Desarrollo de Arquitecturas de Nueva Generación para Células Solares Multiunión

Las células solares multiunión basadas en materiales III-V han liderado el desarrollo de la tecnología fotovoltaica más eficiente de la historia. Sin embargo, su alto coste de fabricación ha limitado su uso en la generación de energía a gran escala, quedando su uso prácticamente restringido a la alimentación de satélites espaciales. Las aplicaciones terrestres de este tipo de células solares han estado siempre sujetas a su uso bajo concentración. De esta manera se reduce su tamaño y se minimiza su impacto en el coste final del sistema. Sin embargo, este tipo de dispositivos está lejos de competir a día de hoy en el mercado fotovoltaico. Por otra parte, si bien estas células dominan el mercado espacial en su totalidad, la mejora del ratio potencia-peso (W/kg) siempre es un objetivo atractivo para este tipo de aplicaciones. Esta mejora de densidad de potencia se puede conseguir a través de una mayor eficiencia (sin aumentos de peso significativos) o, a través de una reducción del peso del dispositivo (manteniendo una eficiencia suficiente). Por último, y de manera común a las aplicaciones terrestres y espaciales, no se ha de menospreciar el impacto que pueden tener otros aspectos, como la fiabilidad de las células o la disminución de su coste de fabricación, en la competitividad de este tipo de células. Por ello, en esta tesis se proponen nuevas arquitecturas capaces de mejorar el potencial actual de las células solares multiunión basadas en materiales III-V. Para ello, se han desarrollado células de cuatro uniones incorporando nuevas subcélulas de 1 eV de cara a aumentar la eficiencia, así como nuevos procesos de adelgazamiento de substratos para aligerar su peso. Además, se ha profundizado en el análisis de células solares mediante equivalentes circuitales para reducir sus pérdidas o analizar su fiabilidad. Esta tesis tiene un marcado enfoque experimental combinado con el análisis de los dispositivos mediante simulaciones TCAD o equivalentes circuitales. De esta manera, se ha generado un proceso de realimentación entre las medidas experimentales y las simulaciones que ha permitido acelerar el desarrollo de los dispositivos y mejorar la comprensión sobre los efectos que dominan su comportamiento. Es más, la comprobación de los cálculos teóricos mediante resultados experimentales permite validar los resultados de las simulaciones a la par que ayuda a inferir, de forma indirecta, propiedades elementales de los dispositivos que serían de difícil obtención mediante medidas experimentales. En primer lugar, se presenta el análisis de células de nitruros diluidos como posibles candidatos para formar una cuarta subcélula de 1 eV ajustada en red con la estructura típica comercial basada en GaInP/Ga(In)As/Ge. Para ello se ha realizado una revisión del estado del arte de las células de nitruros diluidos y de su evolución histórica, con especial énfasis en los factores que limitan su rendimiento. El posterior desarrollo experimental ha contado con nitruros diluidos fabricados por epitaxia en fase vapor mediante precursores metal-orgánicos, MOVPE por sus siglas en inglés, (GaInNAs) y mediante epitaxia por haces moleculares, MBE por sus siglas en inglés, (GaNAsSb y GaInNAsSb). El compuesto GaNAsSb fabricado por MBE en la Nanyang Technological University (NTU), previamente estudiado en el Grupo de Semiconductores III-V, fue sometido a diferentes procesos de recocido para analizar su impacto en el rendimiento. Sin embargo, no se consiguió alcanzar las eficiencias deseadas y la investigación prosiguió con el nitruro GaInNAs, crecido por la empresa NAsP mediante MOVPE. Dicho material se utilizó para fabricar células con polaridad p/n (ya que era en la cual tenía más experiencia el fabricante) en un proceso iterativo de realimentación que ayudo a aumentar notablemente la eficiencia cuántica externa del dispositivo. Posteriormente, se desarrolló un dispositivo con polaridad n/p (ya que es la comúnmente utilizada en células solares multiunión) el cual consiguió eficiencias cuánticas ligeramente menores que estaban lejos de aproximarse a las necesarias para fabricar células multiunión de alta eficiencia. Por último, se ha analizado el compuesto GaInNAsSb crecido por MBE en el Grupo Okada del Research Center for Advanced Science and Technology (RCAST) de la Universidad de Tokyo. Dicho compuesto es el que ha demostrado tener mejores propiedades hasta la fecha. Las curvas I-V (en iluminación y oscuridad), así como su eficiencia cuántica interna (IQE), fueron ajustadas mediante simulaciones TCAD para poder obtener unos rangos aproximados de sus propiedades de portadores minoritarios y, de esta manera, poder optimizar una célula solar multiunión incorporando dicha subcélula. Dado que la célula de GaInNAsSb fabricada por MBE es la que ha demostrado tener un mayor potencial, es la