Tecnología de fabricación de celdas solares de silicio amorfo

Tecnología de fabricación de
celdas solares de silicio
amorfo hidrogenado
Walter Kehuarucho Cardenas
TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN
DE CELDAS SOLARES DE SILICIO
AMORFO HIDROGENADO
Primera edición
Enero, 2012
Lima - Perú
© Walter Kehuarucho Cardenas
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0556
Editor: Víctor López Guzmán
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Lima - Perú
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Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica”
Víctor López Guzmán
Editor
X Simposio Peruano de Energía Solar
TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE CELDAS SOLARES DE
SILICIO AMORFO HIDROGENADO
Walter Kehuarucho Cardenas
Departamento Académico De Física
Universidad Nacional San Antonio Abad Del Cusco
[email protected]
La conversión directa de energía solar a energía eléctrica, utilizando celdas solares fotovoltaicas es un
mecanismo utilizado y en actualidad representa una alternativa para suplir una fracción de las necesidades
energéticas mundiales.
En los últimos años se ha reportado una celda solar utilizando silicio amorfo hidrogenado, puede tener una
eficiencia hasta 15%.
El silicio amorfo absorbe fotones de alta energía (violeta -azul) rango U.V. parte de¡ visible, pero fotones
rojos y amarillos no se transforman en energía eléctrica, mientras el silicio cristalino absorbe fotones de
rango visible e infrarrojo.
El carbono e hidrogeno elevan el valor de¡ pseudo GAP de Eg = 1,68 ev hasta 2.8 ev. Además es costo de las
celdas solares no pueden competir con otras formas de transformación de energía, por ello se plantea el
estudio de semiconductores de silicio amorfo hidrogenado cuyo equipo de fabricación es relativamente bajo y
llegando su eficiencia experimental de conversión hasta 10% en actualidad
LABORATORIO DE ENERGIA SOLAR
FACULTAD DE CIENCIAS-UNI-LIMA
TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE
CELDAS SOLARES DE SILICIO AMORFO
HIDROGENADO
Hasta la fecha, la mayoría de células y módulos
fotovoltaicos que se encuentran en explotación en
Instalaciones de uso terrestre, emplean el silicio,
en sus formas monocristalina, policristalina y
amorfa, como material semiconductor de base.
El procedimiento de fabricación de las células de
silicio mono o policristalino es esencialmente el
mismo y comprende las siguientes etapas básicas:
1.
Obtención de silicio de grado
metalúrgico.
2.
Purificación de¡ silicio.
3.
Crecimiento de los cristales de silicio.
4.
Producción de las obras de material
5.
Ataque químico y texturización.
6.
Formación de la unión.
7.
Colocación de contactos metálicos.
8.
Tratamiento antirreflexivo.
2.- CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE VARIAS TECNOLOGÍAS DE MATERIALES EN
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
TIPO DE CELULA
EFICIENCIA
Si. Monocrístal.
Muy alta: 20%
Si. Policristal
Alta: 20%
Si. Amorfo
Baja: 12%
(Monounión)
Si. Amorfo
Baja: 13%
(Multiunión)
Compuestos
Muy alta 26%
III-V
Compuestos
Media
Policristalinos
14%
Lamina Delgada
Según esta tabla, las células basadas en
materiales policristalinos en lamina delgada
son una opción competitiva en la producción
de células colares.
ESTABILIDAD
Excelente
Excelente
Muy Baja
COSTO DE PRODUCC.
Muy alto
Medio
Bajo
Baja
Bajo?
Excelente
Extremadamente
Alto
Bajo?
Buena
A pesar de esta opción los materiales
policristalinos pasa todavía por una solución
de muchos problemas técnicos y científicos.
X Simposio Peruano de Energía Solar
El silicio Amorfo es una opción por el costo
bajo en su producción, y es alternativa en los
siguientes procesos:
a) Producciones de transistores en lamina
delgada.
b) Conversión fotovoltaica.
foto generados en la heterounión, por los
fotones absorbidos.
MINIMAS PERDIDAS ELECTRICAS EN
LOS CIRCUITOS:
MAXIMA FOTOESTABILIDAD.
Esto se consigue empleando materiales que
tengan resistencia a la degradación foto
inducida y por lo tanto no sufran deterioro en
sus propiedades.
3.- CONSIDERACIONES QUE SE DEBE
TENER EN CUENTA PARA EL DISEÑO DE
UNA CELULA SOLAR FOTOVOLTAICA.
ADAPTACIÓN AL ESPECTRO SOLAR:
El espectro solar sobre la superficie terrestre no
es uniforme. Adaptación de energía de GAP.
MINIMO COSTO DE PRODUCCIÓN:
4.-
