Caracterización espectral de células solares...

UNIVERSIDAD DE SALAMANCA

FACULTAD DE FÍSICA

MÁSTER EN FÍSICA Y TECNOLOGÍA DE LOS LÁSERES

Caracterización espectral de células

solares comerciales

Autor

Rocío E. Rojas Hernández

Tutor Fecha de presentación

Enrique Díez Fernández Junio 2011

A mi abuela

por su voz de aliento y de lucha

Índice general

1. Introducción 7

1.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2. Objetivos y justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. Células solares 11

2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2. Fundamento teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.1. Efecto fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.2. La luz solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3. Unión p− n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4. Funcionamiento de las células solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.5. Silicio multicristalino y Silicio amorfo hidrogenado . . . . . . . . . . . 16

3. Métodos y materiales experimentales 21

3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2. Sistemas experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2.1. Espectrómetro Micro-Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2.2. Elipsometría espectroscópica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2.3. Simulador Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2.4. Equipo de medida de la eficiencia cuántica . . . . . . . . . . . . 25

3.3. Modo de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.1. Simulador Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3.2. Equipo de medida de eficiencia cuántica . . . . . . . . . . . . . 28

3.4. Medidas experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.4.1. Caracterización óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5

6 ÍNDICE GENERAL

3.4.2. Caracterización eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5. Dispositivos solares de estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4. Resultados y discusión 39

4.1. Caracterización óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.2. Caracterización eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2.1. Estudio de características IV y PV en función de la radiación

incidente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2.2. Estudio de uniones p− i− n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2.3. Estudio de distintos tipos de substratos . . . . . . . . . . . . . . 50

4.2.4. Efecto de la degradación en el tiempo . . . . . . . . . . . . . . 52

4.2.5. Union n-i-p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.3. Caracterización electro-óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5. Conclusiones 59

Capítulo 1

Introducción

1.1. Antecedentes

Actualmente la energía solar es una opción energética estratégica para la sociedad.

Las instalaciones fotovoltaicas en todo el mundo han aumentado una tasa media anual

superior al 35% desde 1998. Invertir en conocimiento en este campo aumentaría la

penetración de la electricidad solar en la combinación energética mundial, reduciendo

emisiones de gases de efecto invernadero. Es necesario realizar investigación a corto,

medio y largo plazo pues se requiere de drásticas reducciones de costes en todos los

elementos de sistema fotovoltaico. Un paso decisivo es realizar más investigación en

nuevas tecnologías, materiales y procesos que permitan aumentar la competitividad de

los nuevos módulos solares fotovoltaicos.

Esta tesis no es un trabajo aislado, pues dentro del grupo de investigación en el que

se ha desarrollado, se realiza de forma simultánea trabajos en simulación TCAD (Tech-

nology Computer-Aided Design). Esto permite no sólo caracterizar experimentalmente

los dispositivos, sino establecer un enlace proporcionando información al grupo de si-

mulación con el fin de mejorar el procedimiento de fabricación de las células solares.

Hasta ahora se ha podido completar las simulaciones TCAD a partir de las medidas

experimentales con un buen acuerdo entre ellas. Es importante también destacar el

papel de empresas suministradoras de los dispositivos solares como Pevafersa y Soli-

ker, en especial a esta última pues nos ha proporcionado distintos dispositivos para

poder evaluar y poner en marcha los equipos de caracterización.

7

8 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

La memoria está estructurada en dos partes. La primera de ellas se compone del

capítulo 1, 2 y 3, en la que se revisa el funcionamiento de las células solares y se explica

los equipos utilizados para caracterizarlas. Y una segunda parte que abarca el capítulo

4 donde se presentan y discuten los principales resultados experimentales obtenidos.

1.2. Objetivos y justificación

Actualmente existen diferentes técnicas de caracterización de células solares, cu-

yo fin es evaluarlas eléctrica, óptica y estructuralmente. Esto sirve como técnica de

diagnóstico para intentar buscar los materiales idóneos que deben ser empleados. Las

técnicas permiten no solo una caracterización integral del dispositivo, sino también

posibilita la evaluación de las etapas intermedias de fabricación para lograr un óptimo

rendimiento de las células solares. A continuación se presentan los objetivos del pre-

sente trabajo:

Caracterización óptica mediante técnicas como la espectroscopia micro-raman y

elipsometría espectroscópica. Se determinará la homogeneidad de las células de

silicio amorfo, el grado de cristalinidad tanto para las células de silicio amorfo

como para las de silicio multicristalino y los espesores de las capas finas.

Montaje y puesta a punto del sistema experimental (Simulador Solar y Equipo

de medida de la eficiencia cuántica ).

Caracterización electroóptica empleando un Simulador Solar que permite unas

condiciones standard de iluminación. Verificación del programa de toma de da-

tos en entorno Labview10 R©. Obtención de las Curvas corriente-tensión (I-V) y

potencia-tensión (P-V) y con ello de los parámetros característicos de los disposi-

tivos solares. Se desarrolla un método para la medida de éstas curvas y obtención

de parámetros que va permitir caracterizar de forma sistemática y óptima los dis-

positivos solares.

1.2. OBJETIVOS Y JUSTIFICACIÓN 9

Una vez verificado la fiabilidad de las medidas y con ello de la obtención de

los parámetros característicos, se analiza distintos factores que influyen en el

comportamiento de las células de silicio amorfo hidrogenado(a− Si : H) como:

• Dependencia del la radiación incidente.

• Estudio de los tipos de uniones p− i− n.

• Estudio de distintos tipos de substratos.

• Dependencia del factor tiempo se realiza una cuantificación de la degrada-

ción de la potencia real a lo largo del tiempo.

Evaluación de la respuesta espectral de las células solares de silicio multicristalino

mediante equipo de medida de la eficiencia cuántica y comprobación de la validez

de los resultados obtenidos con el equipo.

Capítulo 2

Células solares

2.1. Introducción

En este capítulo se describe el funcionamiento y comportamiento de las células

solares y los tipos de células que hay en la actualidad haciendo énfasis en las de silicio

amorfo (a− Si : H) y silicio multicristalino (mc− Si).

2.2. Fundamento teórico

2.2.1. Efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico es un fenómeno físico en el que la energía luminosa incidente

es absorbida y transformada parcialmente en energía eléctrica; el exceso de energía se

absorbe en forma de fonones. Este efecto fue observado por primera vez en 1839 por

Alexander E. Bequerel, descubrió que en una celda electrolítica al cambiar la inten-

sidad de luz cambiaba la corriente de conducción. En 1876 Adams y Day observaron

el mismo fenómeno con selenio solido, lo que dio lugar a que 1883 Fritts produjera la

primera celda fotovoltaica de éste material.

La energía solar fotovoltaica es una alternativa para la producción de energía eléc-

trica, se empezó a desarrollar en los años setenta, con eficiencias del 3-5%. Su evolución

en las últimas décadas y las mejoras introducidas son evidentes, actualmente existen

compañías que producen células solares con eficiencias superiores al 27%.

11

12 CAPÍTULO 2. CÉLULAS SOLARES

2.2.2. La luz solar

La radiación solar que incide en la superficie de la tierra sufre un gran impacto

atmosférico. Su reducción es debida a fenómenos como la absorción y el scattering.

Debido a ello el contenido espectral de la radiación solar cambia. A esto se suma los

cambios locales que se producen en la composición de la atmósfera tales como vapor

de agua, polución, que también afectan a la direcionalidad y la densidad de potencia

de la radiación. La absorción es debida a que la radiación pasa a través de gases, pol-

vo, aerosoles que absorben los fotones incidentes. Se considera que la absorción es del

orden de 16-24% [1].

Las dos principales fuentes de scattering son el scattering Rayleigh y el Mie. El scat-

tering Rayleigh está causado por las moléculas existentes en la atmósfera y se produce

en longitudes de onda cortas, mientras que la contribución del scattering Mie es debida

al polvo y los aerosoles presentes. El scattering produce que la luz cambie de dirección,

esta luz dispersada se engloba en el término “luz difusa”.

Por consiguiente la energía que llega a la superficie tiene dos componentes, la radiación

directa y la radiación difusa [2].

Los parámetros críticos a la hora de evaluar la radiación solar son los siguientes:

Contenido espectral de la luz incidente.

Densidad de potencia de la radiación solar también llamada Irradiancia.

El ángulo de incidencia.

La eficiencia de las células solares es sensible a variaciones de la irradiancia y a la

naturaleza espectral de la luz solar. Para poder realizar comparaciones del comporta-

miento de las células solares para diferentes zonas horarias y localizaciones es necesario

definir un espectro estándar.

El espectro estándar para la superficie de la tierra se denomina AM1,5G. El término

AM (Del inglés “Air Mass”) se refiere a la masa de aire que atraviesa la radiación en la

atmósfera. Le acompaña un número que indica la longitud normalizada con respecto

a la menor longitud posible, es decir cuando el sol incide directamente. Se considera

2.3. UNIÓN P −N 13

la irradiancia estándar del sol en la superficie de la tierra de 1000 W/m2 . Este valor

representa la constante solar y es equivalente a un “sol”.

La letra G(Global) indica que se trata de luz global que abarca tanto la luz directa

como la difusa, si solo se tiene en cuenta la luz directa, la G se reemplaza por una D.

Con este parámetro se cuantifica la reducción de la densidad de potencia de la luz

cuando atraviesa la atmósfera. Algunos ejemplos prácticos:

AM0 : Incidencia perpendicular en el espacio exterior. Utilizado para predecir el

comportamiento de las células solares en el espacio.

AM1,5D: ángulo con respecto al zenith de 48, 2◦. Solo se tiene en cuenta la absor-

ción en incidencia normal. La irradiancia suele ser un 10% menor con respecto a la

irradiancia del AM1,5G.

