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Tesis para optar al título de Doctor en Ciencia y Tecnología de Materiales, mención Física. Director/es: Plá, Juan C.; Rubinelli, Francisco

Los dispositivos fotovoltaicos son utilizados para la provisión de energía eléctrica de los satélites, siendo las celdas solares el principal componente de dicho sistema. Uno de los requisitos de estos dispositivos es la necesidad de poseer una alta eficiencia. Una forma de incrementar la eficiencia de las celdas es disminuyendo la reflectividad de la cara frontal, maximizando de este modo la fracción de energía absorbida. A tal fin, se utilizan técnicas antirreflectantes (AR), siendo una de ellas el empleo de multicapas dieléctricas. En este trabajo se realizó la optimización numérica de la estructura MgF2-vidrio-adhesivo-TiO2- SiO2- Si, la que es representativa de celdas solares de Si cristalino encapsuladas para aplicaciones espaciales, obteniéndose los espesores óptimos para el MgF2 y el TiO2 para una serie de espesores del SiO2 pasivante. Asimismo, se consideró la influencia del espesor del vidrio y el adhesivo en el proceso de optimización. Para este estudio se consideró el espectro solar AM0 y una respuesta espectral típica de celdas solares de Si cristalino. Con posterioridad, se elaboraron y caracterizaron muestras con estructura TiO2-SiO2-Si. Para ello, primeramente se optimizó un procedimiento experimental para la obtención de la bicapa TiO2-SiO2 con espesores acordes con la optimización teórica realizada, a partir de la evaporación térmica de Ti y un posterior proceso térmico de oxidación a alta temperatura. La caracterización óptica de las muestras elaboradas a partir de la medición de reflectividad espectral en el intervalo UV-visible, permitió determinar los espesores de las capas de TiO2 y SiO2 realizando el ajuste de la curva experimental con la curva teórica. Se realizó además la caracterización estructural de muestras mediante reflectividad de rayos X (XRR) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) en sección transversal (cross section). La primera técnica confirmó la presencia de la fase rutilo para el TiO2. Por otra parte, se obtuvieron los espesores de las capas a partir de mediciones de reflectividad óptica, considerándose la presencia de la rugosidad de las superficies. Los espesores encontrados mediante las distintas técnicas resultaron consistentes entre si. Con el fin de estudiar muestras representativas de la celda solar encapsulada, se elaboraron muestras con estructura MgF2-vidrio(adhesivo)-TiO2-SiO2-Si, con espesores optimizados. Se obtuvo una buena correspondencia entre los valores de reflectividad medidos y el ajuste teórico, en el cual se utilizaron los espesores de las películas determinados anteriormente a la integración de la muestra. Además, se elaboraron celdas de Si monocristalino n+-p-p+ convencionales y también con el empleo de distintas técnicas AR, bicapa TiO2-SiO2 y una monocapa de ZnS. Para ello, se partió de obleas comerciales tipo p, y se propuso un método de elaboración de la capa AR compatible con el proceso de elaboración de celdas convencionales. La capa de ZnS se obtuvo por evaporación térmica en cámara de vacío Es importante destacar que los procesos propuestos para la elaboración de celdas solares con AR, tanto con bicapa de TiO2-SiO2 como con ZnS, permitieron obtener por primera vez celdas con estas características en el país. Por otra parte, se realizó la simulación numérica de celdas solares basadas en materiales III-V mediante el código no comercial D-AMPS-1D (New Developments - Analysis of Microelectronic and Photonic Devices - One Dimensional). Primeramente se realizó un estudio sobre los efectos de la pasivación de la ventana de InGaP sobre la celda solar de GaAs p-n. Con posterioridad se simuló una celda multijuntura InGaP/GaAs/Ge, similar a las provistas por la empresa Emcore Photovoltaics, para lo que se estudiaron homojunturas n-p basadas en InGaP, GaAs y Ge con estructura y caracterización eléctrica publicadas en la literatura. Los resultados obtenidos se encuentran en buen acuerdo con los valores experimentales presentados en la bibliografía consultada para los tres tipos de dispositivos simulados. Luego se adaptó la estructura de estos dispositivos para corresponderse con la de las subceldas de la celda triple. Así, se obtuvieron resultados preliminares para la característica I-V de celdas de triple juntura a partir de la interconexión virtual en serie de estas tres subceldas, los que resultaron consistentes con datos encontrados en la literatura y con mediciones de características I-V realizadas en el Grupo Energía Solar (GES). Asimismo, se inició el estudio de técnicas de deposición de materiales para la fabricación de celdas solares basadas en compuestos III-V. Entre dichas actividades, se realizó la deposición de estructuras monolíticas de GaAs aptas para la fabricación de celdas solares. La presente Tesis Doctoral fue realizada en el GES de la Gerencia de Investigación y Aplicaciones de la Comisión Nacional de Energía Atómica. Dicho Grupo, está a cargo del desarrollo de técnicas de diseño, integración y ensayo para la elaboración de paneles solares para aplicaciones espaciales. Las actividades realizadas en esta Tesis, en el marco de la integración de los paneles del proyecto Aquarius/SAC-D, se centraron en el proceso de soldadura y en la caracterización de componentes del panel solar. Se presentan los resultados obtenidos incluyendo la integración del modelo de ingeniería para el satélite SAC-D.