MINIMAS, PERDIDAS OPTICAS:
Producidos
por
fenómenos
Reflexión-Absorción.
SOLIDOS
AMORFOS
SEMICONDUCTORES AMORFOS.
Y
de
MINIMO ESPESOR:
Por razones prácticas y económicas. Esto se
consigue utilizando materiales que tengan
gran capacidad de absorción de la luz.
MAXIMA
GENERACIÓN
DE
PORTADORES DE CARGA:
La η de una célula será siempre una función
del numero de portadores de carga que sean
DISTANCIA
INTERATOM
Y
ANGULOS DE ENLACE
SON IGUALES A LO
LARGO DE TODA LA
ESTRUCTURA
En un cristal, la periodicidad geométrica tiene
como consecuencia la periodicidad de la
energía potencia¡, entonces permite aplicar el
teorema de Block, permite calcular la
estructura electrónica del material.
En un sólido amorfo, las consideraciones
anteriores dejan de ser validas entonces se
hacen más complicado determinar las
funciones de onda y el Hamiltoniano.
Esto se debe a la ausencia de orden de largo
alcance.
NO DEBE SEPARASE
MUCHO DE SU
POSICIÓN IDEAL
O.C.A
HAY AUSENCIA DE
O.L.A
SILICIO AMORFO PARA CELULAS
SOLARES
ESTRUCTURA
Y
COMPOSICIÓN
aparición de todo tipo de distorsiones en la
red: vacantes, enlaces no saturados y enlaces
Si - H.
La interpretación de las propiedades ópticas y
eléctricas como el Si Amorfo, requiere un
conocimiento de la distribución energética de
sus portadores de carga (estructura
electrónica), ósea la densidad de estados
electrónicos en función de la energía.
La carencia del O.L.A inherente en sólidos
amorfos da como resultado las colas de bandas,
de conducción y valencia, que depende de la
cantidad de desorden. La anchura del Pseudo
GAP depende críticamente de las condiciones de
fabricación esencialmente de la concentración de
H.
⇒ según MOTT ← Pseudo GAP.
Se presta muchas tensiones mecánicas internas
debidas al desorden geométrico, con la
X Simposio Peruano de Energía Solar
DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DE LA DENSIDAD DE ESTADOS EN SEMICONDUCTORES
AMORFOS ( DIAGRAMA DE BANDAS)
Estas tensiones se relajan en gran medida por
la distorsión de los ángulos de enlace y por
la incorporación de H.
No solo satura los enlaces, sino sirve de
puente entre At. de Si.
DOS ATOMOS DE Si UNIDOS ENTRE Si
POR PUENTES DE H
MODELO
ESTADOS:
DE
LA
DENSIDAD
DE
La determinación completa de la estructura de
densidad de estados de un material requiere:
El conocimiento de la posición de equilibrio
de átomos (estructura atomiza).
Sus modos normales de vibraciones
(Estructura fonones).
Estructura electrónica excitada.
X Simposio Peruano de Energía Solar
*
Supone que las colas de las bandas penetran
profundamente el GAP de energía y se traslapan.
µ(E): movilidad cambia varios ordenes de
magnitud.
**
Las colas de las bandas no penetran
profundamente en el GAP de energía, si no que se
extienden en el orden de 0.1 ev. Dentro del GAP. Y
como es no cristalino contiene imperfecciones, tales
como Daglind Bond, vacancias.
***
Recientemente mediciones experimentales,
especialmente mediciones de fotoconductividad,
efecto de campo y mediciones de µ dan una imagen
más detallada de los estados de a - Si: H.
La banda central esta dividida en dos:
Una de niveles de impurezas y defectos
aceptores y otra de donadores entre las cuales esta
anclado el nivel de Fermi. (EF).
La estructura electrónica real es más compleja por
ello los modelos aproximados son de gran utilidad
en la interpretación de las propiedades ópticas y
eléctricas de silicio amorfo.
Diferentes gases se pueden mezclar con el silano:
Si.H4 por ejemplo C. Ge. y Fluor.
La incorporación del hidrogeno en el a.Si (a.Si:H).
Puede hacer variar el GAP. De 1.5 eV. Hasta 2.0
eV. Porque: la energía de enlace de Si.H > Si.Si.
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA EN
SEMICONDUCTORES AMORFOS.
En a. Si existen 3 posibles mecanismos de
conducción.
- Conductividad total depende de la temperatura.
-
-
A temperaturas bajas, la conducción ocurre por
saltos entre estados localizados cerca Nf.
Denominada conductividad por saltos en Rango
variables.
A temperaturas altas, los portadores pueden ser
excitados a través M borde de movilidad en
estados extendidos la conductividad de los E.
Ext. Es dominante.
a) CONDUCCIÓN POR ESTADOS
EXTENDIDOS:
La conductividad para cualquier semiconductor
es:
σ = −e ∫ N ( E ) µ ( E ) KT
∂f ( E )
dE
∂E
.......(1)
f(E): Función de distribución Fermi-Dirac.
E − EF 