2.3. Unión p− n

Para entender el mecanismo físico de una célula solar es importante entender la

unión p − n. La unión p − n está formada por un semiconductor tipo n y uno tipo

p. No está demás recordar el movimiento de los portadores en un semiconductor; los

electrones de la banda de conducción y los huecos en la banda de valencia se consi-

deran libres ya que se pueden mover dentro del cristal. Debido a la existencia de una

mayor concentración (de huecos o electrones) en una zona del semiconductor, aparece

un gradiente de portadores de la zona de mayor a la de menor concentración, a este

flujo se le denomina difusión. Si se aplica un campo eléctrico al material, se aceleran

los huecos en dirección al campo y los electrones en sentido contrario dando lugar a

un tipo de transporte denominado arrastre.

Volviendo con la unión p−n, la región n tiene una alta concentración de electrones

y la región p una alta concentración de huecos (Figura 2.1a). Los electrones y huecos

cercanos a la unión cruzan la frontera. Centrandonos en la región p cercana a la unión

(Comportamiento semejante para la zona n) , el electrón que pasa la unión se recombi-


na con un hueco aparece una carga negativa. Además al pasar el hueco de la zona p a la

zona n provoca un defecto de carga positiva y también aparece una carga negativa. Se

crea a ambos lados de la unión una zona de carga positiva en la zona n y negativa en la

zona p, es una zona no conductora ya que no hay portadores de carga libres. Esta zo-

na se denomina zona de agotamiento y en ella se crea un campo eléctrico(Figura 2.1b).

Figura 2.1: a.Unión p-n sin polarizar.b. Unión p-n. Se representa la Zona de agotamiento o

de carga espacial.

La unión p − n no permite un establecimiento de corriente debido a la zona de

agotamiento. Pero si se aplica una tensión superior a la barrera que existe en esta zona

el dispositivo puede conducir. Polarizar en directa una union p−n significa aplicar una

tension positiva a la zona p y negativa a la zona n de esta manera se vence la barrera

de potencial y existe movimiento de los portadores de carga(Figura 2.2).

Figura 2.2: Unión p-n polarizada de forma directa

La luz puede crear pares electrón-hueco adicionales, el campo intrínseco creado por

la unión p− n (0,7 V para el Silicio) los separa, con ello se impide la recombinación y

se genera corriente eléctrica fotogenerada. Los parámetros más importantes de un ma-

terial semiconductor en células solares son la energía del gap, el número de portadores

2.4. FUNCIONAMIENTO DE LAS CÉLULAS SOLARES 15

libres para la conducción y la generación o recombinación de los portadores de carga

en respuesta la la luz solar.

2.4. Funcionamiento de las células solares

En un semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía arranca un electrón,

creando al pasar un hueco. Normalmente, el electrón encuentra rápidamente un hueco

para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, se disipa. El principio

de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el

lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él, así, se producirá

una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material,

como ocurre en una pila.

Una célula solar es un dispositivo en el cual se convierte la luz solar en electrici-

dad. Los fotones incidentes en una célula solar construida a partir de una unión p− n

pueden ser absorbidos, trasmitidos o reflejados. Los fotones absorbidos cuya energía

es mayor que la del gap (EGAP ), promueven a un electrón a la banda de conducción y

se genera así un par electrón-hueco. Es decir, se crean portadores mayoritarios y mi-

noritarios, el número de portadores mayoritarios es bajo con respecto al presente en el

semiconductor, por tanto su concentración es constante. Por el contrario los portadores

minoritarios son superiores a los existentes, es decir a los que existen en oscuridad,

por lo cual el número de portadores minoritarios será igual al número de portadores

minoritarios fotogenerados.

Si la generación tiene lugar a un distancia de la unión inferior a la denominada

longitud de difusión (longitud que recorre los portadores antes de recombinarse), el

campo eléctrico existente en al unión p − n puede separar estos portadores de carga.

Los electrones se desplazan a la zona n y los huecos hacia la zona p, si ambas regiones

están conectadas a un circuito externo se crea corriente eléctrica. En una célula solar

la absorción debe ser máxima y la recombinación y la reflexión mínima.


La tasa de recombinación es un parámetro crítico en las células solares, ésta depen-

de del exceso de portadores minoritarios. El principal mecanismo de recombinación en

células solares de Silicio es mediante trampas en el gap (Shockley-Read-Hall). Debido

a este mecanismo, los defectos en el material dan lugar a centros de recombinación en

niveles localizados de energía dentro del gap. La recombinación se produce a través

de los defectos presentes en el material y se lleva a cabo en dos pasos. Un electrón (o

hueco) es atrapado en un estado energético situado en la región prohibida introducido

por los defectos, si un hueco (o electrón) se mueve al mismo estado de energía antes

de ser reemitido a la banda de conducción, este se recombina.

Otros mecanismos de recombinación menos importantes son la recombinación ra-

diativa (banda a banda), la recombinación Auger y la recombinación superficial. Este

último mecanismo se presenta en la superficie del semiconductor ya que hay una rup-

tura en la continuidad de la red cristalina, apareciendo numerosos enlaces insaturados.

Se suele reducir empleando una capa pasivadora.

2.5. Silicio multicristalino y Silicio amorfo hidroge-

nado

El amplio desarrollo de células de Si se debe a la evolución tecnológica de la indus-

tria microelectrónica, sin embargo existen otros materiales semiconductores que se em-

plean en la industria fotovoltaica (GaAs, InP,GaInP, CdS, CdTe, CuInSe2 (CIS),CuInGaSe

(CIGS) etc).

Las células de c − Si son las mayoritariamente empleadas en el mercado fotovol-

taico. Su estructura consta de una capa conductora y una película antireflectiva en la

parte superior, a continuación la unión p− n de Si y por último un contacto inferior.

Debido a su baja absorción los espesores necesarios para absorber suficiente energía

son del orden de 10 µm, sin embargo para tener estabilidad mecánica las obleas suelen

tener espesores entorno a 250 y 300 µm, que encarecen esta tecnología. Pese a sus des-

ventajas como una absorción baja que incrementa los espesores y con ellos los costes y

un ancho de banda de 1,12 eV no ideal (Teóricamente con materiales de mayor ancho

de banda se consiguen mayores eficiencias) las eficiencias conseguidas son las más al-

2.5. SILICIO MULTICRISTALINO Y SILICIO AMORFO HIDROGENADO 17

tas en el mercado y la industria del c−Si se encuentra bastante establecida (Tabla2.1).

Tabla 2.1: Rendimientos Células Solares [3]*Condiciones Standard 25◦C AM1,5G

TecnologíaCapa fina Oblea cristalina

a-Si CdTe CIGS a-Si/m-Si c-Si mono c-Si multiRendimiento 6-7 % 8-10 % 10-11 % 8 % 16-17 % 14-15 %

En la actualidad el principal objetivo de la investigación en energía solar es con-

seguir precios bajos de fabricación de las células solares, para poder competir con las

fuentes de energía convencionales. Una de las estrategias es desarrollar células sola-

res de capa delgada, se obtienen así dispositivos de muy poco espesor y con ello se

disminuyen los costes, sin embargo los materiales empleados deben tener un elevado

coeficiente de absorción. Dentro de esta línea el a− Si : H ha sido el más desarrolla-

do, su principal ventaja frente al c − Si es la absorción de la radiación solar con una

eficiencia 40 veces superior.

En el a− Si las propiedades electrónicas se modifican debido a la aleatoriedad del

ordenamiento atómico del silicio, el salto energético ronda los 1,1 y 1,75 eV. El diseño

de una célula solar basada en a− Si es diferente al de células de c− Si. Su estructura

consiste en una unión p−n, en la que se incorpora una capa intrínseca, la configuración

es del tipo p − i − n o n − i − p. Tiene además una capa transparente de óxido con-

ductor(TCO) en la parte frontal, y una capa metálica como contacto y reflector trasero.

La capa intrínseca actúa como capa absorbente o activa, su inclusión es debida

a que los portadores fotogenerados deben ser producidos en una zona donde exista

suficiente campo eléctrico (Región de agotamiento en la unión p − n) para lograr su

separación (Figura 2.3). Con lo cual se debe lograr una zona ancha en la que el campo

eléctrico interno sea importante, por ello con una configuración tipo p−i−n o n−i−p

se soluciona este inconveniente.


Figura 2.3: Configuración p− i− n

Otras características a tener en cuenta en el a − Si : H son la alta densidad de

defectos, lo que implica un gran número de trampas de recombinación para los porta-

dores de carga, y un alto número de enlaces insaturados. Sin embargo éstos se pasivan

por medio del hidrogeno que se incorpora durante la deposición.

Por último cabe mencionar que en las células solares de a − Si : H hay cambios

en las propiedades del material al ser iluminadas, este efecto se conoce como Efecto

Stabler-Wronski[4]. Las células expuestas a radiación crean defectos adicionales y estos

actuán como centros de recombinación. Con lo cual el óptimo comportamiento de las

células de a-Si:H disminuye en la fase inicial de su funcionamiento, pero posteriormente

a esta degradación su comportamiento se estabiliza. Los defectos extra son creados en

la capa i, como resultado de la recombinación la zona de carga espacial cambia su dis-

tribución y distorsiona el campo eléctrico interno. La corriente de arrastre disminuye,

y con ello la eficiencia de colección.

El espesor de las células de silicio amorfo se debe limitar para minimizar la degra-

dación inducida por la luz. Un mecanismo para evitar dicha degradación es emplear

una capa i más delgada, con lo cual el campo eléctrico interno se distorsionará mucho

menos, sin embargo capas más delgadas significan menos absorción. Una solución a

este inconveniente es el empleo de estructuras multiunión, el espesor total de la célula

tándem completa es igual al espesor de una única unión. Cada componente del tándem

tiene un espesor menor, así se disminuye el daño por la incidencia de luz y con ello se

conserva la capacidad de generación de corriente de la capa fotoemisora. Otra opción

es hacer más estable el propio material a la exposición de la luz y con ello el Efecto

Staebler-Wronski es minimizado [5].

