UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN OPTIMIZATION PATHWAYS TO IMPROVE GaInP/GaInAs/Ge TRIPLE JUNCTION SOLAR CELLS FOR CPV APPLICATIONS TESIS DOCTORAL Laura Barrutia Poncela Licenciada en Ciencias Físicas 2017 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID Instituto de Energía Solar Departamento de Electrónica Física Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación TESIS DOCTORAL OPTIMIZATION PATHWAYS TO IMPROVE GaInP/GaInAs/Ge TRIPLE JUNCTION SOLAR CELLS FOR CPV APPLICATIONS AUTOR Laura Barrutia Poncela Licenciada en Ciencias Físicas DIRECTORES Carlos Algora del Valle Doctor en Ciencias Físicas Ignacio Rey-Stolle Prado Doctor Ingeniero de Telecomunicación 2017 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 2017 Calificación: EL PRESIDENTE LOS VOCALES EL SECRETARIO A la memoria de mi abuela Ole, por todo el cariño y esfuerzo que siempre puso en nosotras. A mi familia, a Andrés, por todo su amor y apoyo constante. i “Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad ” Albert Einstein iii Agradecimientos Muchas veces pienso en cómo he llegado hasta aquí y me vienen a la cabeza muchas personas que con su conocimiento y cariño me ayudaron poco a poco a ir descubriendo mi camino. Maruja me enseñó mis primeros conocimientos de la física e influyó en gran parte a que decidiese estudiar Físicas en la Universidad Complutense de Madrid. Allí conocí a muy buenos profesores. Me quedo especialmente con el afecto de Pedro Hidalgo, que consiguió que no solo estudiase la carrera, sino que me adentrase y me gustase un poco más el mundo de la ciencia realizando un trabajo académicamente dirigido con él. Tras saborear estos primeros pasos, decidí continuar un poco más y realizar el Máster de Física de Materiales en la misma universidad. Tuve la gran suerte de poder realizar mi segundo año de Máster en la Universidad de Lund (Suecia), en el departamento de Física del Estado Sólido. Y digo gran suerte, porque estoy convencida de que gracias a ellos he realizado el Doctorado en el Instituto de Energía Solar. Parece que fue ayer cuando estaba en Lund buscando un tema de investigación en el que comenzar a realizar mi proyecto de Máster. Después de conocer las distintas ofertas, decidí trabajar con Magnus Borgström y Jesper Wallentin. Puedo decir que desde el primer día con ellos sabía que ese proyecto me iba a gustar. Fue con ellos con los que empecé a conocer el mundo fotovoltaico a través de los nanohilos, y también cuando descubrí el famoso libro “Handbook of Photovoltaics” por el profesor Antonio Luque, del Instituto de Energía Solar. Gracias a Magnus y a Jesper por enseñarme a trabajar rigurosamente, enseñarme a trabajar en una sala blanca y enseñarme a procesar mis primeros dispositivos. Mi paso por el Instituto de Energía Solar no ha podido ser mejor. Y es que no podía ser de otra manera al tratarse de un sitio tan especial, no solo por la calidad científica de las personas que lo integran y su gran aportación en el sector fotovoltaico a nivel mundial, sino porque la calidad humana de estas personas ha hecho que me sienta como en casa. Es por ello que quiero agradecer el cariño que me han dado todos los integrantes del IES durante estos años. v Quiero empezar dando las gracias especialmente a mis supervisores Carlos Algora e Ignacio Rey-Stolle. Gracias por confiar en mí y hacerme confiar en mi trabajo. Por ofrecerme la gran oportunidad de trabajar en el grupo de semiconductores III-V. Por toda vuestra ayuda y consejos. Quiero dar las gracias a las “secres” (Maria Helena, Rosa, Estrella, Montse y Olga), por estar siempre pendientes de mí y tratarme con mucho cariño. A Estefanía, por estar siempre disponible y atenta, especialmente en este último año. A Ana, por la alegría y buen humor que desprende. A mi despacho 109, que pese a que algunos compañeros se hayan marchado y otros nuevos hayan llegado, siempre ha sido un despacho genial dónde he pasado muy buenos ratos con todos vosotros. Guardo especial cariño a César Domínguez, por su gran capacidad de aprovechar y disfrutar de cualquier momento y a su vez por su gran capacidad científica. Gracias por tu afecto demostrado hacia mí desde el principio y por toda tu ayuda. Muchas gracias a David Fuertes, por tus consejos científicos, por las charlas, anécdotas y “chascarrillos” que hemos compartido. Gracias también por ayudarme a decidir en su momento hacer el Doctorado en el IES. Gracias a Juan Carlos Zamorano, por toda tu ayuda en el laboratorio y en el día a día. Y en especial gracias por mi máscara de químicos con gafas incorporadas de última tecnología. A todos los profesores del IES con los que he tenido el privilegio de coincidir durante mi Doctorado y de los