Nitride semiconductors as carrier-selective contacts for silicon heterojunction solar cells

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: FÉBBA, Davi Marcelo
• Orientador(a): BORTONI, Edson da Costa
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Itajubá
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Elétrica
• Departamento: IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: ZnSnN2; ZnGeN2; MgSnN2; Contato seletivo; Heterojunção de silício; Nitretos; Células solares; Estrutura de banda; Meta-heurísticas; Extração de parâmetros; Evolução diferencial
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELÉTRICA::SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA
• Link de acesso: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/2770

Este trabalho apresenta a caracterização elétrica de camadas de ZnSnxGe1-xN2 (ZTGN) (10% < x < 90%) depositadas em substrato de vidro por sputtering combinatório e avalia o desempenho de células solares de heterojunção de silício (SHJ) que apresentam essas camadas como contatos elétron-seletivos. Bandgap, condutividade e energia de ati vação variaram significantemente entre amostras ricas em Sn e Ge. Quando tais camadas foram aplicadas como contatos elétron-seletivos em células solares, os dispositivos apre sentaram baixo desempenho, com resultados surpreendentemente semelhantes apesar de mudanças nas propriedades do material. A partir de análises e modelagem das caracterís ticas corrente-tensão de várias estruturas de células solares, com auxílio de um algoritmo de Evolução Diferencial auto adaptativo, mostramos que a função trabalho do contato elétron-seletivo está em torno de 4.35 eV para todas as composições investigadas de Sn e Ge, o que é muito alto para formar um excelente contato. Através da comparação de diferentes arquiteturas de células solares, identificamos ainda que camadas ricas em Ge impõem uma barreira adicional à extração de elétrons, independentemente de sua baixa seletividade, devido a baixos valores de condutividade. Após a identificação desses mecan ismos de perdas, MgSnN2 (MTN) foi considerado como um bom candidato, já que apre senta bandgap adequado e alta concentração de elétrons para uma composição de 50% Mg/(Mg+Sn) (at.%). Desse modo, fabricamos camadas de MTN através de sputtering combinatório, sem aquecimento do substrato e à 200 °C, obtendo amostras de MgxSn1-xN2 (43% < x < 55%), com bandgap em torno de 2 eV, exibindo condutividade e energia de ativação que decrescem em amostras ricas em Mg. Características JV similares àque las observadas para ZTGN foram obtidas quando MTN foi empregado como camada elétron-seletiva, mas com desempenho ligeiramente superior. As propriedades limitantes foram as mesmas, com função trabalho estimada em 4.16 eV, aumentando para 4.3 eV para amostras fabricadas à 200 °C. Amostras ricas em Sn exibiram ainda alta afinidade eletrônica e aquelas ricas em Mg resultaram em curvas com severo perfil em “s” devido à baixa dopagem, como foi o caso de amostras de ZTGN ricas em Ge. Portanto, a dopagem desses materiais com elementos extrínsecos aparenta ser a abordagem mais relevante para a construção de dispositivos eficientes com contatos formados com camadas de ZTGN ou MTN.