2.5. SILICIO MULTICRISTALINO Y SILICIO AMORFO HIDROGENADO 19

Como se puede ver a lo largo de estos últimos párrafos, existen múltiples factores

que afectan al comportamiento del material semiconductor y con ello a la eficiencia

de las células solares. Por eso se hace necesario caracterizar óptica y eléctricamen-

te los dispositivos solares, independientemente de la tecnología utilizada, con el fin

de optimizar su funcionamiento. Una correcta caracterización con distintos métodos

experimentales como los que posteriormente se explicarán, posibilita un seguimiento

de los procesos de producción y con ello una mejora de la eficiencia de las células y

reducción de costes, siendo éstos, los dos grandes retos tecnológicos que se buscan en

la actualidad.

Capítulo 3

Métodos y materiales experimentales

3.1. Introducción

Una célula solar representa el dispositivo más pequeño de producción de energía

fotovoltaica, éstas se asocian en serie y en paralelo para su posterior encapsulado dan-

do como resultado la obtención de los conocidos paneles o módulos fotovoltaicos. La

importancia actual de estos sistemas en la generación de electricidad implica un aná-

lisis tanto de las células solares como del módulo o conjunto de módulos. El elemento

clave a la hora de realizar este análisis es la adecuada caracterización electro-óptica.

La caracterización electro-óptica, de los dispositivos de estudio de este trabajo, se

lleva a cabo en Laboratorio de Caracterización de Células Solares de la USAL. Los re-

sultados obtenidos de las muestras de estudio se complementan con la caracterización

óptica llevada a cabo en la Universidad de Pavia, Italia, cuyas medidas se interpretan

en este trabajo.

En el Laboratorio de la USAL se realiza el montaje y puesta a punto del Simulador

Solar y del equipo de medida de la Eficiencia Cuántica(QE). Se realizan múltiples

medidas con distintos dispositivos solares para verificar la reproducibilidad de los datos.

Estas medidas no se incorporan en el trabajo ya que se haría muy extenso. En los

siguientes apartados se explica la puesta en marcha de los equipos y el tipo de medidas

realizadas.

21

22 CAPÍTULO 3. MÉTODOS Y MATERIALES EXPERIMENTALES

3.2. Sistemas experimentales

3.2.1. Espectrómetro Micro-Raman

La espectroscopia Micro-Raman es una técnica que se basa en combinar la es-

pectroscopia Raman y la microscopia óptica permitiendo obtener espectros con una

resolución espacial del orden de micrómetros. Se analiza la luz dispersada por un ma-

terial cuando incide sobre éste un haz de luz monocromático (Radiación láser). Se

obtiene información química y estructural del material en estudio y tiene la ventaja

de ser una técnica de caracterización no destructiva (Figura 3.1b).

Los espectros de las muestras de estudio han sido tomados con el equipo micro-

Raman Horiba Jobin-Yvon HR10, equipado con un microscopio Olympus 100X y una

plataforma con desplazamiento automático. La fuente de excitación es un láser de He-

Ne (632.81nm), el spot es de 1µm2 y el rango de medición es de 100-700 cm−1. Todos

los experimentos se llevan a cabo a temperatura ambiente.

3.2.2. Elipsometría espectroscópica

La elipsometría espectroscópica es un técnica de análisis óptico que estudia el cam-

bio del estado de la polarización de la luz al incidir en el material de estudio. Es

especialmente útil para determinar espesores de películas delgadas y las constantes

ópticas de los materiales como el índice de refracción y el coeficiente de extinción[6].

Para la adquisición de las medidas se utiliza el elipsómetro con polarizador rotante

ES4G de SOPRA. Figura 3.1a.

Figura 3.1: a. Equipo de elipsometría espectroscópica. b. Equipo de espectroscopia Micro-

Raman

3.2. SISTEMAS EXPERIMENTALES 23

3.2.3. Simulador Solar

Los simuladores solares son una herramienta muy interesante a la hora de caracteri-

zar células solares. Permiten disponer del espectro solar a partir de fuentes artificiales.

Existen muchos tipos de simuladores solares, se diferencian principalmente en la dis-

tribución espectral y la geometría de la irradiancia. La distribución espectral depende

del tipo de lámpara, y la eficiencia y la geometría de la óptica incluida en el sistema.

El simulador solar (Figura 3.2) empleado en el presente trabajo es de la casa New-

port Oriel, Modelo No. 92193.

Consta de los siguientes elementos:

Fuente de luz: Lámpara de Arco de Xenón (Newport Oriel Modelo No. 92190)

de 1KW.

Espejo elipsoidal: La fuente de luz esta rodeada por este reflector con el fin de

recoger la mayor parte de la salida de la lámpara.

Espejos: Guían el haz.

Integrador óptico: Su función es producir un haz uniforme y divergente.

Lente colimadora: Se consigue un haz paralelo en el plano de trabajo. Este haz

proviene del integrador óptico y se desvia 90◦ mediante uno de los espejos. Es

muy importante que el haz a la salida sea uniforme, su tamaño es de 152 x 152

mm y al ser un simulador de clase B la uniformidad varia ≤ 5 %.

Shutter. El modo de operación es manual y se utiliza para controlar la exposición.

Filtros: Se emplean para realizar correcciones espectrales (AMO, AM1.5D, AM1.5G)

que permiten simular una gran variedad de condiciones solares.

La incorporación de una fuente de alimentación (Newport Oriel, Modelo No. 69922)

es necesaria para mantener constante la energía eléctrica a la lámpara de Xenón.

Además se debe asegurar que la intensidad de la luz sea estable para ello el simulador

solar dispone de un panel de control para ajustar la intensidad, cuenta con 3 perillas

de ajuste. Se ajusta en x, y y z la posición de la lámpara con respecto al reflector

elipsoidal.


Figura 3.2: Esquema Simulador Solar.

Puesta a punto inicial: Para poder llevar a cabo las medidas por primera vez, se

debe buscar la máxima intensidad, accionando las tres perillas de ajuste. Para ello con

la ayuda de una termopila se verifica que se está ante situación de máxima intensidad,

es decir, se posiciona el arco (de la lámpara de Xenón) en el foco de la elipse (Reflector

elipsoidal). En principio este ajuste no será necesario volver a realizarlo en un periodo

relativamente cercano pues se mantiene un nivel constante de intensidad en tiempos

largos de exposición . Sin embargo esto depende de las horas de uso de la lámpara, ya

que existen fluctuaciones en la intensidad debidas al envejecimiento de ésta.

Es necesario siempre al iniciar la toma de medidas, medir la homogeneidad de la

irradiancia. Se toman 5 puntos como se muestra en el esquema de la figura 3.3b. Al

ser el simulador clase B , las condiciones serán optimas si la variación es menor de un

5%. Spots muy intensos significan errores en la medida de la eficiencia de cada célula

solar.


Figura 3.3: a. Simulador solar en funcionamiento. Caracterización de un dispositivo solar

de silicio multicristalino (c-Si). b. Esquema de medida de la uniformidad de la irradiancia.

Se debe situar la termopila en los cinco puntos representados.

3.2.4. Equipo de medida de la eficiencia cuántica

Antes de describir el equipo de medida conviene definir la eficiencia cuántica (QE).

La QE relaciona el n◦ de portadores de carga (Pares e− − h) con el n◦ de fotones de

determinada energía (o longitud de onda) incidentes en la célula solar. Es un buen

indicador de la conversión de radiación solar en electricidad. En principio una célula

solar debe tener una alta respuesta espectral para las longitudes de onda donde existen

un gran número de fotones incidentes y los portadores minoritarios que se producen

son colectados, sin embargo entran en juego fenómenos como la recombinación super-

ficial, longitudes de difusion pequeñas y reflexiones que alejan la curva de QE de la

ideal (Figura 3.4). Para los fotones incidentes cuya energía es menor a la del ancho de

banda (GAP ), la eficiencia cuántica será igual a cero.

Se diferencian dos tipos de medidas para referirse a la eficiencia cuántica. Una es la

eficiencia cuántica externa(EQE) que tiene en cuenta perdidas ópticas por transmisión

y reflexión en la célula solar. Es la medida que comúnmente se realiza (Experimental-

mente su adquisición es más sencilla) y que se efectúa en el presente trabajo. La otra

es la eficiencia cuántica interna (IQE) en la que se excluye la luz trasmitida y reflejada.


Figura 3.4: Eficiencia cuántica para una célula solar ideal en comparación con una célula

solar en la que existen perdidas ópticas y perdidas debido a la recombinación.

Para calcular la eficiencia cuántica es necesario saber cuanta corriente se produce

con la energía incidente para cada longitud de onda. Para ello se debe medir la co-

rriente producida tanto para el dispositivo solar de estudio como para el fotodetector

calibrado. Se cuenta con datos de la relación de la corriente generada con respecto a

la potencia incidente del detector de referencia. Estos datos se engloban en el término:

Respuesta del detector de referencia (R)( Unidades=A/W). Con lo cual la eficiencia

cuántica se determina:

QE =n◦portadores de carga

n◦de fotones incidentes para cada λ=

Icell/e

Pin/(hc/λ)(3.1)

Teniendo en cuenta la respuesta de referencia.

R =I

Pin(3.2)

QE =Icell/e

(Iref/R)/(hc/λ)=IcellR(hc/λ)

eIref(3.3)

siendo QE la eficiencia cuántica, Icell la corriente generada por la célula de estudio,

Pin la energía incidente e Iref la corriente generada por el detector de referencia.