f ( E ) = 1 + exp
KT 

−1
usando la relación:
∂f ( E )
= − f ( E )[1 − f ( E )] / KT
∂E
∞
⇒ σ = e ∫ N ( E ) µ ( E ) f ( E )[1 − f ( E )]dE
..(2)
EC
Contribución de los
electrones a la conductividad
X Simposio Peruano de Energía Solar
En el modelo de Davis-Mott, la energía de Fermi
esta situada cerca del medio del GAP. Y
suficientemente lejos de Ec.
∴ Ec - EF >> KT ← la σ es por e- situados en B.
Móvil entonces se puede usar la estadística de
Boltzman, para describir la ocupación de estados:
f ( E ) = exp − [( E − E F ) / KT ]
Si se supone que tanto la densidad de estados como
la movilidad son constantes dentro de la banda de
conducción, se puede escribir:
 ( E − EF ) 
σ = σ min exp  − C

KT

b) CONDUCCIÓN EN LAS COLAS DE LAS
BANDAS.
Si las funciones de onda con EA < E < EC (cola de la
banda de conducción) son localizados, lo cual
significa que la conducción entre estos estados solo
puede realizarse por saltos térmicamente activados
(hopping conductivity), en este proceso un e
intercambia energía con un fonon cuando se mueve
de un estado localizado a otro.
⇒ la movilidad es:
2
 W 
 1   eR 
 exp  −

µ ( E ) =  ν f 
...(5)
 KT 
 6   KT 
donde:
R: Es la distancia promedio de
W: (≈ KT) diferencia de energías
entre 2 estados localizados.
σ min = eN ( E ) µ ( E ) KT
energía situada en el borde de la
movilidad.
σ min : esta usualmente en el orden 200-300
: Frecuencia fononica (≈1013 S -1)
salto.
...........(3)
σ min : es la conductividad mínima para una
νf
⇒ La movilidad es del orden 10-2 cm2/VS < estados
extendidos.
la dependencia de σ con la T, se puede hallar con la
ayuda de la relación 1. Si suponemos una variación
de la densidad de estados en la cola de la banda,
como:
(Ωm).
La diferencia Ec - EF muestra para a-Si una
dependencia lineal con la T.
⇒ E C − E F = E 0 − γT = E a
σ =σoe
N ( EC )
(E − EA )S
S
( EC − E A )
⇒ La σ, para el caso de una variación lineal de la
densidad de estados (S = 1), se escribe como:
 ( E − EF + W ) 
σ = σ 1 exp − A
 .....(6)
KT

La expresión para σ es:
E
− o
KT
N (E) =
Donde:
................(4)
Eo ← Es la distancia en energía a T = O°K.
σo = σmin eγK (es independiente de la T)
para (a.Si) γ =(4-8)x 10-4 eV/°K.
⇒ una gráfica Lnσ ∀ 1/T permite obtener la
energía de activación del proceso Eo y el valor
N(EC), en el borde Movil.

