Los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable NREL lograron un avance tecnológico para las células solares que antes se consideraban imposibles.
Los científicos integraron con éxito una fuente de aluminio en su reactor de epitaxia en fase de vapor de hidruro HVPE, luego demostraron el crecimiento de los semiconductores de fosfuro de aluminio e indio AlInP y fosfuro de aluminio e indio y galio AlGaInP por primera vez con esta técnica.
"Existe una buena cantidad de literatura que sugiere que las personas nunca podrían cultivar estos compuestos con epitaxia en fase de vapor de hidruro", dijo Kevin Schulte, científico del Centro de Aplicaciones y Desempeño de Materiales de NREL y autor principal de un nuevo artículo que destaca el"Esa es una de las razones por las que gran parte de la industria III-V ha optado por la epitaxia de fase de vapor metalorgánica MOVPE, que es la técnica dominante de crecimiento III-V. Esta innovación cambia las cosas".
El artículo, "Crecimiento de AlGaAs, AlInP y AlGaInP por la epitaxia de la fase de vapor de hidruro" aparece en la revista Materiales de energía aplicada de ACS .
Las células solares III-V, llamadas así por la posición de los materiales en la tabla periódica, se usan comúnmente en aplicaciones espaciales. Notable por su alta eficiencia, este tipo de células son demasiado caras para uso terrestre, pero los investigadores sondesarrollar técnicas para reducir esos costos.
Un método pionero en NREL se basa en una nueva técnica de crecimiento llamada epitaxia de fase de vapor de hidruro dinámico, o D-HVPE. HVPE tradicional, que durante décadas fue considerada la mejor técnica para la producción de diodos emisores de luz y fotodetectores para la industria de las telecomunicaciones,cayó en desgracia en la década de 1980 con la aparición de MOVPE. Ambos procesos implican depositar vapores químicos sobre un sustrato, pero la ventaja pertenecía a MOVPE debido a su capacidad para formar heterointerfaces abruptas entre dos materiales semiconductores diferentes, un lugar donde el HVPE luchó tradicionalmente.
Eso cambió con el advenimiento de D-HVPE.
Muestra de células solares III-V cultivadas con HVPE Muestra de células solares de aluminio III-V, cultivadas con HVPE, se muestran como películas delgadas Alx Ga1-x 0.5In0.5P después de retirar el sustrato de GaAs unido a un mango de vidrio para la transmisiónmediciones. La diferencia de color se debe a la diferencia en la composición de Al y Ga. Específicamente, las muestras amarillas son AlInP sin Ga y las muestras de color naranja son AlGaInP. Foto de Dennis Schroeder, NREL
La versión anterior de HVPE utilizaba una única cámara donde se depositaba una sustancia química sobre un sustrato, que luego se retiraba. La química del crecimiento se intercambiaba por otra, y el sustrato regresaba a la cámara para la siguiente aplicación química. D-HVPEse basa en un reactor multicámara. El sustrato se mueve hacia adelante y hacia atrás entre las cámaras, lo que reduce en gran medida el tiempo para hacer una célula solar. Una célula solar de unión única que tarda una o dos horas en fabricarse utilizando MOVPE puede producirse en menos deminuto a minuto por D-HVPE. A pesar de estos avances, MOVPE aún tenía otra ventaja: la capacidad de depositar materiales que contienen aluminio de banda ancha que permiten la mayor eficiencia de las células solares. HVPE ha luchado durante mucho tiempo con el crecimiento de estos materiales debido a dificultades con elnaturaleza química del precursor habitual que contiene aluminio, el monocloruro de aluminio.
Los investigadores siempre planearon introducir aluminio en D-HVPE, pero primero centraron sus esfuerzos en validar la técnica de crecimiento.
"Hemos tratado de hacer avanzar la tecnología en pasos en lugar de tratar de hacerlo todo de una vez", dijo Schulte. "Validamos que podemos cultivar materiales de alta calidad. Validamos que podemos cultivar dispositivos más complejos".El siguiente paso ahora para que la tecnología avance es el aluminio ".
Los coautores de Schulte de NREL son Wondwosen Metaferia, John Simon, David Guiling y Aaron J. Ptak. También incluyen tres científicos de una compañía de Carolina del Norte, Kyma Technologies. La compañía desarrolló un método para producir un aluminio único que contienemolécula, que luego podría fluir hacia la cámara D-HVPE.
Los científicos utilizaron un generador de tricloruro de aluminio, que se calentó a 400 grados Celsius para generar un tricloruro de aluminio a partir de aluminio sólido y gas de cloruro de hidrógeno. El tricloruro de aluminio es mucho más estable en el entorno del reactor HVPE que la forma de monocloruro. Los otros componentes:- cloruro de galio y cloruro de indio - se vaporizaron a 800 grados centígrados. Los tres elementos se combinaron y se depositaron en un sustrato a 650 grados centígrados.
Usando D-HVPE, los científicos de NREL pudieron fabricar células solares a partir de arseniuro de galio GaAs y fosfuro de indio y galio GaInP. En estas células, el GaInP se usa como la "capa de ventana", que pasiva la superficie frontaly permite que la luz solar alcance la capa absorbente de GaAs debajo de donde los fotones se convierten en electricidad. Esta capa debe ser lo más transparente posible, pero GaInP no es tan transparente como el fosfuro de indio y aluminio AlInP utilizado en las células solares cultivadas con MOVPE.El récord mundial actual de eficiencia para las células solares GaAs cultivadas con MOVPE que incorporan capas de ventana AlInP es del 29.1%. Con solo GaInP, la eficiencia máxima para las células solares cultivadas con HVPE se estima en solo el 27%.
Ahora que se ha agregado aluminio a la mezcla de D-HVPE, los científicos dijeron que deberían poder alcanzar la paridad con las células solares hechas a través de MOVPE.
"El proceso HVPE es un proceso más barato", dijo Ptak, un científico senior en el Centro Nacional de Fotovoltaica de NREL. "Ahora hemos mostrado un camino hacia la misma eficiencia que es el mismo que los otros chicos, pero con una técnica más barata"Antes éramos algo menos eficientes pero más baratos. Ahora existe la posibilidad de ser exactamente igual de eficiente y más barato ".
La Oficina de Tecnologías de Energía Solar del Departamento de Energía de EE. UU. Financió la investigación del D-HVPE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Energía Renovable . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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