El equipo de medida de la eficiencia cuántica esta compuesto por (Figura 3.5):


Lámpara de arco de Xenón (Modelo No. 6258) de 300W libre de ozono. La

elección de este tipo de lámpara es debido a que produce un espectro continuo y

uniforme en gran medida en todo el rango del visible.

Chopper. El Chopper es un interruptor rotativo del haz luminoso colocado justo

después de la lente (frecuencia es de 30 MHz).

Rueda de filtros. Consta de 5 posiciones, en las cuales se incorporan los filtros

deseados (Filtros pasa-altos).

Monocromador. Se utiliza para seleccionar la longitud de onda de trabajo, se

controla mediante el software incorporado en el ordenador. Tanto a la entrada

como a la salida de este se disponen de dos rendijas. Estas sirven para seleccionar

el ancho de banda. El monocromador en si consta de tres espejos y de una red

de difracción (Espaciado de la red es de 1200 lineas/mm).

Lentes de enfoque, lente condensadora, rendijas.

Detector de silicio

Lock-in amplifier (Merlin Modelo No.70100), está sincronizado con el chopper

con lo que se detecta solo la porción de señal (ac) deseada.

Fuente de alimentación.

Pre-amplificador de corriente. Permite amplificar la señal adquirida en la célula

solar y además permite convertir la corriente en tensión.

Figura 3.5: Kit de medida de Oriel/Newport para eficiencia cuántica QE.


3.3. Modo de operación

3.3.1. Simulador Solar

Para caracterizar las células solares se usa junto con el simulador solar:

Termopila de la casa Ophir Nova-Oriel, Modelo No. P/N 1Z01502, de diametro

12.3 mm.

Fuente de corriente ADCMT, Modelo No. 6244.

Cable coaxial de doble salida y pinzas de cocodrilo, para contactar el disposi-

tivo solar en el caso de células de a-Si:H. Para contactar las células de silicio

multicristalino se emplea un sistema que se explicará en el apartado 3.5.

Programa de toma de datos en entorno Labview10 R© elaborado en el Departa-

mento para la adquisición de datos.

Software OriginPro8.5 R© para el procesamiento de datos y la representación de

las curvas IV y PV.

Para iniciar cada toma de medidas se debe tomar la medida de la irradiancia y

comprobar su homogeneidad como se comentó en el apartado 3.2.1. Se debe esperar

en promedio media hora para que la lámpara se estabilice.

Posteriormente se conecta el dispositivo solar de estudio, para cada dispositivo se

toma 5 medidas para controlar la reproducibilidad de los datos. El dispositivo fotovol-

taico debe estar bajo el simulador solar, cuando está ante iluminación, solo el tiempo

que se requiera para realizar la medida. Inmediatamente se debe retirar o accionar el

shutter. Se verifica así que el dispositivo no sufre calentamiento o exceso de exposición,

evitando su degradación.

3.3.2. Equipo de medida de eficiencia cuántica

Como primer paso se procede a instalar la lámpara de arco de Xenón, al igual que

en el simulador solar su correcta instalación es un factor crítico para obtener unas me-

didas experimentales idóneas. Se cuenta con cinco ajustes de control, para modificar la

3.3. MODO DE OPERACIÓN 29

posición del arco y del reflector (Espejo esférico). Tres sirven para ajustar finamente la

posición del reflector y los otros dos para ajustar vertical y horizontalmente la lámpa-

ra. El reflector es un espejo esférico que se encuentra detrás de la lámpara y crea una

imagen invertida de la misma. Con este se consigue incrementar la intensidad del haz

de salida. Toda la radiación se recoge en una lente condensadora. Una vez llegados a

este punto se debe comprobar que el arco este centrado (Figura a. 3.6). Con la lámpara

operativa se dispone una pantalla a la salida de la lente, ajustando el reflector hasta

conseguir un spot brillante. También se actúa nuevamente sobre los tres tornillos de

ajuste de la lámpara, para enfocar la imagen invertida del arco (Figura b. 3.6).

Figura 3.6: a. Ajuste arco. b. Enfoque arco.

Figura 3.7: Esquema del equipo de medida de eficiencia cuántica.


Dispuesta la lámpara, se procede a instalar el chopper, la rueda de filtros, rendijas y

monocromador (Figura3.7). El monocromador dispone de dos salidas aunque para este

estudio solo se emplea una de ellas. En la salida se coloca una de las rendijas seguida

de una lente de enfoque y finalmente se verifica que el spot de salida este colimado.

Es conveniente realizar calibraciones periódicas. Para ello se dispone del detector de

silicio de referencia. Éste se coloca delante de la lente de enfoque y se obtienen medidas

en tensión para cada longitud de onda. El detector tiene incluido un pre-amplificador

cuya ganancia es 104.

Donde previamente se había colocado el detector, se sitúa la célula solar de estu-

dio. Ésta está conectada a un preamplificador cuya función es amplificar la señal y

convertir la corriente medida en tensión, para así poder relacionar esta señal con la

del detector. La ganancia se fija en 108.

3.4. Medidas experimentales

3.4.1. Caracterización óptica

Se analizará los espectros en energías adquiridos por espectroscopía Micro-Raman

de los dispositivos solares de silicio amorfo. Las medidas han sido tomadas en diferen-

tes posiciones en la célula para determinar su homogeneidad a escala micrométrica.

Con la elipsometría se puede obtener la función compleja dieléctrica del material,

para ello se mide la relación que existe entre las componentes de reflexión perpendicular

(rs) y paralela (rp) al plano de incidencia:

ρ =rsrp

= tan(Ψ)exp(i∆) (3.4)

siendo tan(Ψ) la relación de amplitud y ∆ la diferencia de fases. A partir del aná-

lisis de las funciones tan(Ψ) y cos(∆) se obtienen las funciones dieléctricas reales y

complejas en el rango espectral entre 250 y 900 nm. Se estudia el grado de cristalini-

dad de las células solares de estudio de a − Si : H y mc − Si, así como los espesores

3.4. MEDIDAS EXPERIMENTALES 31

de las capas finas de las capas individuales, es decir de la capa p, i y n por separa-

do. Para determinar dichos espesores se realiza una simulación mediante el programa

WVASE32 R©, para ello se debe introducir paramétros de partida conocidos (tipo de

material, índice de refracción, espesores), intentando lograr un buen acuerdo entre el

resultado experimental y la simulación. En la figura 3.8 se muestra un ejemplo, del

tipo de medidas que se deben conseguir. Se ilustra la parte imaginaria de la función

dieléctrica para muestras de c-Si, a-Si:H y µc− Si : H[7].

Figura 3.8: Parte imaginaria de la función dieléctrica para las muestras indicadas en la

figura.

3.4.2. Caracterización eléctrica

Introducción

Para caracterizar electricamente un dispositivo se debe evaluar los mecanismos de

conducción cuando se somete al dispositivo a energía óptica.

Se evalúan las propiedades de la célula mediante medidas de intensidad en función

de la tensión aplicada. Obteniendo las denominadas características I-V que permiten

relacionar las propiedades de las células solares con la capacidad de transformar la

energía óptica en energía eléctrica.


La continua evolución de los sistemas fotovoltaicos e incorporación de nuevos com-

ponentes y métodos de fabricación hace necesario una adecuada caracterización de

dichos sistemas, principalmente por requerimientos de calidad, durabilidad y eficiencia

que se exigen día a día. Las curvas corriente-tensión (I-V) y potencia-tensión (P-V)

son claves en el análisis de un célula solar pues proporcionan información útil para el

diseño, instalación y mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos.

Una célula solar ideal bajo iluminación se representa mediante un diodo en paralelo

con una fuente de corriente (Iph) (Figura3.9a.)[8].

I = Iph − I0(eqVkBt − 1) (3.5)

donde kB es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta, q es la carga

del electrón y V la tensión en los terminales de la célula. I0 es la corriente de satura-

ción de la célula y la Iph es la corriente fotogenerada que depende del flujo incidente

de fotones.

Usualmente la corriente fotogenerada es independiente del voltaje aplicado sin em-

bargo en el caso del a-Si y otros tipos de materiales de película delgada la Iph puede

verse afectada.

En la práctica el comportamiento de la célula no es ideal, se acude al circuito equi-

valente de la figura 3.9b. con el fin de dar una interpretación física de los parámetros

característicos así como de las constantes que intervienen en el funcionamiento de la

célula. Se incluye una resistencia en serie (RS) y una resistencia en paralelo (RSH)

que representan las resistencias de contacto y las corrientes de fuga entre ambos la-

dos del dispositivo, respectivamente. La intensidad que circula toma la siguiente forma:

3.4. MEDIDAS EXPERIMENTALES 33

Figura 3.9: a. Circuito equivalente células solar ideal. b. Circuito equivalente célula solar.

I = Iph − I0(eq(V +IRs)

kBT − 1) − V + IRSRSH

(3.6)

Con las medidas experimentales se puede conocer los parámetros reales de una

célula solar. La comprobación de los distintos parámetros no solo es necesaria en la

fase de desarrollo de las células solares sino hace parte de la validación del producto

final.

Parámetros Característicos

Las características IV se miden en polarización directa con iluminación, teniendo

en cuenta el circuito equivalente la respuesta IV queda definida básicamente por siete

parámetros (Figura (3.10):

Intensidad de corto circuito (ISC) se define como la intensidad cuando la tensión

es igual a cero. Para una célula solar ideal es igual a la corriente fotogenerada.

Depende directamente del número de fotones incidentes, de el espectro de la

luz incidente, de las propiedades ópticas de la célula y de la probabilidad de

colección (Dependiente de la superficie de pasivación y del tiempo de vida de los

portadores minoritarios) .