 ∆E   ∆E  1  2
2
σ 1 = 1 − exp −
 e ν f R N ( EC )
 1 +

 KT   KT  6 

∆E =EC - EA , es el rango de penetración de la banda
en el Pseudo GAP.
A pesar de que W como σ1 depende de T se espera
una dependencia lineal.
Ln σ ∀ 1/T.
X Simposio Peruano de Energía Solar
SISTEMA
DE
DEPOSICIÓN
DISCHARGE
REACTIVO
DISCHARGE REACTIVO.
GLOW
GLOW
b)
Debe existir un campo eléctrico que arrastre
las
partículas
cargadas
producidas,
originándose de este modo la corriente.
GLOW DISCHARGE D.C.
- Es una técnica más usada para la deposición de
a-Si: H, es la descomposición del silano SiH4 por
descarga plasmatica.
Desde el punto de vista de las propiedades
fotovoltaicas,
el
método
de
GLOW-DISCHARGE D.C. de SiH4 es el mas
comúnmente empleado en la fabricación de
celdas solares de silicio amorfo.
- En el proceso los átomos del material a depositar
son introducidos al plasma formado parte de un
compuesto gaseoso. Este se descompone debido
al alto voltaje.
EL PLASMA FÍSICO: Es conocido que el
condiciones normales todos los gases no conducen
corriente eléctrica y son aisladores. No obstante,
dada una temperatura alta (≈ 104 °C) o bien un
campo eléctrico fuerte, las propiedades de¡ gas
cambia de modo sustancial, este se ioniza
convirtiéndose en un buen conductor de
electricidad. En el transcurso de la ionización los
átomos y moléculas neutras del gas pierden parte de
sus e- y se transforman en partículas de carga +, es
decir en iones.
DESCARGAS A TRAVÉS DE GASES:
Como descarga a través de un gas se entiende como
el paso de corriente eléctrica a través de un
volumen que contiene gas, las condiciones previas
para este paso de corriente son:
DEPOSICIÓN DE LAS MUESTRAS Y
CALCULOS:
Con la debida limpieza, el cuidado necesario y a la
vez pesados los sustratos, se procedió de la
siguiente manera:
Masa inicial: ms= 5,28700 gr.
Masa Final: msd= 5,29655 gr.
a)
Algunas de las partículas de¡ gas deben estar
ionizadas por cualquiera de los medios
disponibles.
Observar: figura de deposición Glow-Discharge.
CONDICIONES DE PREPARACIÓN
Presión de deposición (Promed) : 200 militorr.
X Simposio Peruano de Energía Solar
Corriente de plasma (Promed)
Voltaje
v.
Temperatura del sustrato
Presión de flujo de gas H
: 50.5 mA.
: 1420
: 200 °C.
: 90 kg-f/cm2
Tiempo de deposición
Campo eléctrico
v/cm
Resultado de la muestra
: 109 h.
: 142
: muy bueno.
X Simposio Peruano de Energía Solar
CALCULO
MUESTRA:
DEL
ESPESOR
DE
LA
⇒e=
∆m
Aρ S
∆m = msd − ms
,
ρs : ρ promedio de la muestra
e=
0,00955
cm
39,209976
e = 2,43µm
Como el Si. esta en abundancia que el H. ⇒ se
aproxima a la ρ del Si.
DETERMINACIÓN
DEL
TIPO
CONDUCTIVIDAD.
Se usa un equipo llamado sonda Seebeck.
Se calienta con 6 V y con 0,5 A.
Se obtuvo semiconductores de tipo “P”.
Observar Fig. (α)
MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
DE
X Simposio Peruano de Energía Solar
La muestra obtenida se corta un pedazo con
diamante.
Se sacan 2 conexiones con hilos delgados de
Cu. Cuya separación debe ser 2 - 4 mm.
Aproximadamente.
Para realizar un contacto Oh mico entre el
semiconductor y los hilos de cm. Se suelda
con Ag. Dejar que seque 24 h.
La conductividad de la película puede
calcularse con la relación:
σ =
L
Rm A
Rm =
ρL
We
medidas en la muestra:
donde:
e = 0,000243 cm.
ρ: Resistividad electrica.
L = 0,045375 cm.
ρ: 1/σ
W = 0,00044 cm.
A = We (sección transv.)
σ =
0,045375cm
R m (6Ω)(0,00044)(0,000243)cm2
 424382,716