que se ha utilizado para fabricar la célula solar multiunión de 4 uniones. El crecimiento se ha planteado mediante una técnica combinada por MOVPE + MBE + MOVPE, realizando los crecimientos por MOVPE en el Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM) mientras que el crecimiento por MBE fue realizado de nuevo por el Grupo Okada de la Universidad de Tokyo. La evolución durante el proceso de crecimiento de las subcélulas se ha analizado mediante la fabricación de células solares en cada una de las etapas de fabricación, es decir: 1) célula de Ge junto con la primera unión túnel (primer crecimiento por MOVPE), 2) célula tandem de GaInNAsSb/Ge después del crecimiento por MBE, 3) cuádruple unión GaInP/Ga(In)As/GaInNAsSb/Ge después de crecer las dos células superiores con sus correspondientes uniones túnel por MOVPE. El rendimiento de la célula final crecida monolíticamente no fue satisfactorio, por lo que se desarrolló una célula fabricada por apilamiento mecánico evitando someter así a la célula de GaInNAsSb al crecimiento de las células superiores por MOVPE. A falta de desarrollar las capas anti-reflectantes pertinentes, este tipo de arquitectura presenta un gran potencial para combinar subcélulas de nitruros diluidos con crecimientos por MOVPE. Posteriormente se investigó el adelgazamiento de substratos de Ge para incrementar el ratio potencia-peso (W/kg) de las células solares multiunión basadas en este tipo de substratos. Además, dicho proceso podría aumentar la eficiencia del dipositivo como consecuencia de una menor temperatura de operación y del uso de reflectores traseros. En primer lugar, se ha analizado el impacto que tendría el adelgazamiento en el rendimiento de células solares monounión de Ge mediante simulaciones TCAD. Este análisis mostró que, en ausencia de recombinación trasera, la subcélula de Ge se puede reducir hasta las 3 µm de espesor sin limitar el rendimiento de una célula de triple-unión. Una vez validado teóricamente el potencial del adelgazamiento, se propuso un método efectivo para llevarlo a cabo hasta dentro de los límites en los cuales la muestra es manejable con nuestra tecnología (> 85 µm). Para sobrepasar dichos límites se ha desarrollado un nuevo método de fabricación el cual se encuentra actualmente bajo proceso de patente. Por último, se han utilizado equivalentes circuitales para analizar y mejorar el funcionamiento de células solares multiunión. Por ejemplo, se ha estudiado el potencial del grafeno como capa conductora para extraer la corriente en la cara frontal y se ha optimizado la malla metálica de una célula fabricada mediante procesos de la industria opto-electrónica. Además, se han utilizado dichos modelos para realizar el análisis de fallos de células degradas y evaluar el impacto real que tienen subcélulas cortocircuitadas en el rendimiento total de una célula multiunión. ----------ABSTRACT---------- III-V multijunction solar cells have led the development of the photovoltaic technology with the highest reported efficiency in history. However, their expensive manufacturing costs have limited their application for large scale energy generation, being their use restricted to the power supply of space satellites. The terrestrial application of these devices has always been subjected to their use under concentration in order to reduce their size and consequently, their impact on the final price. Nonetheless, these devices are still far from being competitive. On the other hand, the space market is completely dominated by this type of solar cells, but improving the power-to-weight ratio (W/kg) is always an attractive objective. Such an improvement can be achieved by increasing the efficiency of the solar cell (without a significant weight increase) or by decreasing its weight (maintaining a similar performance). Finally, and equally important for terrestrial and space applications, there are many other aspects to improve or assess, such as the solar cell reliability or the maximum concentration achievable before the performance drops by series resistance losses, that influence the competitiveness of these solar cells. Therefore, advanced architectures are proposed within this thesis in order to enhance the potential of multijunction solar cells based on III-V materials. 