Tensión en circuito abierto VOC es la máxima tensión que adquiere una célula.[9]

Esta tensión será máxima cuando la corriente en el circuito sea igual a cero:

I(VOC) = 0 (3.7)


VOC =kT

qln(

IphI0

+ 1) (3.8)

La VOC depende de la corriente de saturación y de la corriente fotogenerada.

La I0 es función de la recombinación, con lo cual el VOC es una medida que

cuantifica la recombinación en el dispositivo.

La potencia máxima (PMAX) se refiere a la mayor potencia que proveé la célula.

Los valores de intensidad máxima (IMAX) y tensión máxima (VMAX) son los

valores de intensidad y tensión para los cuales la potencia de operación de la

célula es máxima.

El factor de llenado (FF) o también factor de forma se define como la relación

entre la potencia máxima y el producto de de VOC y ISC . Cuantifica la desviación

de la curva IV de la forma ideal (Rectángulo).

FF =IMAX ∗ VMAXISC ∗ VOC

(3.9)

La eficiencia de la célula es el parámetro más empleado para comparar el compor-

tamiento de distintas células solares. Relaciona la energía que produce la célula

con la energía incidente.

η =PMAXPin

=VOCISCFF

I ∗ A(3.10)

Resistencia en serie RS. Se determina utilizando la ley de Ohm cuando la co-

rriente tiende a cero. Se extrae experimentalmente calculando la pendiente de

la curva IV en torno a VOC . Un valor alto reduce el factor de forma, afecta a

la tensión de operación mas no a la de circuito abierto y reduce la corriente en

cortocircuito.

Resistencia en paralelo RSH . Se obtiene aplicando la ley de Ohm cuando la

tensión tiende a cero. Se calcula determinando la pendiente de la curva IV en

torno a (ISC). Un valor bajo de ésta reduce también el factor de llenado, afecta

significativamente a la corriente de operación y reduce ligeramente la tensión en

circuito abierto.

3.5. DISPOSITIVOS SOLARES DE ESTUDIO 35

Figura 3.10: Curva IV y PV de un dispositivo solar. Se muestra los parámetros caracterís-

ticos.

3.5. Dispositivos solares de estudio

Se cuenta con dispositivos solares de a − Si : H (Configuración en tándem) y de

mc− Si. En las tabla 3.1 y ?? se resume los dispositivos de estudio.

Algunas aclaraciones de la tabla:

Los dispositivos identificados con la letra C los diferencia su localización en el mó-

dulo fotovoltaico (Figura 3.11a.). Exceptuando el C7 y C8 que están crecidos sobre

substratos de vidrio de bajo contenido en hierro. Las células a-Si:H de estudio como se

comentó anteriormente están formadas por dos uniones p−i−n en tándem (3.14). Con

el objetivo de estudiar el comportamiento de cada unión, se dispone de dispositivos

solares en los que se ha depositado cada unión por separado. La unión p− i1 − n re-

presenta al diodo superior y la p− i2−n al diodo inferior, se identifican con Sk-110304

les acompaña un término dn, siendo d=1 ó 2 (1: Unión p− i1−n. 2: Unión p− i2−n)

y n=a,b,c,d que hace referencia a su localización en el módulo fotovoltaico (Figura

3.11b.).


Tabla 3.1: Dispositivos Solares de estudio de a-Si:H

N◦ de Denominación Unión Características Áreadispositivos (cm2)

6 C1,C3,C4,C5,C6,C8 Tándem (P-I-N) 4 células en serie. 43Substrato de vidrio

1 C7 Tandém (P-I-N) 3 células en serie. 32Substrato de vidrio de

bajo contenido en hierro4 Sk-110304-1a/1b/1c/1d Diodo 1(P-I-N) 6 células en serie. 90

Substrato de vidrio4 Sk-110304-2a/2b/2c/2d Diodo 2(P-I-N) 6 células en serie. 90

Substrato de vidrio1 Sk-110304-1e Diodo 1(P-I-N) 7 células en serie. 105

Substrato de vidrio1 Sk-110304-2e Diodo 2(P-I-N) 7 celulas en serie. 105

Substrato de vidrio1 V1 Tandem (N-I-P) Substrato ceramico 57,751 V2 Tandem (N-I-P) Substrato de vidrio 59,3

Tabla 3.2: Dispositivos Solares de estudio de mc-Si

N◦ de Denominación Unión Áreadispositivos (cm2)

3 B1,B2,B3 Unión p− n 225,205,169 respectivamente.

Figura 3.11: a. Mapa del módulo completo para los dispositivos solares ”C”. b. Mapa del

módulo completo para los dispositivos solares ”Sk-110304”.

Los dispositivos de a − Si : H disponen de dos contactos de aluminio de alta

3.5. DISPOSITIVOS SOLARES DE ESTUDIO 37

conductividad incorporados para su caracterización eléctrica global (Figura3.12). Los

dispositivos de mc-Si se contactan mediante la configuración 4-wire, el dispositivo se

coloca sobre una placa metálica, la parte frontal de la célula se contacta mediante

puntas que actúan sobre las bandas de plata (-) y el reverso de la célula queda en

contacto con la placa metálica (+)(Figura3.13).

Figura 3.12: Dispositivo solar a-Si:H

Figura 3.13: Dispositivo solar mc-Si


Figura 3.14: Esquema de dispositivo solar tándem de a-Si:H.

Capítulo 4

Resultados y discusión

4.1. Caracterización óptica

La espestrocopia Raman es un herramienta muy útil ya que provee información

estructural sobre el a − Si : H. En el a − Si : H están activos todos los modos vi-

bracionales, es decir, el modo acústico transversal (TA), el acústico longitudinal (LA),

el longitudinal óptico (LO) y el transversal óptico (TO). Mientras que en el silicio

cristalino el espectro Raman solo presenta un único modo (TO) situado a 520 cm−1,

los otros modos no están activos debido a la simetría de su estructura cúbica centrada

en las caras (FCC)[10].

En la figura 4.1 se presentan los espectros Raman obtenidos de la muestra de a-Si:H

para 4 posiciones distintas en la célula solar. Se observa cuatro bandas a 200 cm−1

(TA), a 300cm−1 (LA), a 475 cm−1, es la banda más intensa y revela la existencia de

la contribución de la fase amorfa del material, y una ligera banda a 600cm−1 que se

puede interpretar como la superposición del segundo armónico del LA y la vibración

del Si:H[11].

39

40 CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Figura 4.1: Espectros Raman para la célula solar de a-Si:H.

Para las 4 posiciones se obtienen resultados similares lo que indica una buena

homogeneidad de la muestra.

Los resultados de la elipsometría se muestran en la figura 4.2, existen dos compor-

tamientos extremos, para el a-Si:H (Baja cristalinidad) y el mc-S i(Alta cristalinidad).

Las curvas sin casi estructura, exceptuando las pequeñas oscilaciones a bajas energías

indican un grado de cristalinidad bastante bajo. Mientras que los dos picos a 3.4 eV

(E1) y 4 eV (E2) correspondientes a las absorciones resonantes del c-Si, representan

la presencia de una estructura cristalina. Se corrobora dichos resultados con los pre-

sentados por otros grupos investigadores (Figura 3.8) sobre la parte imaginaria de la

función dieléctrica.

Figura 4.2: Índíce de refracción real (n) e imaginario (k) para células solares de a-Si:H y

mc-Si.

4.2. CARACTERIZACIÓN ELÉCTRICA 41

Las células de silicio amorfo están constituidas por tres capas (p,i,n), para deter-

minar sus espesores, se dispone de muestras en las cuales se crece cada capa de forma

individual. En la figura 4.3 se ilustra la función dieléctrica real (n) y compleja (k) de las

muestras de a−Si : H de la capa intrínseca (I), y las capas extrínsecas, dopaje tipo n

(N, dopada con fósforo) y dopaje tipo p (P, dopada con boro) con sus correspondientes

espesores.

Figura 4.3: Función dieléctrica real (n) y compleja (k), de las muestras de a-Si:H. Capa

intrínseca (I), dopada con fósforo (N) y con boro (P), obtenidos mediante elipsometría óptica.

Los espesores de las capas finas determinados en cada muestra están indicados en la figura.

4.2. Caracterización eléctrica

El primer resultado a tener en cuenta es la posibilidad de realizar medidas con-

fiables usando como fuente de luz el Simulador Solar. Para ello se hicieron múltiples

medidas con el fin de verificar la reproducibilidad de los datos obtenidos. Comprobada

dicha fase inicial, se caracterizó distintos dispositivos extrayendo sus parámetros ca-

racterísticos.

Se realiza 5 medidas a cada dispositivo, promediadas aritméticamente para eliminar

el ruido introducido en las medidas experimentales. Con el fin de proporcionar resulta-

dos precisos, es esencial que las condiciones ambientales no cambien significativamente

entre las diferentes medidas. Cada medida se toma en intervalos de 30 minutos, así el

dispositivo solar recupera de nuevo su temperatura inicial tras el calentamiento adqui-


rido durante la medida.

La caracterización realizada a cada una de las células solares engloba la repre-

sentación de las Curvas IV y PV y una tabla con la extracción de los parámetros

característicos. A modo de ejemplo, en la Figura 4.4 se representa la Curva IV y PV

para uno de los dispositivos de c − SI y de a − Si : H y en las tablas 4.1 y 4.2 se

muestra los parámetros característicos.

Figura 4.4: Curva IV y PV a. Dispositivo Solar C5 (a-Si:H). b. Dispositivo Solar B3 (c-Si).

Tabla 4.1: Parámetros característicos. Dispositivo Solar C5. Irradiancia de 860 W/m2.

