Investigación Nacional de Altas Tecnologías a Nivel Semiindustrial de Celdas Solares Híbridas Inorgánico-Orgánicas: Investigación Aplicada y Prototipos de Concepto

Ismael Cosme Bolaños (1,2), Andrey Kosarev (1), Svetlana Mansurova (1).
(1) Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica (INAOE), Puebla, México,
Ismaelcb@inaoep.mx, akosarev@inaoep.mx, smansur@inaoep.mx
(2) Cátedratico CONACyT-INAOE, México

InTech México Automatización,
Edición Marzo – Mayo 2017.

RESUMEN

El inventario nacional de energías renovables del 2014 muestra el gran potencial que tiene la energía solar como una fuente alternativa de energía renovable en México. La producción posible de energía solar en nuestro país es de 6’500,000 GWH en comparación con la producción posible de energía geotérmica de 78,799 GWH. En contraste, la energía solar sólo contaba hasta el 2012 con una participación en la capacidad instalada del 0.01 %. En este artículo se presenta una nueva tecnología híbrida orgánica-inorgánica de celdas solares de tercera generación y su proceso de fabricación en una instalación automatizada semiindustrial. Se presentan los avances obtenidos en este tipo de dispositivos y las potenciales ventajas de esta tecnología para la industria. Entre estas ventajas, se encuentran mejores parámetros de desempeño y la reducción de etapas complejas de fabricación a alta temperatura y alto vacío. Finalmente, se muestran las capacidades de esta tecnología para la fabricación de prototipos como son los dispositivos flexibles y/o la electrónica transparente.

PALABRAS CLAVES: Energías renovable, Celdas solares, Semiconductores.

INTRODUCCIÓN

Recientemente, los materiales semiconductores orgánicos basados en polímeros han atraído la atención de científicos e industriales debido a sus propiedades únicas y a sus procesos de fabricación. En comparación con los procesos de fabricación de materiales semiconductores inorgánicos, los polímeros pueden ser procesados como soluciones a temperatura ambiente y a presión atmosférica, permitiendo nuevos enfoques para fabricar celdas solares aumentando su costo-beneficio. Por otro lado, la tecnología de materiales inorgánicos, principalmente silicio, son una tecnología madura y altamente desarrollada en la industria, la cual ha sido empleada ampliamente en diversos dispositivos opto-electrónicos comerciales, incluyendo celdas solares alcanzando eficiencias desde el 13 % hasta 25 %.

Bajo esta premisa, el Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica (INAOE) en colaboración con la Secretaria Nacional de Energía (SENER) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT), han iniciado la investigación de tecnologías de fabricación de materiales y dispositivos fotovoltaicos orgánicos, inorgánicos e híbridos orgánicos – inorgánicos.

PROCESOS DE FABRICACIÓN

MATERIALES INORGÁNICOS DEPOSITADOS POR PLASMA

El depósito por vapor químico asistido por plasma o PECVD, por sus siglas inglés, es una técnica de fabricación omnipresente en la electrónica actual. Está técnica permite sintetizar materiales semiconductores inorgánicos como silicio hidrogenado (Si:H), germanio (Ge:H), y sus aleaciones. El depósito se realiza a través de fuentes gaseosas en un ambiente de alto vacío; los gases son ionizados a partir de un campo eléctrico para crear radicales que se depositan sobre un substrato con temperatura específica (100 ºC < T < 300 ºC). Las propiedades optoelectrónicas de estos materiales pueden ser ajustadas en un amplio rango a través del control de parámetros de fabricación como la temperatura, la presión, la potencia eléctrica, la frecuencia, entre otros.

Como parte de la investigación realizada en el INAOE, se ha puesto en marcha una instalación PECVD tipo “cluster” semiindustrial (ver figuras 1, 2 y 3}) para el desarrollo de tecnología fotovoltaica. Esta instalación permite tanto el desarrollo de materiales semiconductores inorgánicos como la fabricación en línea de celdas solares inorgánicas a nivel semiindustrial. La cual consiste en una cámara de carga/descarga con porta substrato de dimensiones 10×10 cm2.

Figura 1: Línea de fabricación semi-industrial de celdas solares en base de película delgada PECVD tipo “cluster”.
Figura 2: Módulo PCVD para el desarrollo de materiales avanzados nano estructurados.
Figura 3: Esquema de un sistema de ventanas para mediciones ópticas, monitoreo y control de proceso de depósito.

La cámara de transporte es usada para aislar las cámaras de procesos evitando la contaminación cruzada y para trasladar la muestra a través de la línea de fabricación por medio de un brazo robótico.

