Development of solar cells based on AllnN/Si heterojunctions growth by RF-Sputtering

Abstract

Hoy en día, los semiconductores III-Nitruros se están proponiendo para su aplicación en dispositivos electrónicos y optoelectrónicos debido a sus características únicas, como son su energía de gap, su alta estabilidad térmica y alta resistencia a la radiación. En ese sentido, las aleaciones de nitruro de aluminio e indio (AlInN) ofrecen un gran potencial para su uso como dispositivos fotovoltaicos dado que su energía de gap puede cubrir un amplio rango del espectro solar, yendo desde 0.7 eV (InN) hasta 6.2 eV (AlN), y además de las ya mencionadas resistencia a altas temperaturas y a la radiación. Además, a lo largo de las últimas décadas, los compuestos del grupo III-V se han desarrollado utilizando diferentes técnicas de crecimiento, como el crecimiento epitaxial por haces moleculares (MBE), la epitaxia en fase de vapor con precursores metalorgánicos (MOVPE) o la pulverización catódica. Esta tesis se centra en esta última técnica, que permite obtener dispositivos más baratos y con mayor área que otras técnicas de depósito y también permite el crecimiento en un amplio rango de temperaturas (en nuestro caso desde temperatura ambiente hasta valores por debajo de 650 ° C) y sustratos. A lo largo de esta tesis, se ha estudiado la influencia de varios parámetros de la heterounión basada en el AlInN y el silicio, como son la energía de gap del AlInN, su espesor y concentración de portadores, la recombinación en la superficie del silicio, densidad de defectos en la intercara y la calidad de oblea de Si, en sus propiedades fotoeléctricas mediante el uso del software Pc1d, con el objetivo de explorar su potencial como células solares a través del análisis y la optimización de dichos parámetros Además de ello, se ha estudiado el efecto de varios parámetros de depósito, como la temperatura de crecimiento o la potencia aplicada a los blancos de indio y aluminio, sobre las propiedades estructurales, morfológicas, eléctricas y ópticas de los compuestos AlxIn1-xN crecidos sobre sustratos de Si (111), Si (100) y zafiro; mostrando propiedades similares en ambos sustratos de silicio, independientemente de la orientación. Tras ello, se han estudiado las propiedades fotoeléctricas de los dispositivos basados en heterouniones AlxIn1-xN / Si en función de la temperatura de crecimiento y la potencia aplicada al blanco de Al. La curva I-V de los dispositivos revela la alta influencia de la temperatura de crecimiento en la eficiencia de conversión de los dispositivos.

Nowadays III-Nitrides semiconductors are being proposed for electronic and optoelectronic devices due to their unique material characteristics, such as their wide direct bandgap, high thermal stability and high radiation hardness. Particularly, Aluminum Indium Nitride (AlInN) alloys offer great potential for photovoltaic devices thanks to their wide direct bandgap energy that covers the solar spectrum from 0.7 eV (InN) to 6.2 eV (AlN), and their superior resistance to high temperatures and high-energy particles. Besides, III-nitrides compounds has been grown using different deposition techniques, such as Molecular Beam Epitaxy (MBE), Metalorganic vapour phase epitaxy-(MOVPE) or Radio Frequency (RF) Sputtering. This thesis is focused on this latest technique, which allows obtaining cheaper and larger devices than other deposition techniques and also deposition in a wide range of temperatures (from room temperature to values below 650°C in our case) and substrates. Along this thesis, the influence of several parameters, such as AlInN bandgap energy, AlInN thickness and carrier concentration, silicon surface recombination, interface defects and Si wafer quality, on the photovoltaic properties of AlInN on silicon heterojunctions has been carried out using the Pc1d software, with the aim to explore their potential for solar cell devices through the analysis and optimization of the aforementioned parameters. Besides, the effect of several growth parameters, such as the deposition temperature or the power supply applied to the In and the Al targets, on the structural, morphological, electrical and optical properties of AlxIn1-xN compounds deposited on Si (111), Si (100) and sapphire substrates has been studied, showing similar properties of the AlxIn1-xN layers growth on both silicon substrates regardless the orientation. After that, the photoelectrical properties of solar cell devices based on AlxIn1-xN/Si heterojunctions has been studied as a function of the growth temperature and the Al power supply. Their J-V curve of the devices reveals the high influence of the growth temperature on the conversion efficiency of the devices.