VOC ISC PMAX VMAX IMAX RSH RS FF η

(v) (mA) (mW) (v) (mA) (kΩ) (Ω) (-) (%)

6,89 60,53 298,91 5,50 54,35 0,74 14,73 0,72 8,11

Tabla 4.2: Parámetros característicos. Dispositivo Solar B3. Irradiancia de 826 W/m2.


(v) (A) (mW) (v) (A) (Ω) (Ω) (-) (%)

0,58 3,53 1,11 0,37 3,04 3,62 54,82 0,54 8,61

Esta caracterización se elabora para cada célula pero se obviara en el presente tra-

bajo para evitar exceso de datos. Solo se incluirá los casos especiales.


Los dispositivos solares C1,C3,C4,C5,C6 pertenecen al mismo módulo, sin embar-

go como se observa en la tabla 4.3 los parámetros característicos presentan cierta

dispersión. Esto es debido a que en la fabricación del módulo, las capas finas de semi-

conductor dopado se depositan mediante el método llamado Deposición química desde

la fase vapor asistida por plasma (PECVD), el proceso es muy rápido y el perfil de

dopaje no se puede controlar de forma tan precisa y de aquí dicha dispersión.

Tabla 4.3: Parámetros característicos. Dispositivo Solar C1,C3,C4,C5,C6. Irradiancia de 860

W/m2.


(V) (mA) (mW) (V) (mA) (kΩ) (Ω) (-) (%)

C1 6,69 53,67 255,28 5,38 47,48 16,67 16,83 0,71 6,93

C3 6,86 57,93 289,15 5,52 52,41 2,15 14,72 0,73 7,85

C4 6,82 56,68 278,73 5,50 50,68 2,69 13,57 0,72 7,56

C5 6,89 60,53 298,91 5,50 54,35 0,74 14,73 0,72 8,11

C6 6,85 60,57 286,96 5,27 54,49 0,77 16,60 0,69 7,79

La RSH tiene una dispersión bastante acentuada, varia en el rango de 0,74 - 16,83

kΩ, esta resistencia en paralelo se puede identificar directamente con pérdidas; cuando

su valor es bajo la corriente generada por la célula la atraviesa con mayor facilidad, y

origina un caída de tensión que limita a la corriente que puede caer en la carga y como

consecuencia se consume la energía en “calentar” la resistencia en el lugar de entregarla

a la carga. Se debería esperar que para RSH bajas, la PMAX y η fueran menores, no

obstante los datos suministrados por la tabla no indican una clara relación de dichos

parámetros.

Los dispositivos solares C7 y C8 se diferencian en el número de células en se-

rie conectadas. Un módulo fotovoltaico esta compuesto por varios grupos de células

acoplados tanto en serie como en paralelo, para conseguir la corriente y tensión de

salida que se requiera. En la figura 4.5 se muestra las Curvas IV y PV para estos dos

dispositivos.


Tabla 4.4: Parámetros característicos. Dispositivo Solar C7,C8. Irradiancia de 860 W/m2.

VOC ISC PMAX VMAX IMAX RSH RS FF η(V) (mA) (mW) (V) (mA) (kΩ) (Ω) (-) (%)

C7 4,99 53,94 168,43 3,80 44,32 2,99 15,89 0,63 6,10C8 6,70 53,59 249,18 5,23 47,61 0,91 16,53 0,69 6,77

Figura 4.5: Comparativa de la Curva IV y PV para el Dispositivo solar C7 (3 células en

serie) y C8 (4 células en serie). Irradiancia de 860 W/m2.

De dicha figura se puede concluir que cada célula en serie contribuye con 1.6 V

de la tensión en circuito abierto. La resistencia en paralelo RSH disminuye al tener

más células conectadas, esto se debe a que la corriente será mayor y al acoplarse las

resistencias en paralelo, si son todas iguales, la resistencia en paralelo global se verá

reducida. En cuanto a los restantes parámetros se obtendrá lógicamente una mayor

PMAX , η y FF al tener más células conectadas.

4.2.1. Estudio de características IV y PV en función de la ra-

diación incidente

Se estudia el comportamiento de las células de a-Si:H con relación a la componente

de la radiación (directa o difusa). Se evalúa el rendimiento de este tipo de células de


cara a definir en que tipos de zona, en las que predomine una u otra componente, será

más adecuado incluir este tipo de células solares en las instalaciones fotovoltaicas. Para

ello se emplea los filtros estándar AM1,5D (Radiación directa) y AM1,5G (Radiación

directa + radiación difusa).

Figura 4.6: Comparativa de la Curva IV y PV del comportamiento de dispositivos de a-

Si:H frente a la radiación directa (AM1,5D) y la radiación global (AM1,5G). Para cuatro

dispositivos representativos a.C4,b.C5,c.C7,d.C8).

La irradiancia recogida empleando el filtro AM1.5D es de 900 W/m2, frente a la

recogida con el filtro AM1.5G, en torno a 860 W/m2. En la tabla 4.5 se recoge los pa-

rámetros medios obtenidos para cada célula con los dos filtros, así como la diferencia

relativa entre ambos valores. Como se observa en la figura 4.6 las curvas IV y PV para

4 dispositivos representativos presentan el mismo comportamiento, es decir existe un

claro descenso empleando el filtro que simula el espectro AM1,5D. Paro los restantes

dispositivos no representados se tiene igual comportamiento.

En los resultados obtenidos con el filtro AM1.5D, se observa una clara reducción de

la mayoría de los parámetros (Tabla 4.5). Los parámetros ISC , PMAX , IMAX y η sufren


una gran disminución entre 20 y 30% aproximadamente. El parámetro Voc sufre una

ligera disminución en torno a 0,5% y los parámetros VMAX y FF sufren leves cambios

inferiores a ± 7,5%, sin mostrar una tendencia clara.

Tabla 4.5: Comparación de los parámetros característicos en función del espectro incidente

simulado para los dispositivo solares C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8

C1 VOC ISC PMAX VMAX IMAX RSH RS FF η(v) (mA) (mW) (v) (mA) (kΩ) (Ω) (-) (%)

AM1,5G 6,79 53,43 232,49 5,07 45,89 257,73 23,42 0,64 6,31AM1,5D 6,74 44,32 186,41 5,02 37,16 1,42 25,33 0,62 4,85% -0,70 -17,04 -19,82 -0,99 -19,02 - 8,16 -2,67 -23,22


AM1,5G 6,83 55,83 265,18 5,35 49,57 2,14 17,66 0,70 7,20AM1,5D 6,79 44,27 209,52 5,35 39,16 1,30 24,01 0,70 5,45% -0,67 -20,71 -20,99 0,00 -20,99 - 35,97 0,32 -24,33


AM1,5G 6,78 55,38 256,80 5,32 48,30 2,27 18,80 0,68 6,97AM1,5D 6,73 44,01 208,82 5,38 38,79 6,79 20,24 0,71 5,43% -0,67 -20,54 -18,68 1,25 -19,69 - 7,64 3,03 -22,11


AM1,5G 6,84 57,60 260,43 5,07 51,40 -8,47 23,35 0,66 7,07AM1,5D 6,82 45,55 206,72 5,02 41,21 1,84 26,87 0,67 5,37% -0,27 -20,93 -20,62 -0,99 -19,83 - 15,09 0,66 -23,99


AM1,5G 6,82 58,06 258,40 5,08 50,83 5,52 23,24 0,65 7,02AM1,5D 6,78 45,24 216,28 5,25 41,20 17,77 25,36 0,70 5,62% -0,59 -22,08 -16,30 3,28 -18,96 - 9,13 8,06 -19,89


AM1,5G 4,97 51,37 155,28 3,58 43,33 2,55 26,17 0,61 4,21AM1,5D 4,94 39,99 114,65 3,57 32,15 1,15 32,83 0,58 2,98% -0,55 -22,16 -26,16 -0,47 -25,82 - 25,43 -4,61 -29,15


AM1,5G 6,67 52,09 241,42 5,33 45,27 1,04 16,98 0,69 6,55AM1,5D 6,65 40,01 189,05 5,38 35,12 1,08 21,79 0,71 4,92% -0,26 -23,18 -21,69 0,94 -22,42 - 28,31 2,21 -24,98

En el caso del parámetro ISC , esta reducción es especialmente significativa pues

al haber obtenido una mayor irradiancia con el filtro AM1.5D, cabría esperar una

mayor intensidad de corto circuito, siendo normalmente proporcionales irradiancia e


ISC , para una misma fuente de iluminación. Esto pone de manifiesto que la célula es

sensible a los diferentes espectros solares que se simulan con cada filtro y no sólo a la

diferente irradiancia que se obtiene con cada uno de ellos. Estos resultados confirman

el conocido comportamiento de las células de a− Si : H que responden mejor a la luz

difusa que a la luz directa [12].

4.2.2. Estudio de uniones p− i− n

En esta sección se estudia la configuración p-i-n en función del espesor de la zona

intrínseca. Esta capa actúa como capa absorbente o activa como previamente se ha-

bía comentado, no obstante se ha comprobado que existe un umbral para el cual los

parámetros característicos se saturan, es decir, para lograr una mayor eficiencia no se

puede introducir una capa i infinta. La eficiencia (Figura4.7) y la corriente de corto

circuito son los parámetros que aumentan de forma importante con el espesor de la

capa i, mientras el incremento de la VOC y el FF es muy leve[13].

Figura 4.7: Eficiencia y absorción de una célula pin en función del espesor de la capa i [14].

En las figuras 4.9 y 4.8 se muestran las curvas IV y PV para dos tipos de configura-

ciones pin. La unión p− i1−n (1a,1b,1c,1d,1e) tiene un espesor aproximado de la zona

intrínseca de 70 nm, según datos de crecimiento. Este valor se puede acotar en 62 nm

de acuerdo con los resultados obtenidos mediante elipsometría (Ver. Apartado 4.1). Y

la unión p− i2 − n (2a,2b,2c,2d,2e) alrededor de 300nm, según datos de crecimiento.