La línea de fabricación consiste en una cámara de depósito por “sputtering” para la síntesis de electrodos y tres cámaras de proceso de PECVD para el depósito de la película intrínseca y dopadas tipo n y tipo p.

MATERIALES ORGÁNICOS

Los materiales orgánicos basados en polímeros semiconductores han sido el foco de atención durante la última década. Los materiales más estudiados como la heterounión P3HT:PCBM y el polímero conductor PEDOT:PSS han sido empleados en nuevos conceptos de celdas solares orgánicas. Una de las principales ventajas de los polímeros semiconductores son sus procesos de fabricación, los cuales no requieren de altas temperaturas o sistemas complejos de alto vacío. Además, su solubilidad en agua permite depositar estos materiales a través de técnicas como impresión de tinta, spin-coating, serigrafía rotativa, etc.

Las propiedades de los materiales dependen de los parámetros de fabricación y de la preparación de la muestra como las concentraciones, los solventes usados y los tratamientos térmicos, entre otros. La principal desventaja de esta tecnología es que actualmente existen algunas limitantes con las propiedades electrónicas referentes al transporte de carga. Estas limitantes no han sido resueltas del todo, manteniendo la eficiencia de dispositivos fotovoltaicos basados en esta tecnología por debajo de los dispositivos fotovoltaicos fabricados con materiales inorgánicos.

CONCEPTO DE DISPOSITIVOS HÍBRIDOS ORGÁNICOS-INORGÁNICOS

El concepto de un dispositivo híbrido orgánico-inorgánico (DHOI) ha sido desarrollado tomando en cuenta los siguientes aspectos: 1) compatibilidad entre técnicas de fabricación de los materiales inorgánicos, orgánicos y los electrodos, 2) que las propiedades de los materiales de ambas tecnologías se complementen resultando en una mejora del funcionamiento del dispositivo híbrido y 3) ventajas en la simplificación de los procesos de fabricación.

En la figura 4 se muestra un esquema del prototipo de dispositivo híbrido fabricado en el INAOE. Esta estructura se encuentra basada en la configuración tradicional de los dispositivos puramente inorgánicos de película delgada de silicio amorfo conocida como p-i-n. La estructura está formada principalmente por un material fotoactivo intrínseco (no dopado) encargado de generar la foto carga al ser iluminado. Las películas dopadas tipo p y n, las cuales tienen un exceso de portadores de carga opuestos, generan el campo eléctrico encargado de separar y transportar la carga generada por el material intrínseco.

Figura 4: Estructura híbrida sustrato/ITO/ PEDOT:PSS/ (i) a-Si:H/ (n) a-Si:H p-i-n

Finalmente, los contactos y electrodos son encargados de recolectar esa carga generada. En estructuras inorgánicas, cada película requiere de una cámara de alto vacío y un proceso de alta temperatura. En el prototipo híbrido investigado en el INAOE, la película inorgánica tipo p es sustituida por una película conductora orgánica de PEDOT:PSS la cual puede ser depositada por procesos a temperatura ambiente y presión atmosférica.

La investigación de esta estructura híbrida ha demostrado que la interface silicio-PEDOT:PSS se comporta como una interfaz ideal por el alineamiento de bandas, esto se ha visto reflejado en una mayor recolección de carga y por lo tanto mayor corriente (18.42 mA/cm2) [1] comparada con estructuras inorgánicas puras (13.25 mA/cm2). Estos desarrollos alcanzados son transferibles a la industria a través de la instalación semiindustrial. Este enfoque de estructuras además es compatible con aplicaciones en dispositivos de gran área, semitransparente y flexible.

El desarrollo de estructuras sobre substratos flexibles conlleva sus propios retos; sin embargo, se ha demostrado prototipos funcionales con características aceptables pero que deben ser optimizadas (figuras 5 y 6).

Figura 5. Corriente voltaje y valores de Voc, Jsc, FF y conversión de energía de las primeras estructuras fotovoltaicas híbridas fabricadas en el INAOE H1) ITO/(p) a-Si:H/P3HT:PCBM/ (n) a-Si:H, H2) ITO/ PEDOT:PSS/ (i) a-Si:H/ (n) a-Si:H, H3) ITO/ PEDOT:PSS/ P3HT:PCBM/ (i) a-Si:H/ (n) a-Si:H
Figura 6. Primer reporte de una estructura híbrida basada en silicio amorfo y PEDOT:PSS fabricada en el INAOE, 2015 sobre substratos flexibles

CONCLUSIONES

El uso de materiales orgánicos tiene la principal ventaja de reducir etapas de fabricación de alta temperatura y alto vacío, esto se traduce en una reducción de energía total empleada para su fabricación. El uso de materiales inorgánicos permite mantener los parámetros de rendimiento por encima de dispositivos puramente inorgánicos. Además, la combinación de ambos materiales tiene ventajas adicionales relacionadas a la interfaz orgánico-inorgánico. La investigación nacional de nuevas tecnologías en aprovechamiento de energías renovables es fundamental en nuestros días, principalmente, para romper con factores que lleven a crisis energéticas como dependencias tecnológicas y/o dependencia a fuentes no renovables de energía.