1 eV subcells have been developed to increase the solar cell efficiency in four-junction devices as well as new processes to thin down substrates to decrease the solar cell weight. Additionally, multijunction solar cells have been assessed by means of equivalent electrical circuits in order to analyse their reliability and the potential use of new front contacts. This thesis has a strong experimental approach combined with the assessment of the devices by means of TCAD simulations or equivalent electrical circuits. Hence, each step (experimental and simulation results) feedback to each other, boosting the device development and enhancing the understanding of the underlying phenomena ruling the solar cell performance. The cross-check between simulation and experimental results validate the insights obtained from the simulations, which allows deducing or estimating valid ranges for elemental device properties which would be otherwise hardly obtained by experimental measurements. First, dilute nitrides are assessed as candidates to manufacture a lattice-matched four-junction device, incorporating them into the standard triple-junction structure GaInP/Ga(In)As/Ge. The state-of-the-art of solar cells based on dilute nitrides and their historical evolution have been reviewed, with special emphasis on the reasons behind their limited performance. The experimental evaluation has been carried out on dilute nitrides grown by metal-organic vapour phase epitaxy, MOVPE, (GaInNAs) as well as molecular beam epitaxy, MBE, (GaNAsSb and GaInNAsSb). The Nanyang Technological University (NTU) was in charge of the GaNAsSb growth, which has been previously studied in the III-V Semiconductor Group. Therefore, the experiments were meant not to evaluate its properties but to improve them by means of subsequent annealing treatments. However, no significant improvement was achieved and the research moved on to the MOVPE-grown GaInNAs compound supplied by NAsP. The solar cell structure and its annealing process were optimized firstly for the p/n architecture (as the company had previous experience on this device) through an iterative process providing feedback of the solar cell performance to the manufacturer, notably increasing the external quantum efficiency. Afterwards, the n/p architecture (which is the most common one for multijunction solar cells) was developed, achieving slightly lower quantum efficiencies which, in any event, were below the required ones to achieve a highly efficient multijunction solar cell. Finally, the GaInNAsSb compound grown by MBE at the Okada’s Group of the Research Center for Advanced Science and Technology (RCAST) of the University of Tokyo was analyzed. This is the compound which has reported the best properties up to date. Its illumination and dark I-V curves, as well as its internal quantum efficiency, were fitted in order to obtain valid ranges for its minority carrier properties and, therefore, be able to optimise a multijunction solar cell incorporating such a subcell. Since the GaInNAsSb grown by MBE showed the best potential, it has been the subcell chosen to manufacture the four-junction device. The multijunction has been grown by a combined MOVPE + MBE + MOVPE technique. The MOVPE steps have been carried out at the Solar Energy Institute of the Polytechnical University of Madrid (IES-UPM) while the Okada’s Group of the University of Tokyo has been in charge of the MBE growth. Solar cells have been manufactured at each step to verify the growth quality: 1) Ge solar cell together with the first tunnel junction (MOVPE grown), 2) GaInNAsSb/Ge tandem device after the MBE growth and 3) quadruple-junction GaInP/Ga(In)As/GaInNAsSb/Ge solar cell after growing the two upper subcells and their corresponding tunnel junctions by MOVPE. The performance of the monolithically grown multijunction was rather modest and consequently, a mechanically stacked solar cell was manufacture, avoiding the introduction of the GaInNAsSb subcell into an MOVPE atmosphere. Although the required anti-reflection coatings have not been properly developed yet, this technique shows great potential to combined dilute nitride subcells with MOVPE-grown ones. Afterwards, the thinning of Ge substrates was proposed to increase the power-to-weight ratio (W/kg) of multi-junction solar cells. Moreover, an increase in efficiency could be obtained as a result of the lower operating temperature and due to the use of back reflectors. First, the performance of a thinned Ge solar cell has been assessed by means of TCAD simulations showing that, in the absence of back surface recombination, it can be thinned down to 3 µm without limiting the current in a triple-junction solar cell. Once the theoretical assessment proved the potential of the thinned device, a process to manufacture thinned Ge solar cells was proposed. However, the minimum thickness achievable with our technology was 85 µm, as thinner devices were too brittle to be handled. In order to thin down the sample even more, a new process has been developed which is being patented at the moment. Finally, equivalent electric circuits have been used to assess the influence of graphene as a conductor layer for the front contact or to optimise the metal grid of a solar cell manufactured by means of the opto-electronic industry. Moreover, the failure analysis of degraded solar cells or the evaluation of the actual impact of shunted subcells in the overall performance of a multijunction solar cell has been carried out using these models