Figura 4.8: Curva IV . Las líneas solidas representan los dispositivos solares correspondientes

a la unión p− i1−n y las líneas punteadas los dispositivos solares correspondientes a la unión

p− i2 − n.

Figura 4.9: Curva PV . Las líneas solidas representan los dispositivos solares correspondien-

tes a la unión p− i1 − n y las líneas punteadas los dispositivos solares correspondientes a la

unión p− i2 − n.


En concordancia a lo comentado en el apartado número 2.5.(El espesor de la célula

de silicio amorfo se debe limitar para minimizar la degradación inducida por la luz),

cabe esperar que con capas (i) de menor espesor se recoja un mayor número de por-

tadores de carga ya que la región a cubrir es pequeña y por tanto el campo eléctrico

se ve favorecido, disminuyendo la probabilidad de recombinación. Aunque no hay que

olvidar que existirá una menor generación de pares electrón-hueco.

Los parámetros característicos obtenidos quedan recogidos en la tabla 4.7. Los dis-

positivos 1a,1b,1c,1d,1e, con espesores de la capa intrínseca menores, presentan inten-

sidades de corto circuito, potencias máximas y eficiencias menores, un comportamiento

contrario a lo esperado. Esto puede ser debido a que con un espesor de capa i igual a 300

nm (Dispositivos 2a,2b,2c,2d,2e) la baja eficiencia de colección se compensa con una

absorción óptica alta. Lo que implica que estos últimos dispositivos tengan una poten-

cia máxima y eficiencia mayor. Es necesario comentar también que su disposición en el

tándem como segundo diodo, incrementará la eficiencia del dispositivo en forma global.

Tabla 4.6: Parámetros carácteristicos para dispositivos solares en configuración tipo p-i-n

con espesores de la capa intrínseca de 62nm (1a,1b,1c,1d,1e) y 300 nm (2a,2b,2c,2d,2e).

Dispositivo VOC ISC PMAX VMAX IMAX RSH RS FF ηSolar (v) (mA) (mW) (v) (mA) (kΩ) (Ω) (-) (%)

Sk-110304-1a 5,42 110,47 392,87 4,23 92,80 0,66 819,67 7,76 5,07Sk-110304-1b 5,35 107,57 351,04 4,07 86,32 0,61 1127,89 7,52 4,53Sk-110304-1c 5,40 106,78 384,36 4,15 92,62 0,67 2897,72 8,01 4,96Sk-110304-1d 5,44 103,94 375,97 4,18 89,87 0,67 1298,83 9,05 4,85


Sk-110304-2a 5,11 161,62 506,21 3,62 139,97 0,61 534,76 7,38 6,53Sk-110304-2b 5,11 162,12 541,23 3,72 145,62 0,65 1321,00 5,89 6,98Sk-110304-2c 5,12 162,71 534,88 3,75 142,64 0,64 442,48 6,55 6,90Sk-110304-2d 5,11 161,15 516,38 3,60 143,44 0,63 0,14 6,89 6,66


Sk-110304-1e 6,27 104,22 426,51 4,72 90,43 0,65 2485,45 6,27 4,72Sk-110304-2e 5,78 150,00 570,81 4,27 133,78 0,66 531,91 7,04 6,31


4.2.3. Estudio de distintos tipos de substratos

Substrato texturizado

El substrato utilizado en la deposición de a-Si:H suele ser siempre texturizado.

Al introducir rugosidades en la interfase, cuando la luz incide una parte de ella se

dispersa en varias direcciones. El camino de la luz promedio aumenta y la absorción es

mayor (Figura 4.10). La texturización del sustrato también se puede combinar con otra

estrategia, disponiendo un reflector posterior. A continuación se analiza el dispositivo

solar (V2) cuya superficie está pulida, pues no existe texturización ni rugosidad en el

vidrio.

Figura 4.10: Representación esquemática de dos estrategias para aumentar el confinamiento

de la luz en el dispositivo, una es la texturización y otra el empleo de un reflector posterior.

Figura 4.11: Curva IV. Dispositivo solar V2 se representan las 5 medidas tomadas

(L1,L2,L3,L4,L5).


Su comportamiento no es el idóneo, se aleja bastante de la curva IV de una célula

solar ideal, refleja la luz debido a la naturaleza de su superficie. El reflector inferior

no colabora en la mejora de las propiedades ópticas de la célula ya que la mayor parte

de la luz es reflejada. Como se puede observar en la figura existe mucho ruido en

la toma de las medidas, posiblemente se deba a los contactos de alumnio dispuestos

en los dispositivos. El dispositivo solar tiene un comportamiento similar al de una

resistencia.( Ver Curva IV 4.11) Se demuestra que la texturización es indispensable

para conseguir un funcionamiento adecuado.

Tabla 4.7: Parámetros característicos de dispositivo solar V2 (Configuración tipo n-i-p).

VOC ISC PMAX VMAX IMAX RSH RS FF

(V) (mA) (mW) (V) (mA) (kΩ) (Ω) (-)

4,94 0,57 0,15 0,48 0,30 1717,01 1727,38 0,26

Substrato de vidrio de bajo contenido en hierro

Se dispone de dispositivos solares a−Si : H que se han depositado sobre substratos

de vidrio de bajo contenido en hierro.

Para obtener la máxima transmitancia en un vidrio es necesario que éste no con-

tenga compuestos absorbentes de la luz en el rango espectral de la radiación solar

(300-2500nm). El caso más frecuente es el del óxido de hierro presente como impureza

en las materias primas de origen natural que se emplean en la elaboración del vidrio de

composición sílico-sódico-cálcica, que es el fabricado por la industria vidriera a gran

escala. El óxido de hierro puede estabilizarse en dos niveles de valencia: +2(FeO) y

+3(Fe203), cada una de ellas con características de absorción diferentes. El FeO tiene

un poder de absorción unas diez veces mayor que el Fe203 en el espectro solar, por lo

que para mejorar las características de absorción del vidrio es necesario favorecer la

presencia de la especie más oxidada.

Se caracteriza electricamente el comportamiento del dispositivo en cuestión y se

compara con dispositivos con substratos de mayor contenido en hierro (Figura 4.12).


Figura 4.12: Comparación de Curvas IV y PV para el Dispositivo C5 y para el Dispositivo

C8 cuyo substrato de vidrio tiene bajo contenido en hierro

Los resultados obtenidos para el dispositivo solar C8, al usar un vidrio especial

(ultra-transparente) con un menor contenido en hierro en su composición, no son los

esperados. La eficiencia, potencia máxima y factor de forma son menores en compa-

ración no solo con el dispositivo C5 representado en la figura 4.12 si no también con

respecto a los restantes dispositivos como se observa en las tablas 4.3 y 4.4.

4.2.4. Efecto de la degradación en el tiempo

El a-Si:H es un material que en una etapa inicial su eficiencia se ve disminuida a

causa del Efecto Staebler-Wronski comentado en el apartado 2.5.Este efecto está ligado

a la degradación por exposición, por tanto este estudio está encaminado a estudiar

tanto la degradación por exposición, como la degradación física en el tiempo.

Para determinar los efectos del envejecimiento y degradación por exposición, se ha

realizado la caracterización eléctrica a tiempos t1, t2, t3, t4 correspondientes con 0,

14, 28 y 58 días respecivamente sobre las células de a− Si : H. Se toma como tiempo

cero el origen de tiempos de las medidas. En la tabla 4.8 se muestran los resultados

obtenidos de los parámetros característicos a 0, 14, 28 y 58 días y en las figuras 4.13

y 4.14 las curvas IV y PV de 4 dispositivos solares representativos.


Figura 4.13: Curvas IV. Para los dispositivos a. C1. b. C5 c. C7 d. C8 para tiempos : t1,

t2, t3 y t4 (0, 14, 28 y 58 días)

Figura 4.14: Curvas PV. Para los dispositivos a. C1. b. C5 c. C7 d. C8 para tiempos : t1,

t2, t3 y t4 (0, 14, 28 y 58 días)


Tabla 4.8: Parámetros característicos de cada dispositivo para tiempos: t1, t2, t3 y t4 (0,

14, 28 y 58 días) y diferencia relativa entre t1 y t4.

C1 VOC ISC PMAX VMAX IMAX FF η(V) (mA) (mW) (V) (mA) (-) (%)

t1 6,69 53,67 255,28 5,38 47,48 0,71 6,90t2 6,81 54,21 250,03 5,38 46,45 0,68 6,80t3 6,79 53,43 232,49 5,07 45,89 0,64 6,31t4 6,72 48,47 200,85 4,83 41,58 0,62 5,78

%1-4 0,55 -9,69 -21,32 -10,17 -12,42 -13,36 -16,29


t1 6,86 57,93 289,15 5,52 52,41 0,73 7,80t2 6,90 56,84 279,34 5,33 52,38 0,71 7,60t3 6,83 55,83 265,18 5,35 49,57 0,70 7,20t4 6,77 52,09 240,03 5,14 46,70 0,68 6,70

%1-4 -1,30 -10,08 -16,99 -6,83 -10,91 -6,46 -14,13


t1 6,82 56,68 278,73 5,50 50,68 0,72 7,60t2 6,88 56,38 262,39 5,25 49,98 0,68 7,10t3 6,78 55,38 256,80 5,32 48,30 0,68 6,97t4 6,72 52,08 235,28 5,16 45,60 0,67 6,56

%1-4 -1,51 -8,12 -15,59 -6,18 -10,03 -6,72 -13,64

C5 VOC ISC PMAX VMAX IMAX FF η(v) (mA) (mW) (V) (mA) (-) (%)

t1 6,89 60,53 298,91 5,50 54,35 0,72 8,10t2 6,90 59,32 281,23 5,40 52,08 0,69 7,60t3 6,84 57,60 260,43 5,07 51,40 0,66 7,07t4 6,78 54,42 249,40 5,01 49,78 0,68 6,95

