11.16_Jimenez Arevalo - Universidad Autónoma de Querétaro

INTRODUCCIÓN A LAS CELDAS SOLARES DE HETEROESTRUCTURA TIPO: nCdo:F/p-CdTe:Sb/Cu2Te-Au/VIDRIO; FABRICACIÓN, CARACTERIZACIÓN Y SUS
FUTURAS APLICACIONES.
(1)
Jiménez Arévalo, F.J. ; Torres Delgado, G.(2); Martínez Ayala, A.(2); Márquez Marín, J.(2);
Zúñiga Romero, C. (2).
(1)
Facultad de Química
Universidad Autónoma de Querétaro
(2)
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Campus
Querétaro
RESUMEN
A continuación se presenta el estudio que se realizó a una serie de celdas solares en la modalidad
de heteroestructura específicamente del tipo: n-CdO:F/p-CdTe:Sb/Cu2Te-Au, al ser sometidas a
un tratamiento térmico en atmósfera controlada con gas Ar a una temperatura fija de 220°C
después de un tratamiento con CdCl2 variando únicamente el tiempo de exposición al tratamiento
térmico (15, 30, 45 y 60 min). Se mantuvo constante el espesor tanto de la película de CdO como
el de la película de CdTe e incluso también el espesor de los contactos Cu2Te-Au. Dicho estudio
fue monitoreado con un simulador solar acoplado a un sistema de adquisición de datos en las
modalidad de iluminación y obscuro; obteniendo así los parámetros eléctricos: Voltaje en circuito
abierto, Corriente en corto circuito, Voltaje máximo, Corriente máxima y con ellos se cálculo el
Factor de llenado (FF) y la Eficiencia (η) para luego tomar una serie de decisiones con el objeto
de alcanzar mayores características eléctricas logrando así una mejoría en el proceso de
fabricación de dichas celdas solares.
INTRODUCCION
En la actualidad las celdas solares aún no han alcanzado la eficiencia suficiente para poder
sustituir a los combustibles fósiles, ni a las energías hidráulicas, por lo que su aplicación se
encuentra limitada en estos días a zonas donde la única posibilidad energética es precisamente
mediante el empleo de la radiación solar como fuente de energía eléctrica. Existen celdas solares
fabricadas con materiales muy específicos que han sido estudiados desde hace ya bastante tiempo
y precisamente el hecho de conocer las propiedades que pueden ofrecer dichos materiales es el
trabajo que le corresponde a todo investigador que se sumerge en esta materia; hoy en día los
materiales más atractivos para la fabricación de estos dispositivos sin duda alguna son el Si y
GaAs, debido a que permiten una muy amplia flexibilidad, resistencia y ofrecen aceptables
valores de eficiencia eléctrica. Precisamente son de estos materiales con los que están fabricadas
prácticamente todas las celdas solares en el mundo; es aquí donde entra la función del
investigador promoviendo el uso de otros materiales semiconductores capaces de presentar
características deseables y/o útiles en la fabricación de celdas solares, todo esto haciendo valido
su capacidad de ingenio, su raciocinio y de equipos que facilitan el desempeño del trabajo de
laboratorio.
Las principales características que se buscan en los materiales semiconductores para la
fabricación de celdas solares generalmente son las siguientes:
1
-
-
Materiales que permitan tanto el paso de luz (materiales translúcidos) como materiales
que al contrario, sean anti reflejantes u opacos y sean capaces de absorber la mayor
cantidad de radiación solar.
Obviamente se busca que sean lo más resistentes posible que brinden excelentes
propiedades mecánicas.
Que ofrezcan valores grandes en cuanto a características eléctricas se refiere.
Y a la par siempre además de conseguir grandes eficiencias energéticas debe de coexistir
el ámbito económico y/o de remuneración por lo que en el futuro se busca que dichos
materiales que sean mucho más baratos; es decir que se logre diseñar un proceso
realmente viable, reproducible, repetitivo, y poder así cumplir con la verdadera finalidad
de estos dispositivos, la de poder sustituir a los combustibles fósiles en primer instancia y
después a otras formas de energías no renovables.