σ =
× 10− 9 cm −1Ω −1
 R m (Ω)

DATOS DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
T °C
51
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
1/T (°K)-1
3,086E-03
3,096E-03
3,106E-03
3,115E-03
3,125E-03
3,135E-03
3,145E-03
3,155E-03
3,165E-03
3,175E-03
3,185E-03
3,195E-03
3,205E-03
3,215E-03
3,226E-03
3,236E-03
3,247E-03
3,257E-03
3,268E-03
3,279E-03
Rm (G Ω)
2,61
2,89
3,11
3,39
3,63
3,90
4,19
4,44
4,69
4,99
5,26
5,54
5,83
6,04
6,27
6,47
6,67
6,79
6,92
7,10
σ (1/cm Ω)
1,63E-04
1,47E-04
1,36E-04
1,25E-04
1,17E-04
1,09E-04
1,01E-04
9,56E-05
9,05E-05
8,50E-05
8,07E-05
7,66E-05
7,28E-05
7,03E-05
6,77E-05
6,56E-05
6,36E-05
6,25E-05
6,13E-05
5,98E-05
Ln(σ)
-8,7242
-8,8261
-8,8995
-8,9857
-9,0541
-9,1259
-9,1976
-9,2555
-9,3103
-9,3103
-9,3723
-9,4250
-9,4769
-9,5279
-9,5633
-9,6007
-9,6321
-9,6803
-9,6993
-9,7250
X Simposio Peruano de Energía Solar
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL
CUSCO
X SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR
TECN O LOGÍA DE FAB RIC A CI Ó N DE
CELD A S SOLA R ES DE SILICIO
A M O R FO HIDR O G E N A D O
Lic. D. WALTER KEHU A R U C H O CAR DEN AS U NSAAC
email: [email protected]
RESUMEN
La conversión directa de energía solar a energía eléctrica, utilizando
celdas solares fotovoltaicas es un mecanismo utilizado y en actualidad,
representa una alternativa para suplir una fracción de las necesidades
energéticas mundiales.
En los últimos años se ha reportado una celda solar utilizando silicio
amorfo hidrogenado, puede tener una eficiencia hasta 15%.
El silicio amorfo absorbe fotones de alta energía (violeta -azul) rango
U.V. parte del visible, pero fotones rojos y amarillos no se transforman
en energía eléctrica, mientras el silicio cristalino absorbe fotones de
rango visible e infrarrojo.
El carbono e hidrogeno elevan el valor del pseudo GAP de Eg = 1,68 ev
hasta 2.8 ev. Además el costo de las celdas solares no pueden competir
con otras formas de transformación de energía, por ello se plantea el
estudio de semiconductores de silicio amorfo hidrogenado cuyo equipo
de fabricación es relativamente bajo y llegando su eficiencia
experimental de conversión hasta 10% en actualidad.
TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN DE CELDAS SOLARES DE
SILICIO AMORFO HIDROGENADO
Hasta la fecha, la mayoría de células y módulos fotovoltaicos que se encuentran
en explotación en Instalaciones de uso terrestre, emplean el silicio, en sus
formas monocristalina, policristalina y amorfa, como material semiconductor de
base.
El procedimiento de fabricación de las células de silicio mono o policristalino es
esencialmente el mismo y comprende las siguientes etapas básicas:
1. Obtención de silicio de grado metalúrgico.
2. Purificación de silicio.
3. Crecimiento de los cristales de silicio.
4. Producción de las obras de material semiconductor de base.