The photovoltaic devices are used for the electric power of satellites, being the solar cells the main component of such system. One of the requirements of these devices is the necessity of having a high efficiency. One way to enhance the solar cells efficiency is to minimize the front surface reflectivity, maximizing the absorbed energy fraction. With this objective, antireflection (AR) techniques are used, being the dielectric multilayer schemes one example. In this work, the numeric optimization of the MgF2-glass-adhesive-TiO2-SiO2-Si structure was performed; this structure is a realistic representation of an encapsulated Si solar cell for space applications. The optimum thicknesses for MgF2 and TiO2 were obtained keeping in mind different SiO2 thicknesses. Also, the glass and adhesive thicknesses were considered in the optimization. For this study, the AM0 solar spectrum and typical crystalline silicon solar cell spectral response were considered. Subsequently, TiO2-SiO2 samples were elaborated and characterizated. First of all, an experimental procedure to obtain the TiO2-SiO2 double layer with optimum theoretical thickness was optimized. The process consists in a thermal evaporation of Ti followed by an annealing in oxygen at high temperatures. The optical characterization of the elaborated samples measuring the spectral reflectivity in the UV-visible range, allowed determination the thickness of the TiO2 and SiO2 layers by fitting this curve with that obtained by theoretical simulation. The structural characterization of the samples was perfomed by using X-ray reflectivity (XRR) and transmission electron microscope (TEM) in cross section. The first technique confirmed the rutile phase of the TiO2. Incidentally the film thicknesess were obtained by using optical reflectivity considering rough interfaces. The thickneness determined by the different techniques were consistent. With the aim to study representative samples of encapsulated solar cell, that means with structure MgF2-glass (adhesive)-TiO2-SiO2-Si, with optimized thickneness were fabricated. The measured reflectivity and the theoretical fitting, using film thickneness previously determinated to the integration of the sample, were in good agreement. Moreover, conventional Si crystalline solar cells n+ -p-p+ and cells with different AR techniques were elaborated, using TiO2-SiO2 double layer and Zns single layer AR coating. For this, commercial P-type wafers were used, and elaboration methods for the AR layer, compatible with the conventional elaboration process, were proposed. The Zns layer was obtained by thermal evaporation process in vacuum chamber. It is important to remark that the elaboration processes proposed for the solar cell with these AR techniques, TiO2-SiO2 double layer and ZnS singles layer, allowed obtaining cells with these characteristic for the first time in the country. By the way, numerical simulation of solar cells based in III-V materials was performed using the no commercial D-AMPS-1D code (New Developments-Analysis of Microelectronic and Photonic Devices-One Dimensional). First of all, the study of passivation effects of the InGap window on a p-n GaAs solar cell was made. Therefore the numerical of n-p InGap, Ga As and Ge homojunctions, based on the structures and electrical characterizations found in the literature were studied, keeping in mind a multijunction InGaP/GaAs/Ge solar cell similar to commercial devices from Emcore Photovoltaics. The results were in good agreement with the experimental values of the bibliography consulted for three types of devices simulated. The next step was to adapt the structure of devices for the triple junction simulation. In this way, preliminary results for the I-V characteristic of the triple junction solar cell were obtained by the virtual interconnection of the homojunctions. The results were in good agreement with the I-V characteristics measured in the Solar Cell Group (GES) and the technical data sheets from Emcore. Moreover, the study of deposition techniques for solar cell based in III-V compounds was studied. In these activities, the deposition of the GaAs monolithic structures suitable for solar cells fabrication was perfomed. This Doctoral Thesis was accomplished in the Solar Energy Group (GES)- Physics Department of the National Atomic Energy Commision (CNEA). This group is in charge of the development of design, integration and testing techniques for the fabrication of solar arrays for space applications. The activities developed in this field, in the frame of the integration of the Aquarius/SAC-D photovoltaic models, were centered in the soldering process and characterization of components. Results obtained, including the SAC-D engineering model integration, are presented.

Lugar de trabajo: Centro Atómico Constituyentes