Tcad modelling, simulation and characterization of iii-v multijunction solar cells

Resumen

La tecnología de células solares multiunión de materiales III-V ha sido capaz de desarrollar las células solares con las más altas eficiencias de conversión de radiación solar en electricidad. La alta eficiencia permite reducir considerablemente el tamaño y peso de los dispositivos, convirtiendo a este tipo de células en las preferidas para aplicaciones espaciales. Además, ofrecen un gran potencial para aplicaciones terrestres (concentración fotovoltaica) donde la reducción del tamaño permitiría disminuir su coste. A pesar de haber conseguido las más altas eficiencias, aún existe margen de mejora a nivel de dispositivo y sistema que deben ser abordados. En consecuencia, esta tesis doctoral se centra en la simulación, caracterización y análisis de distintas células solares multiunión de materiales III-V tanto para aplicaciones terrestres como espaciales. El objetivo principal es desarrollar una herramienta TCAD de simulación de células solares multiunión (3, 4 o más uniones) basada en modelos de arrastre y difusión y en el uso de modelos cuánticos para tratar las uniones túnel. Gran parte de esta tesis está enfocada en la comparación de los resultados experimentales bajo diferentes condiciones de operación de las células con un único conjunto de parámetros de material y un conjunto dado de modelos físicos de semiconductores con el objetivo de validar los modelos. Además, se ha hecho especial énfasis en que los cálculos aquí mostrados estén basados en datos experimentales para proporcionar una visión cercana al estado del arte de las células solares multiunión y así mejorar su rendimiento. En general, se ha llevado a cabo la simulación, caracterización y análisis individual de los componentes (subcélulas y uniones túnel) de una célula solar multiunión así como el estudio de las células solares multiunión integrando dichos componentes. Por ejemplo, se comienza con el estudio de cada una de las subcélulas que componen la célula solar de tres uniones GaInP/Ga(In)As/Ge, así como las uniones túnel. En primer lugar, se analiza la célula de arseniuro de galio en donde la recombinación del perímetro juega un papel importante. Este fenómeno fue analizado con simulaciones 3D para distintos tamaños, geometrías y concentración de dopantes. Después, se ha implementado un modelo que describe el comportamiento de la célula solar de germanio con distintos tipos de emisor típicamente obtenidos por la formación de la unión pn en un reactor de crecimiento epitaxial (MOVPE). El modelo tiene en cuenta los perfiles reales de dopado en el emisor y ha sido utilizado para desglosar las pérdidas en dispositivos con distintos niveles de degradación asociados a la carga térmica durante el crecimiento. Para concluir el estudio de los componentes individuales de una célula multiunión, se ha llevado a cabo una validación del modelo de las uniones túnel y la célula de solar de GaInP bajo distintas condiciones de operación (en iluminación, oscuridad, etc.). Una vez hecho esto, todos los componentes han sido integrados para formar la célula solar de tres y cuatro uniones: GaInP/Ga(In)As/Ge y GaInP/Ga(In)As/nitruro diluido/Ge. El modelo ha sido utilizado principalmente para analizar el comportamiento de dichas células así como para detectar donde se encuentran las mayores pérdidas de rendimiento. Se han analizado un par de ejemplos ("case studies") para la célula de tres uniones: 1) ¿cuáles son los factores que limitan (como la resistencia serie incluyendo heterouniones y uniones túnel) dichas células cuando operan a altas concentraciones luminosas (1000-5000 soles)?. Además, se aportan algunas sugerencias de diseño para mejorar su rendimiento a estas elevadas concentraciones luminosas; 2) los efectos de la irradiación con un haz de protones de 10 MeV para estudiar la robustez de células de concentración en el ambiente espacial haciendo especial énfasis en la degradación de sus componentes individuales. Se ha realizado también un análisis de células solares de nitruros diluidos que serían candidatos ideales para estructuras de cuatro uniones. Con el uso de la herramienta de simulación y datos experimentales, se han detectado las principales limitaciones y se han establecido los requisitos de dichas células para una exitosa integración en una célula solar de cuatro uniones. Además, se ha analizado la respuesta espectral de la subcélula de germanio debido a que puede convertirse en la célula que limita el rendimiento dentro de la estructura de cuatro uniones. También se ha optimizado la estructura de célula solar con el objeto de determinar las eficiencias prácticas que se podrían conseguir con las células de cuatro uniones que incorporan subcélulas de nitruros diluidos. Si se consiguen materiales de mayor calidad electrónica y se utilizan capas antireflectantes de amplio espectro (lo que ha sido demostrado recientemente), sería posible conseguir eficiencias cercanas al 47\% operando en concentración y alrededor del 33\% para aplicaciones espaciales. Finalmente, también se ha estudiado teórica y experimentalmente la influencia de la temperatura en el acoplamiento luminiscente de distintas células solares multiunión (GaInP/GaAs y GaAs/GaInAs). El acoplamiento luminiscente fue evaluado en un rango amplio de temperaturas que cubren las típicas de operación de las células solares multiunión dentro de un concentrador (25-120ºC).