5. Ataque químico y texturización.
6. Formación de la unión.
7. Colocación de contactos metálicos.
8. Tratamiento antirreflexivo.
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE VARIAS TECNOLOGÍAS
DE MATERIALES EN ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA.
TIPO DE CELULA
Si. Monocrístal.
EFICIENCIA
ESTABILIDAD COSTO DE PRODUCC.
Muy alta: 20%
Excelente
Muy alto
Si. Policristal
Alta: 20%
Excelente
Medio
Si. Amorfo
(Monounión)
Baja: 12%
Muy Baja
Bajo
Si. Amorfo
(Multiunión)
Baja: 13%
Baja
Bajo
Compuestos III-V
Muy alta 26%
Excelente
Compuestos
Policristalinos
Lamina Delgada
Media 14%
Buena
Extremadamente Alto
Bajo
9Según
esta tabla, las células basadas en materiales
policristalinos en lamina delgada son una opción competitiva en
la producción de células colares.
9A
pesar de esta opción los materiales policristalinos pasa
todavía por una solución de muchos problemas técnicos y
científicos.
9El
silicio Amorfo es una opción por el costo bajo en su
producción, y es alternativa en los siguientes procesos:
a.-
Producciones de transistores en lamina delgada.
b.-
Conversión fotovoltaica.
CONSIDERACIONES QUE SE DEBE TENER EN CUENTA PARA EL
DISEÑO DE UNA CELULA SOLAR FOTOVOLTAICA.
¾
ADAPTACIÓN AL ESPECTRO SOLAR.
El espectro solar sobre la superficie terrestre no es uniforme. Adaptación de energía
de GAP.
¾
MINIMAS, PERDIDAS OPTICAS.
Producidos por fenómenos de Reflexión-Absorción.
¾
MINIMO ESPESOR.
Por razones prácticas y económicas. Esto se consigue utilizando materiales que
tengan gran capacidad de absorción de la luz.
¾
MAXIMA GENERACIÓN DE PORTADORES DE CARGA.
La η de una célula será siempre una función del numero de portadores de carga que
sean foto generados en la heterounión, por los fotones absorbidos.
¾
MINIMAS PERDIDAS ELECTRICAS EN LOS CIRCUITOS.
¾
MAXIMA FOTOESTABILIDAD.
Esto se consigue empleando materiales que tengan resistencia a la degradación foto
inducida y por lo tanto no sufran deterioro en sus propiedades.
¾
MINIMO COSTO DE PRODUCCIÓN.
1969
N (E )
1970
N (E )
ESTADOS EXTEND
DAVIS-MOTT
COHEN-FRITZCHE
OVSHINKY
ESTADOS LOCALIZ
EF
B.V
EV
N (E )
B.C
EC
EV EB
DAVIS-MOTT-MODIF.
EV
EA EC
N (E )
EF
p
D
EF
EF
n
A
EC
EV
EC
DIAGRAMAS ESQUEMATICOS DE LA DENSIDAD DE ESTADOS EN
SEMICONDUCTORES AMORFOS ( DIAGRAMA DE BANDAS)
MODELO DE LA DENSIDAD DE ESTADOS
La determinación completa de la estructura de densidad de estados de un
material requiere:
¾ El conocimiento de la posición de equilibrio de átomos (estructura atomiza).
¾ Sus modos normales de vibraciones (Estructura fonones).
¾ Estructura electrónica excitada.
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA EN SEMICONDUCTORES
AMORFOS
a.
CONDUCCIÓN POR ESTADOS EXTENDIDOS.
La conductividad para cualquier semiconductor es:
σ = −E∫
∂ f (E )
N (E )µ (E )KT
dE
∂E
....... (1)
f(E): Función de distribución Fermi-Dirac.

