Caracterización de células fotovoltaicas de capa fina basadas en silicio amorfo emplendo descargas luminiscentes

Abstract

Las células solares fotovoltaicas basadas en silicio amorfo (a-Si:H) ocupan, hoy en día, una posición destacable dentro del mercado mundial de los dispositivos fotovoltaicos de capa fina (TFSC). Sin embargo, sus bajas eficiencias (8 - 11 %) en comparación con las células de silicio cristalino (16 - 20 %) hacen prever que solamente ocupen una cuota de mercado entorno al 6 % para el año 2015. Este tipo de células se componen de una serie de capas de diversa naturaleza (p.e. metales, óxidos, semiconductores, etc.) con espesores nanométricos y, debido a ello, los métodos tradicionales de caracterización se basan generalmente en técnicas indirectas y/o que emplean procesos tediosos. La posibilidad de evaluar, en una misma medida, parámetros tan importantes como son la distribución y concentración de dopantes e impurezas, posibles difusiones de elementos entre capas, así como la composición elemental y el espesor de las diferentes capas supondría un avance muy importante en la optimización y mejora de las células solares de capa fina basadas en a-Si:H. La descarga luminiscente (GD) se ha convertido, en los últimos años, en una importante herramienta para el análisis directo de sólidos. Las GDs acopladas tanto a espectrometría de emisión óptica (OES) como de masas (MS) permiten llevar a cabo el análisis de una gran variedad de matrices de manera rápida, con buenos límites de detección (~ ¿g/g - ng/g respectivamente) y, además, proporcionan perfiles de concentración en profundidad con resolución de nanómetros gracias a que se pueden ir arrancando de forma controlada las capas de la superficie a analizar. Si bien la técnica de GD en modo continuo es cada vez más utilizada en laboratorios de rutina e investigación, las GDs de radiofrecuencia (rf-GDs) en modo pulsado se encuentran prácticamente en sus inicios y se requiere todavía hoy en día de un gran esfuerzo investigador tanto en el desarrollo instrumental como en la puesta a punto de metodologías de cuantificación adecuadas. En la presente Tesis Doctoral se ha evaluado, en una primera parte, las prestaciones analíticas de las rf-GDs en modo pulsado frente a las que operan en modo continuo para llevar a cabo el análisis cualitativo de recubrimientos a escala nanométrica. Se ha mostrado como las técnicas rf-GDs con detección óptica y de masa en modo pulsado permiten resolver de forma cualitativa y con buena resolución en profundidad capas individuales de a-Si:H así como una célula completa de capa fina basada en a-Si:H. En una segunda parte, se ha investigado la influencia de las rf-GDs en modo pulsado sobre parámetros esenciales (auto-absorción, eficiencia y de intensidad de emisión, etc.) para obtener óptimos perfiles cuantitativos en profundidad, considerando muestras metálicas. Se ha mostrado como las rf-GDs en modo pulsado, mejoran estos parámetros de forma significativa respecto a las rf-GDs en modo continuo. A continuación, se ha establecido un método de calibración multi-matriz que ha sido validado con la caracterización de muestras metálicas de espesores micrométricas y nanométricas. Seguidamente, se ha investigado, empleando rf-GDs en modo pulsado, el efecto del hidrógeno en señales analíticas, eficiencias de emisión, etc., siendo este elemento presente en las TFSC basadas en a-Si:H. Finalmente, se ha desarrollado metodologías adecuadas para la cuantificación en profundidad de este tipo de células fotovoltaicas, obteniendo una buena resolución de las diferentes muestras consideradas. Por tanto, se muestra, en la presente Tesis Doctoral, el gran potencial de las rf-GDs en modo pulsado como técnica complementaria a los métodos tradicionales de caracterización de TFSC basadas en a-Si:H, pudiendo conseguir de forma rápida valiosa información de concentración de los diferentes elementos, distribución de los mismos, espesores de las diferentes capas nanométricas, procesos de difusión, etc.