Desarrollo y optimización de sistemas de corrientes inducidas ópticamente y de imágenes de luminiscencia para la caracterización de células fotovoltaicas

Resumen

El objetivo de la presente Tesis es la elaboración de un sistema de medida LBIC (Light Beam Induced Current) y un sistema de medida de fotoluminiscencia de oblea completa para la caracterización espacial de obleas y células solares, en especial de silicio multicristalino. Estos sistemas se utilizarán con el fin de poner de manifiesto la estructura, granos, subgranos, fronteras, maclas y, en general, todos aquellos defectos responsables de la captura de carga que provocan la consiguiente pérdida de rendimiento en este material fotovoltaico. La finalidad común de minimizar costes y maximizar los rendimientos de las células solares, ha llevado al estudio de la utilización de nuevos tipos de materiales, así como al uso del silicio en nuevas configuraciones por su gran utilización en el mercado fotovoltaico. Debido a que todos estos materiales no están libres de defectos, se hace necesario el análisis de sus imperfecciones para identificar sus orígenes y mejorar la calidad de los materiales o los procesos de producción que los provocan. Estos son los casos del silicio mejorado de grado metalúrgico (UMG) y el silicio crecido mediante técnicas ribbon, los cuales pretenden abaratar los costes de producción por medio del uso de una materia prima menos pura y la mejora del rendimiento de fabricación, respectivamente. Un tercer caso, es el de las obleas de silicio solares mono-like y cuasi-mono, las cuales pretenden obtener características similares a las obtenidas mediante los costosos crecimientos por medio de la técnica Czochralski, pero utilizando los métodos comunes de crecimiento de obleas multicristalinas, buscando así mejorar los rendimientos a la vez que se controlan los costes materiales. Para la caracterización de todos estos materiales y del silicio convencional, se han construido dos sistemas de caracterización basados en la creación y la captación de imágenes que representan el comportamiento cualitativo del material fotovoltaico. Este es el caso de la técnica de corriente inducida por medio de un haz de luz (Light Beam Induced Current, LBIC) y la técnica de obtención de imágenes de fotoluminiscencia a oblea completa (Photoluminiscence Imaging, PLi). El sistema LBIC permitirá realizar un análisis de la uniformidad eléctrica de materiales fotosensibles, con el propósito de poder detectar los defectos extendidos existentes en materiales semiconductores para aplicaciones fotovoltaicas. Esta técnica se basa en la creación de mapas cartográficos (en coordenadas X-Y), compuestos por el conjunto de medidas de intensidad de fotocorriente puntual en cortocircuito (Isc). Esta corriente será generada en la célula cuando se hace incidir sobre ella un haz de luz monocromática, dando así lugar a la generación de pares electrón-hueco. La unión p-n existente en las células ayudará a la separación de cargas favoreciendo la conducción de la corriente eléctrica generada hacia un circuito de medida externo. De esta manera, se podrán detectar zonas eléctricamente activas e ineficientes para la conversión fotovoltaica, proporcionando indicaciones sobre la bondad o no de los procesos de crecimiento y fabricación de las obleas fotovoltaicas. Se pretende poder aplicar esta técnica no sólo en células solares comerciales, sino también en obleas de silicio as-cut que es material de partida para la fabricación de células solares, por medio de la preparación de uniones Schottky. El sistema de medida se completará mediante la capacidad de cálculo de eficiencias cuánticas y las longitudes de difusión de los portadores minoritarios. Además de la fotocorriente, el sistema será capaz de realizar medidas de corriente frente a voltaje (I-V), medidas de reconstrucción de superficie según como ésta refleje la luz incidente y la recreación de la rugosidad de la superficie de la muestra a partir de la implementación del algoritmo de autoenfoque que ha sido desarrollado. La fotoluminiscencia aplicada a oblea completa es una técnica que está ganando una gran importancia en el sector solar fotovoltaico gracias a que permite una rápida detección de defectos, tanto en obleas como en células solares de silicio, causantes de pérdidas de rendimiento. Es capaz de caracterizar áreas tan grandes como las de una célula solar en una única adquisición y en tiempos menores a un segundo, motivo por el que no será utilizada solamente en laboratorios de investigación y que ha propiciado que ya existan los primeros equipos comerciales de caracterización. El principio de esta técnica se basa en la captura de la emisión de luz resultado de la recombinación radiativa de electrones y huecos en un material aislante o semiconductor. La intensidad de luminiscencia del silicio es muy pobre ya que es un material de gap indirecto, por lo que para crear una emisión de fotoluminiscencia suficientemente medible, se requiere de una fuerte potencia de luz de excitación que genere una considerable cantidad de pares electrón-hueco. La luminiscencia emitida debe pasar a través de una serie de filtros ópticos que permitan eliminar la luz ambiente y la luz reflejada del láser de excitación, para que finalmente sea la emisión de fotoluminiscencia la que sea captada por el sensor CCD de la cámara. Este tipo de medidas también servirán para identificar aquellas zonas de la oblea o célula solar que, debido a la presencia de impurezas o defectos en el cristal, influyen negativamente en la conversión fotovoltaica. Las medidas de caracterización LBIC se han llevado a cabo tanto sobre obleas as-cut, como en células solares. Se han realizado estudios de eficiencias cuánticas y longitudes de difusión de portadores minoritarios, prestando especial atención a la importancia de la medida de la luz reflejada para su cálculo y utilizando la capacidad del sistema de obtener imágenes de alta resolución. También se ha estudiado el efecto de las fronteras de grano en materiales multicristalinos, así como la actividad eléctrica de los defectos intragrano. Se han obtenido mapas LBIC de dispositivos basados en silicio de distinta pureza y se ha estudiado el efecto de los defectos en el corte en las obleas cuando son convertidas a células comerciales. El sistema PLi desarrollado se ha utilizado para la rápida caracterización de obleas y células solares de silicio. Por medio de esta técnica se ha propuesto un método de clasificación de dispositivos fotovoltaicos a través de su emisión de luminiscencia global. Además, ha servido para el estudio de defectos en obleas y células de nueva generación denominadas mono-like y cuasi-mono En último lugar, se han llevado a cabo un análisis combinado por medio de las técnicas disponibles en el laboratorio, señalando los puntos clave de cada una de ellas y probando su utilidad para la caracterización de material fotovoltaico.