E − EF 
f (E ) = 1 + exp
KT 

−1
usando la relación:
∂f (E )
∂E
= − f (E )[1 − f (E )]
KT
∞
σ = e ∫ N (E) µ (E) f (E) [1 − f (E) ] dE
EC
σ: Contribución de los electrones a la conductividad
....... (2)
En el modelo de Davis-Mott, la energía de Fermi esta situada cerca del medio
del GAP. Y suficientemente lejos de Ec.
∴ Ec - EF >> KT ← la σ es por e- situados en B. Móvil entonces se puede
usar la estadística de Boltzman, para describir la ocupación de estados:
 E − EF 
=
−
exp
f (E )
 KT 
Si se supone que tanto la densidad de estados como la movilidad son
constantes dentro de la banda de conducción, se puede escribir:
 E − EF 
σ = σ min exp − C
KT 

....... (3)
σ min = eN (EC )µ (EC )KT
σmin : es la conductividad mínima para una energía situada en el borde de la
movilidad.
σmin : esta usualmente en el orden 200-300 (Ωm).
La diferencia Ec - EF muestra para a-Si una dependencia lineal con la T.
EC − E F = E0 − γT = Ea
Entonces la expresión para σ es:
σ = σ 0e
−
E0
KT
....... (4)
Eo ← Es la distancia en energía a T = O°K.
σ 0 = σ min eγ K
es independiente de la T
para (a.Si) γ =(4 - 8)x 10-4 eV/°K.
⇒ una gráfica Lnσ ∀ 1/T permite obtener la energía de activación
del proceso Eo y el valor N(EC), en el borde Movil.
b. CONDUCCIÓN EN LAS COLAS DE LAS BANDAS.
Si las funciones de onda con EA < E < EC (cola de la banda de
conducción) son localizados, lo cual significa que la conducción entre
estos estados solo puede realizarse por saltos térmicamente activados
(hopping conductivity), en este proceso un e- intercambia energía con
un fonon cuando se mueve de un estado localizado a otro.
⇒ la movilidad es:
 eR 2 


 exp − W 
µ (E ) = ν f 
 KT 
 KT 
1
6
....... (5)
donde:
νf : Frecuencia fononica (≈1013 S-1)
R : Es la distancia promedio de salto.
W : (≈ KT) diferencia de energías entre 2 estados localizados.
⇒ La movilidad es del orden
10-2 cm
VS
2
< estados extendidos.
La dependencia de σ con la T, se puede hallar con la ayuda de la
relación 1. Si suponemos una variación de la densidad de estados en la
cola de la banda como:
N (E ) =
N (EC )
S
−
(
)
E
E
A
(EC − E A )S
⇒ La σ, para el caso de una variación lineal de la densidad de estados
(S = 1), se escribe como:
− + 

σ = σ 1 exp − E A EF W 
KT


....... (6)
donde:

 ∆ E    ∆E   1  2
2
σ 1 = 1 − exp −
ν
e
R
N (EC )
 1 +


f

KT
KT
6

 
 

