Unión p-n de semiconductores para fabricar Celdas Solares

Saludos mis estimados y apreciados seguidores de la comunidad científica de habla hispana #stem-espanol y del grupo de apoyo #steemSTEM 

Históricamente se sabe que el Silicio ha sido utilizado para la fabricación de dispositivos electrónicos debido a su abundancia a nivel mundial y por la manufacturación super conocida de este elemento químico. También es cierto que el efecto fotovoltaico de las celdas de Si amorfo y dopado con impurezas no sobrepasaba el 1% de eficiencia de conversión, por lo que en la actualidad se abre el campo para la investigación de nuevos materiales semiconductores.

Para la industria Solar Fotovoltaica es clara la aplicación y sostenimiento de la tecnología basada en el Si, ya sea policristalino, amorfo o monocristalino, debido a que se cuenta con la infraestructura manufacturera para tal dispositivo. Lo que está claro para los institutos de investigación e innovación es la búsqueda de nuevos materiales semiconductores que abaraten los costos de producción y aumentar la eficiencia de las celdas solares.

Con la finalidad de cumplir estos objetivos, nuestro grupo de trabajo ha sintetizado y caracterizado un amplio espectro de materiales semiconductores binarios y ternarios que tengan una brecha de energía entre 1 y 2 eV para ser usados como material absorbente en los prototipos de celdas solares (PCS). En la siguiente figura se representa la banda de absorción de varios materiales con posible aplicación en el área de conversión de energía.

Límite de Shockley–Queisser. Fuente: Wikipedia modificada por iamphysical

En el caso del semiconductor binario CdTe, la radiación solar incide sobre el sustrato de vidrio, atravesando las distintas capas hasta el material absorbente alcanzando  una eficiencia cercana al 12% (que varía en otras publicaciones).

Celda Solar de CdTe Fuente: Mse395chris

En la actualidad trabajamos con nuevos materiales semiconductores como el CuInTe₂, CuInSe₂, CuGaTe₂ y otras combinaciones, donde la radiación solar entra por el material ventana, atraviesa la capa amortiguadora (activa o buffer) y llega al material absorbente. Esta configuración se representa con la celda de CuIn_1-xGa_xSe₂ que encabeza dicha investigación.

Celda Solar de Cu(InGa)Se₂ Fuente: Kazmerski

Nos pusimos manos a la obra y diseñamos nuestros prototipos de celdas solares, considerando 2 y 3 configuraciones. Vamos a ver de qué se trata. . .

Películas Delgadas sobre Semiconductor

En la literatura he visto una publicación muy sencilla, pero detallada sobre la fabricación de un PCS sobre una oblea del semiconductor CuInSe₂ con la que se obtuvo una eficiencia de conversión alrededor del 12%  (Results on monocrystalline CuInSe₂ solar cells). 

Configuración de celda solar en Bulk. Fuente: iamphysical

Recordemos que se requiere un semiconductor con conductividad eléctrica tipo p y otra tipo n, además de una capa amortiguadora que actúa como zona de activación, que en nuestro caso es de CdS.

Recubrimiento de varios semiconductores con CdS. Fuente: iamphysical

Para formar la unión p-n debemos disponer de una "oblea" o cualquier forma geométrica del semiconductor con espesor menor a 1 mm. Sobre este material se deposita una capa de CdS por medio de la técnica de Deposición por Baño Químico asistida con Microondas, para mantener bajo control todos los parámetros de deposición. En la figura anterior se observa una diferencia de coloración superficial debido a los distintos valores de la brecha de energía, a pesar que tienen el mismo recubrimiento de CdS con igual espesor.

En esta sección es importante resaltar el estudio que estoy realizando sobre los contactos eléctricos sobre estas películas delgadas, ya que son muy delicadas al momento de colocar el Indio metálico con un cauting que destroza la capa de ZnO y CdS.

En cada capa depositada sobre el "Bulk" guardamos un sustrato de vidrio también recubierto bajo esas condiciones de deposición para verificar su estructura cristalina, mediante el estudio de Difracción de Rayos X por el método de polvo y estudiamos también su coeficiente de absorción óptica para determinar el valor de la brecha energética entre la banda de valencia y la banda de conducción.

Transmisión óptica de las películas delgadas de CdS. Fuente: iamphysical

Seguimos afinando los detalles técnicos para la fabricación de la unión p-n de semiconductores, ya que considero que es un punto importante para el diseño y construcción de otros tipos de dispositivos optoelectrónicos.

Hemos dado un gran paso en el campo experimental, ya que disponemos de varias técnicas, equipos y herramientas que nos permiten innovar en la fabricación de dispositivos, controlando la metodología de recubrimiento de superficies, síntesis de ZnO, CdS y CuInSe₂, además estamos trabajando en los contactos eléctricos a base de Indio metálico, pintura de Plata y pintura de Grafito para obtener los contactos óhmicos que contribuyan a incrementar los mecanismos de conducción eléctrica y finalmente, aumentar la eficiencia de la celda. 

Bibliografía y lecturas recomendadas:

○ Técnicas de deposición de películas semiconductoras
○ Results on monocrystalline CuInSe2 solar cells
○ Celda Solar TANDEM de CIGS

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