Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells
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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN TESIS DOCTORAL Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells Alexander Mellor Master in Mathematics and Physics (MPhys) 2013 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID Instituto de Energía Solar Departamento de Electrónica Física Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación TESIS DOCTORAL Photon Management Structures for Absorption Enhancement in Intermediate Band Solar Cells and Crystalline Silicon Solar Cells AUTOR: Alexander Mellor Master in Mathematics and Physics (MPhys) DIRECTORES: Antonio Luque López Doctor en Ingeniería de Telecomunicaciones Ignacio Tobías Galicia Doctor en Ingeniería de Telecomunicaciones 2013 Tribunal nombrado por el Magfco. Y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid. PRESIDENTE: VOCALES: SECRETARIO: SUPLENTES: Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis en Madrid, el día ___ de _____ de 200__. Calificación: EL PRESIDENTE LOS VOCALES EL SECRETARIO Dearest Nan It’s the time you spend on your rose that makes your rose so important.” Antoine de Saint-Exupéry - Le Petit Prince – 1943 Acknowledgements I owe my deepest thanks to my thesis directors Ignacio Tobías and Antonio Luque, without whom none of this would have been possible. Their preliminary work and vision laid the ground for what has been studied in this thesis, and they have tirelessly supported and motivated this project. Through their guidance, I have matured as a scientist. I thank my colleagues here at the Institute of Solar Energy, particularly Antonio Martí for guidance and support, Manuel Mendes for improving my scientific English, even though I am the native speaker and not he, Iñigo Ramiro, Ester López and Estela Hernandez for assistance and patience in the laboratory and David Fuertes, César Tablero, Elisa Antolín and Pablo Linares for interesting scientific debates. I thank Daniel Masa for helping me to understand and interface with Spanish institutions and bureaucracy. I thank Estrella Uribe, Maria-Helena Gómez, Rosa Sacristán and Ricardo Castrillo for administrative support. I thank my officemates, past and present, for a friendly and lively atmosphere. I thank every member of the institute for making me feel welcome and at home in a foreign land; they have been my closest friends during these years, and I will miss them dearly. I thank our collaborators at the Microstructured Surfaces Group of the Fraunhofer ISE, particularly Benedikt Bläsi, Hubert Hauser, Michael Nitsche, Christina Wellens, Aron Guttowski, Christian Walk, Sabrina Jüchter, Volker Kübler, Andreas Wolf, Dominik Pelzer, Johannes Eisenlohr and Marius Peters. They made my research stay with them enjoyable and productive, and contributed much to this project. I thank David López Romero from the Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología for his help during my visit there. I thank the thesis committee for taking time from their busy schedules to read and review this thesis. I thank my secondary school physics teacher Mr. Thompson for introducing me to the subject and for teaching me, in his own words, that “life is easy, it’s people that make it difficult”: too true. Finally, I thank my family and friends for their support and for reminding me that there is a world outside of research. I thank my father for periodically asking me when I am going to get a real job: soon dad, soon. I thank my girlfriend for being my daily companion, and for convincingly feigning interest when I discussed physics over dinner. I thank my mother, who has selflessly suffered my absence so that I may pursue my dream. Resumen El objetivo de la tesis es investigar los beneficios que el atrapamiento de la luz mediante fenómenos difractivos puede suponer para las células solares de silicio cristalino y las de banda intermedia. Ambos tipos de células adolecen de una insuficiente absorción de fotones en alguna región del espectro solar. Las células solares de banda intermedia son teóricamente capaces de alcanzar eficiencias mucho mayores que los dispositivos convencionales (con una sola banda energética prohibida), pero los prototipos actuales se resienten de una absorción muy débil de los fotones con energías menores que la banda prohibida. Del mismo modo, las células solares de silicio cristalino absorben débilmente en el infrarrojo cercano debido al carácter indirecto de su banda prohibida. Se ha prestado mucha atención a este problema durante las últimas décadas, de modo que todas las células solares de silicio cristalino comerciales incorporan alguna forma de atrapamiento de luz. Por razones de economía, en la industria se persigue el uso de obleas cada vez más delgadas, con lo que el atrapamiento de la luz adquiere más importancia. Por tanto aumenta el interés en las estructuras difractivas, ya que podrían suponer una mejora sobre el estado del arte. Se comienza desarrollando un método de cálculo con el que simular células solares equipadas con redes de difracción. En