Desarrollo de células solares multiunión de semiconductores del grupo III-V sobre sustratos de silicio

Caño Fernández, Pablo (2020). Desarrollo de células solares multiunión de semiconductores del grupo III-V sobre sustratos de silicio. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.67408.

Description

Title: Desarrollo de células solares multiunión de semiconductores del grupo III-V sobre sustratos de silicio
Author/s:
  • Caño Fernández, Pablo
Contributor/s:
  • Rey-Stolle Prado, Ignacio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Electrónica Física
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

Full text

[img] PDF - Users in campus UPM only until 17 December 2021 - Requires a PDF viewer, such as GSview, Xpdf or Adobe Acrobat Reader
Download (11MB)

Abstract

El mundo de la energía solar fotovoltaica ha estado dominado por el silicio durante décadas, gracias a la abundancia de este elemento en la corteza terrestre y sus bajos costes de producción y fabricación. Sin embargo, sus récords de eficiencia se están estancando por limitaciones físicas que lo llevan a tener una eficiencia máxima teórica moderada. Actualmente el récord es de 26.7% frente al máximo alcanzable de 29.6%. Por esto, debido a que la posibilidad de mejorar es complicada, se han ido estudiando alternativas al silicio durante los últimos años. Por otro lado, las células solares multiunión formadas por semiconductores III-V han ido batiendo repetidamente los récords de eficiencia de conversión fotovoltaica año tras año (47.1% en 2019). A pesar de esto, los altos costes de las materias primas y de producción de estas células solares han limitado su uso en aplicaciones terrestres, –asequibles sólo con fotovoltaica de alta concentración (HCPV)–. Debido a esta situación, bastantes líneas de investigación están tratando de conjugar la alta eficiencia de los semiconductores III-V con el bajo coste de los sustratos de silicio en la búsqueda de una nueva generación de células solares multiunión de alto rendimiento con costes asequibles. Sin embargo, la integración de III-V sobre silicio no es directa debido a la necesidad de hacer frente a las diferentes propiedades que tienen entre ellos, como el significativo desajuste de red o la gran diferencia en el coeficiente de expansión térmica. La aproximación más directa es el uso del apilado mecánico entre las subcélulas de III-V y de silicio, que han sido producidas independientemente. Pero esta aproximación presenta algunos desafíos en términos de costes, fabricación y producción a gran escala. Una ruta diferente es la fabricación de estructuras monolíticas, en las que los grupos III-V y IV se crecen heteroepitaxialmente en un único sustrato de Si para producir células solares multiunión, que son después procesadas e integradas en módulos FV de un modo casi convencional. En la mayoría de los casos, el desarrollo de estructuras monolíticas requiere el preciso diseño de una capa amortiguadora entre los III-Vs y el silicio para acomodar los distintos parámetros térmicos y de red. En este contexto, esta tesis tiene la intención de presentar la integración de semiconductores III-V sobre sustratos de silicio a través de capas amortiguadoras, tanto de III-V como del grupo IV. De esta forma, la primera parte de la tesis engloba el crecimiento de fosfuro de galio, GaP, sobre silicio. Este compuesto presenta la constante de red más similar con el silicio de entre todas las aleaciones de III-V, lo que facilita en gran medida la integración. Se presentan los estudios previos, la preparación preliminar del sustrato y las diferentes etapas en el reactor. Se muestra también la caracterización de este GaP nucleado en silicio, incluyendo el desarrollo de la célula inferior de silicio. Posteriormente, el resto de subcélulas se podrían crecer encima. La segunda parte de la tesis presenta la integración de los III-V sobre silicio a través de aleaciones del grupo IV. Para ello, se ha desarrollado una célula solar tándem de GaAsP/SiGe sobre sustratos de silicio. Además, en esta arquitectura la aproximación se lleva a cabo a partir de capas amortiguadoras reversas, que no se habían usado para aplicaciones fotovoltaicas. En esta parte se presenta la caracterización de material, los resultados de los dispositivos y los diferentes problemas que aparecen. También se incluye una posterior mejora con la incorporación de una capa de silicio poroso. ----------ABSTRACT---------- The world of photovoltaic solar energy has been dominated by silicon for decades thanks to the abundance of this element on the Earth’s crust and its low costs of production and manufacturing. However, its efficiency records are becoming stagnant due to the physical limitations which lead it to have a moderate theoretical maximum efficiency. The record is currently at 26.7% versus 29.6% of maximum