Nitruro de indio-aluminio (InAlN): las celdas solares del futuro

Por Luis Fernando Mulcué Nieto y Wilmer Saldarriaga Agudelo

La aleación ternaria semiconductora de nitruro de indio y aluminio (InxAl1-xN) despierta
cada vez mayor interés en la industria, debido a sus potenciales aplicaciones en dispositivos
optoelectrónicos y fotovoltaicos. Debido a esto, en la última década han aumentado las
investigaciones de este interesante material, especialmente para su empleo en futuras
aplicaciones en celdas solares. En este libro presentamos las propiedades químicas, físicas,
estructurales, morfológicas, ópticas y eléctricas de este semiconductor. El principal aporte
es usar diversas estrategias para obtenerlo a un costo menor respecto a los métodos
epitaxiales usados en celdas solares multiunión con eficiencia récord mundial. Para esto se
obtuvo el material tanto por magnetrón sputtering Radio Frequency como por sputtering
Direct Current; mediante el uso de un único blanco de InAl y a temperatura ambiente.
Asimismo, se sintetizaron películas amorfas, policristalinas y altamente cristalinas, lo cual
permite alto grado de versatilidad en la metodología propuesta.

• Idioma: Español
• Editorial: Universidad Nacional de Colombia
• Fecha de lanzamiento: 12 feb 2024
• ISBN: 9789585052161

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Luis Fernando Mulcué Nieto y Wilmer Saldarriaga Agudelo – Nitruro de indio-aluminio (InAlN): las celdas solares del futuro – Universidad Nacional de ColombiaNitruro de indio-aluminio (InAlN): las celdas solares del futuroNitruro de indio-aluminio (InAlN): las celdas solares del futuroNitruro de indio-aluminio (InAlN): las celdas solares del futuro

©Universidad Nacional de Colombia

©Editorial Universidad Nacional de Colombia

©Luis Fernando Mulcué Nieto y Wilmer Saldarriaga Agudelo

Editorial Universidad Nacional de Colombia

Leonardo Alberto Amaya Calderón

Director

Comité editorial

Leonardo Alberto Amaya Calderón

Ana Patricia Noguera de Echeverry

Fabio Andrés Pavas Martínez

Veronique Claudine Bellanger

Fredy Fernando Chaparro Sanabria

Jairo Iván Peña Ayazo

Pedro Nel Benjumea Hernández

Primera edición, 2023

ISBN 978-958-505-216-1 (ePub)

Edición

Editorial Universidad Nacional de Colombia

[e-mail]

www.editorial.unal.edu.co

Colección Techné

Diseño de la colección: Andrea Kratzer, Juan Carlos Villamil, Henry Ramírez Fajardo

Coordinación editorial: Laura Camila Acosta Uzeta

Diagramación: Francisco Jiménez Montero

Corrección de estilo: Anyeli Rivera

Bogotá, D. C., Colombia, 2023

Prohibida la reproducción total o parcial por cualquier medio sin la autorización escrita del titular de los derechos patrimoniales.

Catalogación en la publicación Universidad Nacional de Colombia

Mulcué Nieto, Luis Fernando, 1983-

Nitruro de indio-aluminio (InAlN) : las celdas solares del futuro / Luis Fernando Mulcué Nieto, Wilmer Saldarriaga Agudelo. -- Primera edición. -- Bogotá : Universidad Nacional de Colombia. Editorial Universidad Nacional de Colombia, 2023

1 CD-ROM (108 páginas) : ilustraciones (principalmente a color), diagramas, imágenes. -- (Colección Techné)

Incluye referencias bibliográficas e índice temático

ISBN 978-958-505-216-1 (ePub)

1. Celda solar 2. Energía solar -- Investigaciones 3. Células fotovoltaicas 4. Células solares 5. Recursos energéticos renovables 6. Aleaciones resistentes al calor 7. Semiconductores 8. Nitruro de indio -- Aleaciones 9. Nitruro de aluminio -- Aleaciones I. Saldarriaga Agudelo, Wilmer de Jesús, 1974- II. Título III. Serie

CDD-23621.47 / 2023

Diseño epub:

Hipertexto – Netizen Digital Solutions

Contenido

Introducción

Capítulo 1 Estado del arte

Propiedades ópticas de InAlN

Propiedades eléctricas del InAlN

Propiedades estructurales y morfológicas del InAlN

Condiciones de obtención de InAlN mediante técnicas epitaxiales

Condiciones de obtención de InAlN mediante magnetrón sputtering RF

Capítulo 2 Experimental

Técnica de magnetrón sputtering

Diseño experimental

Capítulo 3 Estudio de las propiedades del InAlN en función de la fracción molar de indio

