Tratamiento de óxidos conductores transparentes por procesos láser para el desarrollo de células fotovoltaicas de silicio

Abstract

El objetivo de este trabajo es el estudio de la interacción entre pulsos laser de 355 nm, 532 nm y 1064 nm de longitud de onda y nanosegundos de duración con láminas delgadas de tres óxidos conductores transparentes distintos: óxido de indio dopado con estaño (ITO), óxido de zinc dopado con aluminio (AZO), y óxido de estaño dopado con flúor (FTO). Para ello se comienza por el estudio de la relación entre los efectos generados sobre la superficie de las láminas por un único pulso laser y la energía de dicho pulso. Los diferentes cráteres obtenidos se han clasificado por su morfología y, mediante cálculos de la temperatura alcanzada por el material durante la irradiación láser, se concluye que el mecanismo absorción de energía y traspaso de la misma a la red cristalina del material es el mismo en todos los casos. La diferencia observada entre las profundidades de los de cráteres obtenidos experimentalmente y las estimadas mediante cálculos se ha asociado al apantallamiento de la luz incidente por especies expulsadas desde la superficie. Posteriormente se muestra el estudio de los efectos producidos con varios pulsos laser consecutivos, tanto al irradiar un mismo punto de la lámina como durante el proceso de desplazar el haz láser a una velocidad constante. Al igual al utilizar un único pulso, para que comience la ablación del material es necesario superar una fluencia mínima. Una vez que la ablación ha comenzado la profundidad del cráter obtenido sólo depende de un coeficiente de absorción efectivo, siendo el ritmo de ablación por pulso constante. Estas observaciones han permitido obtener una expresión para la profundidad de un surco obtenido durante un proceso de pulsos solapados. Dicha expresión se ha comprobado experimentalmente en los tres materiales con muy buenos resultados. Se incluye aquí un estudio en FTO de surcos P1 para la unión en serie de células en un módulo fotovoltaico de lámina delgada. Se han utilizado pulsos de 355 nm, 532 nm y1064 nm y dos geometrías de irradiación distintas (irradiando directamente la lámina o haciéndolo a través del substrato de vidrio) obteniéndose, para los seis casos, surcos con buenas propiedades morfológicas y eléctricas. Con los surcos con mejor eficiencia de proceso (355 nm irradiando a través del substrato) se ha fabricado un minimódulo fotovoltaicos que muestra ligeras mejoras frente a un minimódulo fabricado con los procesos P1 estándar. Finalmente se muestra el estudio del texturado de láminas de AZO mediante procesos láser de 355 nm de longitud de onda. Láminas texturadas con dos patrones distintos, uno lineal y otro cuadrado, tienen de dispersión medios en el intervalo entre 350 y 600 nm del 24 % y el 34 %, respectivamente. Se ha observado la existencia de al menos dos fuentes de dispersión de luz distintas: la producida por la rugosidad aleatoria superficial y la difracción generada por los surcos láser. Esto produce que la rugosidad rms, que en el caso de superficies con un texturado aleatorio está directamente relacionada con el factor de dispersión, no sea una fuente de información valiosa a la hora de trabajar con superficies con una textura ordenada. Se ha utilizado una serie de láminas, texturadas con diferentes parámetros, como contacto frontal para fabricar células de lámina delgada de silicio amorfo. Las células obtenidas muestran una disminución de la reflectividad de hasta el 21 % en el intervalo desde 350 hasta 600 nm, y un aumento de la corriente de cortocircuito Para comprender esa mejora en el comportamiento de las células se han realizado simulaciones de la dispersión generada en las superficies. Los valores obtenidos del factor de dispersión de las muestras se ajustan muy bien a los valores experimentales, y las simulaciones muestran que en la región más cercana a la superficie la dispersión de luz producida por una superficie ordenada y la generada en una superficie con un texturado aleatorio son muy similares.