Todos estos aspectos aquí expuestos son algunas de los conceptos que incentivan a los
investigadores a buscar nuevas oportunidades de desarrollo tecnológico y en esta ocasión como
parte de la realización de un trabajo de tesis de nivel doctorado, cuyo objetivo general es
encontrar un método experimental a nivel laboratorio para construir celdas solares que presenten
buenas eficiencias energéticas y debido a que ese tema pues es un tanto complejo y algo extenso
en esta ocasión nos dedicamos únicamente a encontrar las mejores características eléctricas en
una serie de celdas solares heteroestructurales específicamente del tipo: n-CdO:F/pCdTe:Sb/Cu2Te-Au al ser variados los tiempos de tratamiento térmico en atmosfera de gas Ar,
dicho desarrollo experimental se presenta a continuación.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Se utilizaron 2 películas semiconductoras de CdO y CdTe, crecidas ambas en un sustrato de
vidrio mediante la técnica de Sol-gel y la técnica Sputerring respectivamente. La película de
CdO, se encontraba dopada con Flúor y la película de CdTe con Antimonio. A continuación, la
figura 1 presenta el esquema de la disposición de las películas delgadas.
Figura 1 Ilustra la forma en la que se encuentran ambas películas depositadas sobre el sustrato de vidrio.
Estas películas fueron tratadas posteriormente con una solución de CdCl2, el cual consistió en lo
siguiente:
Se preparo una solución saturada de CdCl2 en metanol y toda las muestras fueron sumergidas
durante 10 minutos dentro de la solución a una temperatura de 65°C, una vez hecho esto se
procedió a sacar las muestras de dicha solución e inmediatamente fueron introducidas en un
horno de tratamiento térmico en una atmósfera de gas Ar, para evitar cualquier contaminación,
evaporar el solvente y para minimizar cualquier proceso de oxidación en las celdas. Se
mantuvieron constante los espesores de las películas de CdO:F y de CdTe:Sb y también los
2
espesores de los contactos de Cu2Te-Au. Variando únicamente los tiempos de tratamiento
térmico a los que se sometieron las celdas, los cuales fueron los siguientes: 15, 30, 45 y 60
minutos. A continuación se enlistan los resultados encontrados.
Tabla 1 Eficiencias calculadas a partir de las características eléctricas monitoreadas.
Muestra
60 min
M1
M2
M3
M4
Eficiencia
1.8
1.4
1.32
1.56
Muestra
45 min
M1
M2
M3
M4
Eficiencia
--0.632
0.6393
1.37
Muestra
30 min
M1
M2
M3
M4
Eficiencia
2.7
2.5
2.44
2.6
Muestra
15 min
M1
M2
M3
M4
Eficiencia
---------
CONCLUSIONES
- La mejor de las series caracterizadas fue la de 30 min., obtuvo los mejores valores de factor de
llenado y eficiencia con un valor máximo de 0.36 y 2.7 % respectivamente, también podemos
observar que esta serie muestra las mejores características corriente-voltaje comparada con las
demás series.
- El hecho de que se hayan encontrado las mejores características corriente voltaje probablemente
se deba a la disminución del tiempo de difusión de CdCl2 el cual pasiva de mejor forma los
defectos en la interfase observándose así una mejora en el factor de llenado de la celda, lo que
nos hace concluir que un tiempo menor de difusión nos permite alcanzar las mejores
características de corriente y voltaje para el grupo de celdas
- Finalmente en lo que respecta al trabajo futuro, la disminución en el espesor del contacto de
Cu2Te posiblemente nos permitirá alcanzar eficiencias mas altas al disminuir la resistencia en
serie debida al espesor del contacto, incrementándose así el voltaje, factor que limita la obtención
de una mejor eficiencia en la celda,, pues los valores de corriente en corto circuito muestran
valores aceptable de corriente con valores aproximados a 22mA/cm2.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Artículos:
K. Bouzidi, M. Chegaar, A. Bouhemadou. Solar cells parameters evaluation considering the
series and shunt resistance. Solar Energy Materials & Solar Cells 91. Physics Department, Ferhat
Abbas University, Sétif, Algeria. 2007.
Libros:
Poortmans Jef and Arkhipov Vladimir. Thin Film Solar Cells, Fabrication, Characterization and
Applications. John Wiley & Sons. Belgium.
Savant Jr., C. J.; Roden, M. S.; Carpenter, G. L. Diseño Electrónico, Circuito y Sistemas. Pearson
Hall. 3ra Edición. California State University.
3
Tesis:
Santos Cruz, J. “Celdas Solares de Heteroestructura: Au-Cu/p-CdTe/n-CdO/vidrio.” Tesis de
Doctorado en Materiales, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto
Politécnico Nacional, CINVESTAV-Querétaro, México, 2005.
4