Introducción

Metodología

Resultados y discusión

Conclusiones

Capítulo 4 Estudio de las propiedades del InAlN en función del espesor

Introducción

Metodología

Resultados y discusión

Conclusiones

Capítulo 5 Estudio de las propiedades del InAlN en función del tipo de sustrato

Introducción

Metodología

Resultados y discusión

Conclusiones

Capítulo 6 Construcción de un dispositivo de celda solar heterounión InAl-n/Si-p

Introducción

Condiciones de depósito

Caracterización química

Caracterización eléctrica

Diseño del contacto eléctrico posterior

Diseño del contacto eléctrico frontal

Construcción de la celda solar heterounión InAl-Si

Conclusión

Capítulo 7 Conclusiones y recomendaciones

Referencias

Índice temático

Lista de figuras

Figura 1. Esquema de una celda fotovoltaica convencional

Figura 2. Esquema del sistema de depósito de películas magnetrón sputtering RF

Figura 3. Principio físico por medio del cual se forman las películas de InAlN

Figura 4. Espectro survey XPS para las capas de In x Al 1-x N depositadas sobre sustrato de vidrio para diferentes fracciones molares de indio x

Figura 5. Espectro XPS de alta resolución para la muestra de In 0.59 Al 0.41 N

Figura 6. Patrones de difracción de las películas de In x Al 1-x N depositadas sobre vidrio, en función de la concentración de In

Figura 7. Microscopía de fuerza atómica ( AFM )

Figura 8. Variación de la rugosidad superficial del InAlN en función de la composición de indio

Figura 9. Imágenes SEM que muestran la morfología superficial de las capas de In x Al 1-x N, en función de la concentración de In

Figura 10. Imágenes de sección transversal de las películas de In x Al 1-x N

Figura 11. Gráficas de transmitancia de capas de In x Al 1-x N para diferentes composiciones de In

Figura 12. Coeficientes de absorción de materiales típicos usados en celdas solares en comparación con el obtenido en este trabajo para el sistema In x Al 1-x N

Figura 13. Gráficos de Tauc para las películas de In x Al 1-x N con diferentes x

Figura 14. Gráfico de Eg vs. la fracción molar de indio en las capas obtenidas de In x Al 1-x N

Figura 15. Densidad de portadores en función de la fracción molar de In

Figura 16. Resistividad en función de la fracción molar de In

Figura 17. Movilidad electrónica en función de la fracción molar de In

Figura 18. Medición del espesor para la película de In x Al 1-x N de 235 nm

Figura 19. Características microestructurales de las películas de In x Al 1-x N

Figura 20. Variación de la rugosidad superficial del InAlN en función del espesor

Figura 21. Medición del tamaño de grano de las capas de InAlN mediante imágenes AFM en 2D

Figura 22. Variación del tamaño de grano del InAlN en función del espesor

Figura 23. Imágenes SEM que muestran la morfología superficial de las capas de In x Al 1-x N, en función del espesor

Figura 24. Patrones de difracción de las películas de In x Al 1-x N depositadas sobre vidrio en función del espesor

Figura 25. Cambios en parámetros estructurales de las películas de In x Al 1-x N depositadas sobre vidrio en función del espesor

Figura 26. Gráficas de transmitancia de capas de In x Al 1-x N para diferentes espesores de In.

Figura 27. Coeficientes de absorción obtenidos para el sistema In x Al 1-x N

Figura 28. Gráficos de Tauc para las películas de In x Al 1-x N con diferentes espesores

Figura 29. Gráfico de Eg vs. el espesor para las capas obtenidas de In x Al 1-x N

Figura 30. Densidad de portadores en función del espesor

Figura 31. Resistividad en función del espesor

Figura 32. Movilidad electrónica en función del espesor

Figura 33. Subsistemas construidos para estudiar las propiedades de las películas de In x Al 1-x N al variar el sustrato

Figura 34. Medición del espesor para la película de InxAl1-xN sobre diferentes sustratos

Figura 35. Características microestructurales de las películas de In x Al 1-x N

Figura 36. Variación de la rugosidad superficial del InAlN sobre diferentes sustratos

Figura 37. Apreciación cualitativa del tamaño de grano de las capas de InAlN sobre diferentes sustratos

Figura 38. Variación del tamaño de grano del InAlN sobre diferentes sustratos

Figura 39. Imágenes SEM que muestran la morfología superficial de las capas de In x Al 1-x N depositadas sobre diferentes sustratos

Figura 40. Patrones de difracción de las películas de In x Al 1-x N depositadas sobre diferentes sustratos

Figura 41. Cambios en parámetros estructurales de las películas de In x Al 1-x N depositadas sobre diferentes sustratos

Figura 42. Densidad de portadores en InAlN crecido sobre cada sustrato

Figura 43. Resistividad eléctrica según el sustrato

Figura 44. Movilidad electrónica para en InAlN crecido sobre cada sustrato

Figura 45. Espectro obtenido, en función de la energía de enlace.

Figura 46. Curvas corriente-voltaje, obtenidas para verificar contacto óhmico entre los contactos y la muestra

Figura 47. Imágenes SEM de las muestras analizadas

Figura 48. Dispositivo fotovoltaico construido

Figura 49. Curva característica I-V obtenida para el dispositivo fotovoltaico

Agradecimientos

Este libro es resultado de mi tesis doctoral, por lo cual quiero expresar mis agradecimientos