Centro de Investigaci

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Centro de Investigación en Energia
Universidad Nacional Autónoma de México
Celdas Solares basadas en Cobre Indio Selenio
(CIS)
Dr. Aarón Sánchez Juárez
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Celdas de CuInSe2
En los últimos años, la tecnología de celdas
solares de película delgada se ha desarrollado
como una medida substancial para reducir los
costos de los sistemas fotovoltaicos. Por lo que,
se espera que los módulos de películas delgadas
sean mas baratos en su manufactura debido a la
reducción de costos del material, costos de
energía, costos de manejo y costos de capital.
Sin embargo, las películas delgadas han tenido
que ser desarrolladas usando nuevos materiales
semiconductores, incluyendo silicio amorfo,
CuInSe2, y CdTe.
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CuInSe2
Cobre Indio Selenio (CuInSe2, o CIS) Es un
material policristalino de película delgada, el
cual ha alcanzado una eficiencia de 17.7 , en
1996, y con un modulo prototipo se ha alcanzado
10.2 .
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Celdas de CuInSe2
Las celdas de CuInSe2 (CIS) absorben el 99 de la
luz en el primer mm de material. La estructura de
estas celdas consiste generalmente en un
conductor transparente, luego de una película
antireflectora seguida del semiconductor tipo n,
generalmente. Esta película n, del orden de 0.05
a 0.1 mm actúa como una ventana. Esta ventana
debe ser suficientemente delgada, tener un ancho
de banda superior a 2.8 eV o mayor y tener una
absortividad tan baja que permita que la luz pase
a través de la juntura de la película
absorbedora. Esta película tipo p tiene
generalmente 2 mm de espesor, una alta
absortividad y un ancho de banda apropiado para
tener un Voc elevado.
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Celdas de CuInSe2
Estructura de una celda solar de CuInSe2
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Técnicas de fabricación
Para la fabricación de la película n de CdS se
emplea evaporación. Para la deposición de CIS se
emplea evaporación, pulverización iónica, spray
pirólisis (aspersión pirolítica) y
electro-deposición. En la evaporación, los tres
elementos Cobre, Indio y Selenio (Coevaporacion)
se calientan a altas temperaturas hasta que éstos
elementos se evaporan y condensan sobre el
sustrato formando la capa CIS.
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Aspersión pirolítica
En el método de aspersión pirolítica, las sales
conteniendo Cu, In y Se se esparcen por aerosol
sobre el sustrato caliente. Cuando el solvente
evapora, deja la película de CIS. En la
electro-deposición, los iones de los elementos
requeridos son depositados sobre un sustrato que
actúa como electrodo.
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Eficiencias de conversión, altas Difícil
escalamiento a nivel industrial Equipo muy
costoso
La técnica de evaporación
Técnica muy sencilla Relativamente barata
Escalamiento a nivel industrial puede llevarse
a cabo sin ningún problema.
Electrodepósito
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(No Transcript)
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Brechas de banda
La brecha de banda de CIS puede ser incrementada
aplicando Galio (creando un compuesto llamado
CIGS), el cual resulta de absorción mas
eficiente.
Las brechas de banda de los semiconductores mas
comunes utilizados en dispositivos fotovoltáicos
a temperatura ambiente son
Material Si GaAs
CdTe CIS Bandgap 1,1 eV
1,4 eV 1,5 eV 1,0 eV
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Semiconductores ternarios CuInS2, CuInSe2 y
CuInTe ? Sus anchos de banda tienen valores
satisfactorios para dispositivos de homounión y
heterounión ? Sus transiciones de banda son
directas, minimizan los requerimientos de
longitudes de difusión para portadores
minoritarios y espesores de capa-absorbedora ?
Pueden producirse materiales tipo n ó p ? El
emparejamiento de red y la afinidad electrónica
son adecuados para materiales ventana comunes
tipo n ? Los coeficientes de absorción óptica
son altos, CuInSe2 (1-5x105 cm-2) ? Las
propiedades electro-ópticas son extremadamente
estables
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Apariencia mate y una estructura de granos
grandes Apariencia especular y una estructura
de granos pequeños
CuInSe2 ricas en Cu (CuIngt1) (controla la
estructura) CuInSe2 deficientes en Cu (CuInlt1)
(controla la composición final)
Estructuras del tipo Vidrio/Mo/CIS/CdS/ZnO
? Pueden hacerse dispositivos de CIS utilizando
depósitos en dos etapas de películas de CIS, con
una variación grande en la composición promedio
Cu/In ? 1 Para mejorar la eficiencia ? Reducir
el espesor de la capa de CdS a 0.05?m y agregar
una capa de ZnO ? Substitución parcial de In por
Ga ó S por Se Eg mas altas dan un mejor
emparejamiento al espectro solar ? Incorporación
de Na en la película de CuInSe2
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CuInSe
Nucleation layer of CuInSe2 grown by LPE on a
CuInSe2 substrate