%1-4 -1,56 -10,09 -16,56 -8,91 -8,40 -5,73 -14,21


t1 6,85 60,57 286,96 5,27 54,49 0,69 7,80t2 6,87 59,02 283,15 5,23 54,10 0,70 7,70t3 6,82 58,06 258,40 5,08 50,83 0,65 7,02t4 6,76 54,35 243,39 4,82 50,50 0,66 6,02

%1-4 -1,39 -10,27 -15,18 -8,48 -7,32 -4,15 -22,78


t1 4,99 53,94 168,43 3,80 44,32 0,63 6,10t2 5,02 52,47 158,07 3,63 43,51 0,60 5,70t3 4,97 51,37 155,28 3,58 43,33 0,61 4,21t4 4,89 47,45 127,69 3,38 37,78 0,55 4,74

%1-4 -2,03 -12,03 -24,19 -11,05 -14,77 -12,03 -22,22


t1 6,70 53,59 249,18 5,23 47,61 0,69 6,80t2 6,74 52,77 237,33 5,07 46,84 0,67 6,40t3 6,67 52,09 241,42 5,33 45,27 0,69 6,55t4 6,63 48,55 214,55 5,03 42,63 0,67 5,99

%1-4 -1,01 -9,40 -13,90 -3,82 -10,47 -3,99 -11,97


Las curvas IV y PV y los resultados de la tabla 4.8 muestran un descenso sistemático

en todos los parámetros relevantes, lo que significa que la degradación está presente.

Si la degradación está afectada solo por el tiempo de exposición y no por el tiempo

físico, cabría esperar que llegados a un determinado momento, el comportamiento de la

célula se estabilice, si esto no ocurriera, el tiempo físico también sería el causante de esta

degradación. Según estudios elaborados por otros grupos investigadores la degradación

por exposición se estabiliza pasadas 300h. Si fuese posible irradiar a la célula solar

durante 300h de forma continúa, y posteriormente evaluar su comportamiento con

el tiempo y no se observará la disminución de su eficiencia, se podría descartar la

contribución de degradación debida al tiempo físico. En el presente trabajo someter a la

célula durante largos períodos de forma continua (300 h) no es posible, ya que significa

tener el equipo ocupado solo en dicho estudio. Por tanto será necesario evaluar los

dispositivos solares en tiempos más prolongados de forma periódica, para determinar

si el envejecimiento también contribuye a la degradación de los mismos.

4.2.5. Union n-i-p

Las células solares suelen emplear la configuración p-i-n, es decir la radiación incide

primero en la capa p. Se emplea esta configuración debido a la baja movilidad de los

huecos con respecto a los electrones. El dispositivo solar de estudio (V1) además de

tener una configuración tipo n-i-p, está depositado sobre un substrato cerámico. La

ventaja fundamental de ese substrato reside en su carácter flexible, lo que proporciona

un indudable interés comercial al producto final (Edificación). Otra ventaja con res-

pecto a otros soportes flexibles como los polímeros es que su coeficiente de expansión

térmica es más próximo al del silicio y por lo tanto se reducirían las tensiones térmicas.

A continuación se muestra en la figura 4.15 el comportamiento del dispositivo(V1)

y en la tabla 4.9 la obtención de los parámetros característicos. Su comportamiento

se aleja bastante del comportamiento de las células solares en configuración tipo p-

i-n (sobre vidrio), sin embargo también hay que tener en cuenta que el substrato

utilizado es cerámico. Por tanto no se puede separar estas dos contribuciones, para

estudios futuros sería conveniente estudiar la configuración tipo n-i-p sobre substratos

de vidrio para poder hacer una comparación con el conjunto de dispositivos estudiados


a lo largo de este trabajo.

Figura 4.15: Curvas IV y PV. Dispositivo solar V1 con configuración tipo n-i-p.

Tabla 4.9: Parámetros característicos del dispositivo V1 (Configuración tipo n-i-p).

VOC ISC PMAX VMAX IMAX RSH RS FF

(V) (mA) (mW) (V) (mA) (kΩ) (Ω) (-)

4,97 0,38 0,06 0,30 0,19 1476,8 771,50 0,32

4.3. Caracterización electro-óptica

Se determina la eficiencia cuántica para los dispositivos solares de Silicio multi-

cristalino y se verifica la repetitividad de los datos. La eficiencia cuántica se obtiene a

partir de medidas de respuesta espectral realizadas en tensión tanto para el detector de

Si como para el dispositivo solar. Por tanto la ecuación 3.3 se reformula sustituyendo

las intensidades por la tensión. A si mismo se debe tener en cuenta la ganancia del

pre-amplificador para el dispositivo fotovoltaico es de 108 y la ganancia del detector

referencia de 104 como previamente se había comentado. La figura 4.16 muestra el

tipo de datos recogidos, posteriormente con éstos se calcula la eficiencia cuántica de

la siguiente manera:

4.3. CARACTERIZACIÓN ELECTRO-ÓPTICA 57

Figura 4.16: Señal recogida tanto para la célula solar de estudio como para el detector de

silicio

QE = 100 %Gpreampl1240Y R

GrefλYref(4.1)

siendo Gpreampl la ganancia del preamplificador, Gref la ganancia de detector de

referencia, R la respuesta del detector de referencia, Y la tensión de la célula solar y

la Yref la tensión del detector.

A continuación se muestra uno de los resultados obtenidos para la célula de silicio

multicristalino (B1):

La respuesta espectral con la longitud de onda hace que el rendimiento de la célula

dependa de forma importante con el contenido espectral de la radiación incidente.

Ésta cambia dependiendo de los materiales empleados en la fabricación de las células

fotovoltaicas.


Figura 4.17: Medida de la eficiencia cuántica para célula de silicio multricristalino.

Como se puede observar en la figura 4.17 los fotones cuya energía es inferior a una

longitud de onda correspondiente a 400 nm son absorbidos en las primeras micras de

la célula solar, debido a fenómenos de pasivación superficial. La región espectral en

el rango de 950-1000 nm está afectada por fenómenos como la recombinación, que se

puede asociar a la cara trasera de la célula solar. La respuesta para longitudes mayores

de 1050 nm es debida a la reflexión interna de la cara trasera de la célula solar [15]. Se

observa un comportamiento típico para células solares de c-Si, sirviendo en este caso

de nivel de referencia de la validez de las mediciones realizadas con el equipo.

Capítulo 5

Conclusiones

La caracterización electro-óptica de un dispositivo solar es la herramienta de mayor

utilidad para el desarrollo de los procesos de fabricación en la industria fotovoltaica.

Para poder llevar a cabo dicha caracterización es necesario emplear diferentes técnicas

experimentales.

En el presente trabajo ha sido posible conocer distintas técnicas y poner en mar-

cha dos de los equipos empleados para la caracterización de los dispositivos solares.

Una vez verificado que los resultados obtenidos con la caracterización eléctrica eran

fiables se ha podido definir un protocolo para la evaluación de las células solares. El

conocimiento de las Curvas IV y PV ha permitido definir las características de los

dispositivos y su comportamiento ante condiciones de iluminación estándar utilizando

el Simulador Solar. De esta manera se puede proveer, a las distintas empresas sumi-

nistradoras (Pevafersa y Soliker), las características de sus dispositivos.

Para conseguir dispositivos más eficientes, es importante el papel de las empresas a

la hora de suministrar los dispositivos, es decir, deben variar algunos de los parámetros

en el proceso de fabricación, para identificar las posibles vías de mejora de los mismos.

Hasta el momento se ha podido evaluar el comportamiento ante la radiación incidente

y se ha comprobado que las células a-Si:H se comportan mejor ante la luz difusa. Al

disponer de las uniones p-i-n de las células tándem (a-Si:H) por separado se ha podido

evaluar la dependencia de la capa intrínseca con la capacidad de generación de elec-

tricidad. Además, se ha evaluado distintos substratos, en el caso de vidrios con bajo

59

60 CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES

contenido en hierro los resultados obtenidos no son los esperados, se está a la espe-

ra de información por parte de la empresa suministradora para llegar a una conclusión.

La caracterización óptica ha servido para complementar la caracterización eléctrica,

se ha podido determinar el grado de cristalinidad de las células de silicio multicristalino

en comparación con las células de silicio amorfo y también ha permitido determinar

espesores de las capas finas. Estos resultados sirven de herramienta de diagnóstico del

proceso de fabricación.

Como el principal objetivo en la actualidad es mejorar la calidad de los dispositivos,

las técnicas de caracterización utilizadas en este trabajo, permitirán evaluar de forma

periódica los dispositivos solares con el fin de mejorar su eficiencia.

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IntroducciónAntecedentesObjetivos y justificación

Células solares Introducción Fundamento teórico Efecto fotovoltaicoLa luz solar

Unión p-n Funcionamiento de las células solares Silicio multicristalino y Silicio amorfo hidrogenado

Métodos y materiales experimentales Introducción Sistemas experimentalesEspectrómetro Micro-Raman Elipsometría espectroscópica Simulador Solar Equipo de medida de la eficiencia cuántica

Modo de operación Simulador Solar Equipo de medida de eficiencia cuántica

Medidas experimentales Caracterización óptica Caracterización eléctrica

Dispositivos solares de estudio

Resultados y discusiónCaracterización óptica Caracterización eléctricaEstudio de características IV y PV en función de la radiación incidente Estudio de uniones p-i-n Estudio de distintos tipos de substratos Efecto de la degradación en el tiempo Union n-i-p

Caracterización electro-óptica

Conclusiones

Caracterización espectral de células solares...

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