∆E =EC - EA , es el rango de penetración de la banda en el Pseudo
GAP.
A pesar de que W como σ1 depende de T se espera una dependencia
lineal.
Ln σ ∀ 1/T.
SISTEMA DE DEPOSICIÓN GLOW DISCHARGE REACTIVO
GLOW DISCHARGE REACTIVO.
GLOW DISCHARGE D.C:
¾
Es una técnica más usada para la deposición de a-Si: H, es la
descomposición del silano SiH4 por descarga plasmatica.
Desde el punto de vista de las propiedades fotovoltaicas, el
método de GLOW-DISCHARGE D.C. de SiH4 es el mas
comúnmente empleado en la fabricación de celdas solares de
silicio amorfo.
¾
En el proceso los átomos del material a depositar son
introducidos al plasma formando parte de un compuesto gaseoso.
Este se descompone debido al alto voltaje.
DESCARGAS A TRAVÉS DE GASES:
Como descarga a través de un gas se entiende como el paso de
corriente eléctrica a través de un volumen que contiene gas, las
condiciones previas para este paso de corriente son:
a.
Algunas de las partículas de¡ gas deben estar ionizadas por
cualquiera de los medios disponibles.
b.
Debe existir un campo eléctrico que arrastre las partículas
cargadas producidas, originándose de este modo la corriente.
EL PLASMA FÍSICO:
Es conocido que el condiciones normales todos los gases no
conducen corriente eléctrica y son aisladores. No obstante, dada
una temperatura alta (≈ 104 °C) o bien un campo eléctrico fuerte,
las propiedades de¡ gas cambia de modo sustancial, este se ioniza
convirtiéndose en un buen conductor de electricidad. En el
transcurso de la ionización los átomos y moléculas neutras del gas
pierden parte de sus e- - y se transforman en partículas de carga +,
es decir en iones.
Observar: figura de deposición Glow-Discharge.
DEPOSICIÓN DE LAS MUESTRAS Y CALCULOS:
Con la debida limpieza, el cuidado necesario y a la vez pesados
los sustratos, se procedió de la siguiente manera:
Masa inicial: ms= 5,28700 gr.
Masa Final: msd= 5,29655 gr.
CONDICIONES DE PREPARACIÓN:
Presión de deposición (Promed)
: 200 militorr.
Corriente de plasma (Promed)
: 50.5 mA.
Voltaje
: 1420 v.
Temperatura del sustrato
: 200 °C.
Presión de flujo de gas H
: 90 kg-f/cm2
Tiempo de deposición
: 109 h.
Campo eléctrico
: 142 v/cm
Resultado de la muestra
: muy bueno.
CALCULO DEL ESPESOR DE LA MUESTRA
Como el Si. esta en abundancia que el H. ⇒ se aproxima a la ρ del Si.
∆m
e=
Aρ S
, ∆m = m − m
Sd
S
ρs : ρ promedio de la muestra
e=
0,00955
cm
39,209976
e = 2,43 µm
DETERMINACIÓN DEL TIPO DE CONDUCTIVIDAD
Se usa un equipo llamado sonda Seebeck.
Se calienta con 6 V y con 0,5 A.
Se obtuvo semiconductores de tipo “P”.
MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
¾ La muestra obtenida se corta un pedazo con diamante.
¾ Se sacan 2 conexiones con hilos delgados de Cu. Cuya
separación debe ser 2 - 4 mm. Aproximadamente.
¾ Para realizar un contacto Oh mico entre el semiconductor y
los hilos de cm. Se suelda con Ag. Dejar que seque 24 h.
La conductividad de la película puede calcularse con la relación:
σ=
L
Rm A
ρL
R=
We
medidas en la muestra:
donde:
e = 0,000243 cm.
ρ : Resistividad electrica.
L = 0,045375 cm.
ρ : 1/σ
W = 0,00044 cm.
A = We (sección transv.)
σ=
0,045375 cm
Rm (6Ω )(0,00044 )(0,000243 ) cm2

 424382,716
σ =
× 10 −9  cm −1 Ω −1

 Rm (Ω )
DATOS DE CONDUCTIVIDAD ELECTRICA
T °C
1/T (°K)-1
Rm (G Ω)
51
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
3,086E-03
3,096E-03
3,106E-03
3,115E-03
3,125E-03
3,135E-03
3,145E-03
3,155E-03
3,165E-03
3,175E-03
3,185E-03
3,195E-03
3,205E-03
3,215E-03
3,226E-03
3,236E-03
3,247E-03
3,257E-03
3,268E-03
3,279E-03
2,61
2,89
3,11
3,39
3,63
3,90
4,19
4,44
4,69
4,99
5,26
5,54
5,83
6,04
6,27
6,47
6,67
6,79
6,92
7,10
σ (1/cm Ω)
1,63E-04
1,47E-04
1,36E-04
1,25E-04
1,17E-04
1,09E-04
1,01E-04
9,56E-05
9,05E-05
8,50E-05
8,07E-05
7,66E-05
7,28E-05
7,03E-05
6,77E-05
6,56E-05
6,36E-05
6,25E-05
6,13E-05
5,98E-05
Ln(σ)
-8,7242
-8,8261
-8,8995
-8,9857
-9,0541
-9,1259
-9,1976
-9,2555
-9,3103
-9,3103
-9,3723
-9,4250
-9,4769
-9,5279
-9,5633
-9,6007
-9,6321
-9,6803
-9,6993
-9,7250
Universidad Nacional Asociación Peruana Universidad Nacional
San Antonio Abad del de Energía Solar
de Ingeniería
Cusco
(APES)
X Simposio Peruano de Energía Solar
Seminario Internacional sobre Tecnologías Económicas para
la Descontaminación y Desinfección de Agua
Cusco, 17 al 22 de noviembre de 2003
Seminario Internacional
Energía Solar, Medio Ambiente y Desarrollo
Cusco, 26 - 27 de abril de 2004
Auspician
Editado por:
Manfred Horn
Juan Rodriguez
Patricia Vega
Salir
Ministerio de Industria y Turismo
Municipalidad Provincial del Cusco
Ministerio de Energía y Minas