on Si through the growth of a virtual GaP substrate on Si has been studied, demonstrating the feasibility of using a routine at high temperature with AsH3 pre-exposure by obtaining GaP/Si defect-free continuous layers. It has also been concluded that the appearance of common planar defects in this system is related to the disruption of Ga dimers in the GaP layer. Secondly, the effect of annealing on the dilute nitride GaNAsSb has been studied by means of high resolution CL in cross-section and spectral mode, being highly novel, concluding that annealing in an AsH3 atmosphere allows a homogenization of N along the layer and generates an improvement in the optical properties. Finally, an in-depth study of the GaInAs (1eV)/ GaAs metamorphic monojunction solar cell has been carried out. It has been possible to relate the difference in photovoltaic response with structural properties. Specifically, it has been concluded that the decrease in the external quantum efficiency (EQE) could be related, not only to the formation of defects, but also to the appearance of traps due to the incorporation of unwanted dopants, such as C and Zn, for certain conditions of growth.