cuales he aprendido mucho (Antonio Martí, Ignacio Antón, Gabriel Sala, Carlos del Cañizo etc…). Del resto de compañeros, quiero agradecer especialmente a Javier Valdehita todo su cariño y apoyo. Cuanto me alegro de poder haber compartido contigo tantos buenos ratos en el laboratorio y en el despacho. Las carcajadas que hemos compartido las guardo con mucho afecto. De la misma manera quiero agradecer a Luis Marty todo su cariño, ayuda y buen rollo que siempre desprende. A Miguel por estar siempre ahí dispuesto a ayudar con lo que sea, la sonrisa de Almu, y el cariño de otros muchos compañeros (Rebe, Marta, Irene, Esther, Fran, Alejandro, Guille, Pablo, Rubén etc…). Guardo un cariño muy especial a todos los III-Vs y estoy muy contenta de haber podido realizar el Doctorado en este grupo por todo lo que he aprendido con ellos. Gracias a Jesús, por cuidar de su “FP” desde el principio y ayudarme siempre que estaba en sus manos. Gracias por tu ayuda tan necesaria en el reactor. Gracias a Iván, Pili y Kike. Desde el principio fueron modelos a seguir por su buen criterio y gran interés científico. Gracias a Pili por todos los buenos momentos vividos en el despacho. Gracias Iván, por toda tu disponibilidad a ayudarme con lo que fuese y en cualquier momento. Gracias Kike, por todos estos años compartidos, por enseñarme todo, el reactor, a ser ordenada y meticulosa...Quiero agradecerte muy en especial tu atención y cariño demostrado tras tu marcha del IES. A Mario, por nuestras charlas, nuestras dudas y en especial por decir siempre que sí a echarme una mano, pese a estar agobiado con la escritura de tu tesis. A Huo por enseñarme de tu cultura y por ser tan buena persona. A los nuevos integrantes del IES (Iván L, Manu y Pablo) porque siempre te recuerdan el entusiasmo y la energía con la que se ha vi de trabajar. Gracias en especial a Iván por su ayuda en este último año de tesis. Muchas gracias a Luis Cifuentes, por evitar el colapso de procesado de muestras de todos los integrantes del grupo. Gracias por tu ayuda también en el último año de tesis. También recuerdo con cariño el paso de otros integrantes del grupo III-V, como Luna y Vincenzo. No puedo terminar de hablar de mi grupo de investigación, sin hablar de mi compañera y amiga Elisa. Creo que esta tesis no hubiera sido lo mismo sin ella. Gracias por su apoyo infinito, por animarme en momentos difíciles, dentro y fuera del IES. Por todos los momentos tan divertidos que hemos pasado juntas y por seguir estando ahí a pesar de la distancia. Quiero agradecer a Tomás Palacios la oportunidad de haber podido realizar mi estancia de tres meses y medio en su grupo de investigación en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. A todo su grupo y miembros del departamento Electrical Engineering and Computer Science. Y a la profesora Jing Kong por permitirme el acceso al laboratorio de crecimiento y transferencia de grafeno. Además, durante esa estancia recuerdo con mucho cariño la disponibilidad y afecto de Carlos del Cañizo que siempre estuvo pendiente de mí. Los momentos tan divertidos con Ana Peral y con los nuevos amigos (Giorgia, Verena, Nico e Irene), que hicieron de la estancia un recuerdo muy agradable. Por otro lado, quiero dar las gracias a Mercedes Gabás y a Efraín Ochoa-Martínez, por su ayuda y disponibilidad con las medidas de caracterización de XPS, UPS y elipsometría, en la Universidad de Málaga. A Javier Martínez, del Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología (ISOM), por su disponibilidad, consejos y ayuda con los primeros pasos de ataque del grafeno con la técnica Reactive Ion Etching (RIE). A la empresa IQE (Reino Unido) por proporcionarnos estructuras semiconductoras de célula multiunión de triple unión (GaInP/Ga(In)As/Ge) ajustada en red. A Jesús de la Fuente, Amaia Zurutuza y al resto de compañeros de la empresa Graphenea, por todos los consejos y aportaciones científicas y por proporcionarnos muestras de grafeno crecido por CVD. Además quiero dar las gracias a Ignacio Torres Almarza, del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), por proporcionarnos siempre el acceso a su espectrofotómetro. Y al Centro de Microscopía de la Universidad Complutense, en especial a Ana Soubrié por su ayuda con la caracterización AFM. Al Ministerio de Economía y Competitividad por haber financiado durante los primeros años este trabajo con una beca FPI. Y a la Universidad Politécnica de Madrid, por haber financiado los últimos años de esta tesis con una plaza de Profesor Ayudante. vii Además, quiero dar las gracias a Federico Cebollada y a Coral Duro, por recibirme con los brazos abiertos en el Departamento de Electrónica-Física y estar dispuestos a ayudarme con lo que sea.