achievable. For this reason, since room for improvement is complicated, alternatives to silicon have been studied over the last years. On the other hand, multijunction solar cells constituted by III-V semiconductors have been repeatedly breaking photovoltaic conversion efficiency records in an ever-ascending climb in performance year after year (47.1% in 2019). Despite this, the high raw materials and production costs of these solar cells have limited their use in terrestrial applications –affordable only in high-concentration photovoltaic (HCPV)–. Due to this situation, several research lines are trying to conjugate the high efficiency of III-V semiconductors with the low cost of silicon substrates in the search for a new generation of multijunction solar cells with high performance at affordable costs. However, the integration of III-V on silicon is not straightforward, due to its need to face the different properties they possess, as their significant lattice mismatch or their large difference in thermal expansion coefficient. The most direct approach is to use mechanical stacking between III-V and Si subcells that have been produced independently. But this approach presents several challenges in terms of costs, manufacturability and production yield on a large scale. A different route is the fabrication of monolithic structures, where III-V and group-IV compounds are grown “heteroepitaxially” on a Si single substrate to produce a multijunction solar cell, which is then processed and integrated in PV modules in an almost conventional way. In most cases, the development of monolithic structures requires the precise engineering of a buffer layer between the III-Vs and the silicon in order to accommodate the dissimilar thermal and lattice parameters. In this context, this thesis intends to present the integration of III-V semiconductors on silicon substrates through both III-V and group-IV buffer layers. In this way, the first part of the thesis addresses the growth of gallium phosphide, GaP, on silicon. This compound presents the most similar lattice constant to silicon among III-V alloys, which eases this integration. Previous studies, the preliminary substrate preparation and the different stages in the reactor are presented. The characterization of this GaP nucleation on Si, including the development of the silicon bottom cell, is also shown. Subsequently the rest of the subcells could be grown on top. The second part of the thesis presents the integration of III-V on silicon through group-IV alloys. For this purpose, a tandem GaAsP/SiGe solar cell on silicon substrates has been developed. Furthermore, in this architecture the approach is carried out through SiGe/Ge reverse buffer layers, which had not been used in photovoltaic applications. The material characterization, device results and the different issues that show up are presented in this part. Moreover, a subsequent enhancement with the incorporation of a porous silicon layer is shown.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainPCIN-2014-009-C02-01/02TheseusUnspecifiedTandem high efficiency solar cells utilizing III-V semiconductors on silicon
Government of SpainPCIN2015-246AlquemiUnspecifiedA low cost, high efficiency, optoelectronic HCPV module for 1000 sun operation
FP7607153LONGESSTIQE plcLow Cost Germanium Substrates for Next Generation 4-Junction Space Solar Cells Utilising Dilute Nitride Technology
Madrid Regional GovernmentS2013/MAE-2780MADRID-PVUnspecifiedMateriales, dispositivos y tecnología para el desarrollo de la industria fotovoltaica
Government of SpainTEC2015-66722-RTaillónUnspecifiedCélulas tándem III-V/Si: Hacia una tecnología fotovoltaica de panel plano con células multiunión
Government of SpainRTI2018-094291-B-I00VignemaleUnspecifiedCélulas solares multiunión sobre silicio mediante substratos virtuales de nueva generación y crecimiento MOVPE metamórfico
Madrid Regional GovernmentY2018/EMT-4892TEFLÓN-CMUnspecifiedTelealimentación fotovoltaica por fibra óptica para medida y control en entornos extremos
Madrid Regional GovernmentS2018/EMT-4308Madrid-PV2UnspecifiedMateriales, dispositivos y tecnologías para el desarrollo de la industria fotovoltaica

More information

Item ID: 67408
DC Identifier: https://oa.upm.es/67408/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:67408
DOI: 10.20868/UPM.thesis.67408
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 18 Jun 2021 04:31
Last Modified: 18 Jun 2021 04:31
  • Logo InvestigaM (UPM)
  • Logo GEOUP4
  • Logo Open Access
  • Open Access
  • Logo Sherpa/Romeo
    Check whether the anglo-saxon journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo Dulcinea
    Check whether the spanish journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo de Recolecta
  • Logo del Observatorio I+D+i UPM
  • Logo de OpenCourseWare UPM