GLOSARIO

CONACyT: Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología
Ge:H: Germanio hidrogenado
GWH: Giga Watt por hora (unidad de consumo de energía)
INAOE: Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica
ITO: Óxido de indio y estaño.
P3HT: Polímero semiconductor Poli(3-hexiltiofeno-2,5-diil).
PCBM: Polímero semiconductor [6,6]fenil-C61-ácido butírico metil ester.
PECVD: Depósito por vapor químico asistido por plasma.
PEDOT:PSS: Polímero conductor Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli(estireno sulfonato).
SENER: Secretaria Nacional de Energía.
Si:H: Silicio hidrogenado.
Spin-coating: Depósito por recubrimiento mediante giro.
Sputtering: Depósito por pulverización asistida por bombardeo iónico (Plasma).

REFERENCIAS

[1] I. Cosme, A. Kosarev, S. Mansurova, A. J. Olivares, H. E. Martinez, A. Itzmoyotl “Hybrid photovoltaic structures based on amorphous silicon and P3HT:PCBM/PEDOT:PSS polymer semiconductors” Organic Electronics, 38, 271 – 277, (2016).

ACERCA DEL AUTOR

Dr. Ismael Cosme Bolaños. Catedrático CONACyT – INAOE. En México ha participado en proyectos asociados al Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), Puebla 2013, en el proyecto de Investigación: “Celdas solares fotovoltaicas basados en películas Ge(x)Si(1-x):H depositadas por plasma” en colaboración con el CONACyT y la Secretaría de Energía. En 2014 en L’Ecole Polytechnique en Francia participó en el laboratorio de física de interfaces (LPICM) asociado al centro nacional de investigación científica (CNRS). Durante esta etapa colaboró en proyectos como Photonvoltaics-internacional, SMASH-internacional, IMPETUS-Francia y NATHISOL-Francia, enfocados en la investigación nuevos materiales ultra-delgados basados en silicio cristalino (c-Si) con aplicación en celdas solares. Actualmente se encuentra desarrollando el proyecto de cátedras CONACyT: “Investigación y desarrollo de dispositivos fotovoltaicos a base de materiales nano-estructurados orgánicos e híbridos”.

 

Dr. Andrey Kosarev. Líder de grupo en INAOE, con una amplia experiencia en líneas de investigación como Dispositivos (fotovoltaicos, micro-bolómetros, sensores de radiación etc.)  en base de películas delgadas por medio de plasma, Materiales artificiales avanzados para optoelectrónica (nanoestructuradas, poly- micro- nano-cristalinos, no cristalinos, con gradientes de propiedades, multi-capas. Desde su llegada a México ha sido responsable técnico de proyectos nacionales e internacionales como: Proyecto # 42367, CONACyT, international program: “Cooperation Multilateral en Investigación en Ciencia de materiales-2002”, joint research with Lawrence Livermore National Laboratory, USA “Thin film nano-materials based on silicon and germanium: fabrication, characterization and applications”,  INAOE+CINVESTAV “Investigación de aleaciones semiconductores silicio germanio obtenidas por plasma y nuevas estructuras para micro-bolómetros no enfriadas con implementación y desarrollo de métodos analíticos avanzados basados en SIMS” Proyecto CONACYT-SENER-“Celdas solares fotovoltáicos basados en películas Ge(x)Si(1-x):H depositadas por plasma sobre sustratos de plástico”.

Dra. Svetlana Mansurova. Investigadora titular en INAOE, con líneas de investigación  en desarrollo de semiconductores orgánicos y dispositivos basados en materiales orgánicos (celdas solares, diodos emisores de luz, etc.). Tiene amplia experiencia en caracterización avanzada de materiales y dispositivos (características de rendimiento y de diagnostico). Ha sido responsable técnico del proyectos CONACyT “Investigación de procesos de holografía dinámica en polímeros foto refractivos” y  “Investigación de procesos de generación y transporte de carga en celdas solares de heterounión de volumen”.

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