este método, la red de difracción se analiza en el ámbito de la óptica física, mediante análisis riguroso con ondas acopladas (rigorous coupled wave analysis), y el sustrato de la célula solar, ópticamente grueso, se analiza en los términos de la óptica geométrica. El método se ha implementado en ordenador y se ha visto que es eficiente y da resultados en buen acuerdo con métodos diferentes descritos por otros autores. Utilizando el formalismo matricial así derivado, se calcula el límite teórico superior para el aumento de la absorción en células solares mediante el uso de redes de difracción. Este límite se compara con el llamado límite lambertiano del atrapamiento de la luz y con el límite absoluto en sustratos gruesos. Se encuentra que las redes biperiódicas (con geometría hexagonal o rectangular) pueden producir un atrapamiento mucho mejor que las redes uniperiódicas. El límite superior depende mucho del periodo de la red. Para periodos grandes, las redes son en teoría capaces de alcanzar el máximo atrapamiento, pero sólo si las eficiencias de difracción tienen una forma peculiar que parece inalcanzable con las herramientas actuales de diseño. Para periodos similares a la longitud de onda de la luz incidente, las redes de difracción pueden proporcionar atrapamiento por debajo del máximo teórico pero por encima del límite Lambertiano, sin imponer requisitos irrealizables a la forma de las eficiencias de difracción y en un margen de longitudes de onda razonablemente amplio. El método de cálculo desarrollado se usa también para diseñar y optimizar redes de difracción para el atrapamiento de la luz en células solares. La red propuesta consiste en un red hexagonal de pozos cilíndricos excavados en la cara posterior del sustrato absorbente de la célula solar. La red se encapsula en una capa dieléctrica y se cubre con un espejo posterior. Se simula esta estructura para una célula solar de silicio y para una de banda intermedia y puntos cuánticos. Numéricamente, se determinan los valores óptimos del periodo de la red y de la profundidad y las dimensiones laterales de los pozos para ambos tipos de células. Los valores se explican utilizando conceptos físicos sencillos, lo que nos permite extraer conclusiones generales que se pueden aplicar a células de otras tecnologías. Las texturas con redes de difracción se fabrican en sustratos de silicio cristalino mediante litografía por nanoimpresión y ataque con iones reactivos. De los cálculos precedentes, se conoce el periodo óptimo de la red que se toma como una constante de diseño. Los sustratos se procesan para obtener estructuras precursoras de células solares sobre las que se realizan medidas ópticas. Las medidas de reflexión en función de la longitud de onda confirman que las redes cuadradas biperiódicas consiguen mejor atrapamiento que las uniperiódicas. Las estructuras fabricadas se simulan con la herramienta de cálculo descrita en los párrafos precedentes y se obtiene un buen acuerdo entre la medida y los resultados de la simulación. Ésta revela que una fracción significativa de los fotones incidentes son absorbidos en el reflector posterior de aluminio, y por tanto desaprovechados, y que este efecto empeora por la rugosidad del espejo. Se desarrolla un método alternativo para crear la capa dieléctrica que consigue que el reflector se deposite sobre una superficie plana, encontrándose que en las muestras preparadas de esta manera la absorción parásita en el espejo es menor. La siguiente tarea descrita en la tesis es el estudio de la absorción de fotones en puntos cuánticos semiconductores. Con la aproximación de masa efectiva, se calculan los niveles de energía de los estados confinados en puntos cuánticos de InAs/GaAs. Se emplea un método de una y de cuatro bandas para el cálculo de la función de onda de electrones y huecos, respectivamente; en el último caso se utiliza un hamiltoniano empírico. La regla de oro de Fermi permite obtener la intensidad de las transiciones ópticas entre los estados confinados. Se investiga el efecto de las dimensiones del punto cuántico en los niveles de energía y la intensidad de las transiciones y se obtiene que, al disminuir la anchura del punto cuántico respecto a su valor en los prototipos actuales, se puede conseguir una transición más intensa entre el nivel intermedio fundamental y la banda de conducción. Tomando como datos de partida los niveles de energía y las intensidades de las transiciones calculados como se ha explicado, se desarrolla un modelo de equilibrio o balance detallado realista para células solares de puntos cuánticos. Con el modelo se calculan las diferentes corrientes debidas a transiciones ópticas entre los numerosos niveles intermedios y las bandas de conducción y de valencia bajo ciertas condiciones. Se distingue de modelos de equilibrio detallado previos, usados para calcular límites de eficiencia, en que se adoptan suposiciones realistas sobre la absorción de fotones para cada transición. Con este modelo se reproducen datos publicados de eficiencias cuánticas experimentales a diferentes temperaturas con un acuerdo muy bueno.