Silicio policristalino para dispositivos fotovoltaicos

Abstract

En esta tesis se exponen los resultados obtenidos al investigar la cristalización de películas de silicio amorfo hidrogenado para obtener películas policristalinas adecuadas para dispositivos fotovoltaicos. Se estudiaron diversos aspectos de la cristalización en fase sólida (SPC) e inducida por níquel (NIC) de películas intrínsecas y dopadas, depositadas por deposición química desde fase vapor asistida por plasma, para lograr una buena calidad cristalina y un tamaño de grano grande. Se encontró que la presencia de hidrógeno durante el proceso SPC afecta al tamaño de grano, resultando tamaños menores al micrón. Por otra parte, mediante el método NIC se obtuvieron películas intrínsecas con tamaños mayores a 100 micrones. Bajos niveles de dopaje con boro (p–) no afectan la cristalización ni el tamaño de grano, mientras que altos niveles de boro (p+) o fósforo (n+) inciden considerablemente. Con estructuras mixtas dopadas p+/p–, también se obtuvieron grandes tamaños de grano. Éstas pueden actuar como semillas, induciendo la cristalización epitaxial de películas amorfas depositadas sobre ellas. Así, se podrían obtener celdas solares policristalinas completas con gran tamaño de grano. Se demostró que el vacío durante el proceso NIC afecta apreciablemente la etapa de nucleación y reduce el tiempo necesario para alcanzar la cristalización completa. Sin embargo, se reduce también el tamaño de grano pero, de todas maneras, es relativamente grande (30 micrones) y aprovechable para aplicaciones fotovoltaicas. Se realizaron simulaciones simples para caracterizar el proceso NIC desde el punto de vista de la teoría clásica de cristalización mediante nucleación y crecimiento.

This thesis exposes the results obtained during a research on crystallization of hydrogenated amorphous silicon thin films for obtaining polycrystalline films suitable for photovoltaic devices. Several aspects of the solid phase crystallization (SPC) and nickel induced crystallization (NIC) of intrinsic and doped films, deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition, were addressed in order to improve the crystalline quality and the grain size of the resulting material. The presence of hydrogen during SPC was found to considerably affect the grain size, giving sizes below 1 micron. In counterpart, intrinsic polycrystalline films with grain sizes above 100 microns were obtained with the NIC method. Slight boron (p–) doping levels neither affect the crystallization process nor the final grain size of the films, while high boron (p+) or phosphorous (n+) doping levels are detrimental for the resulting material. Starting from a stacked p+/p– doped structure, large-grained polycrystalline layers were also obtained. These films can act as seed layers, inducing epitaxial crystallization of amorphous films deposited on top. In this way, complete polycrystalline solar cells with large grains could be obtained. It was demonstrated that vacuum conditions during NIC strongly influence the nucleation stage, and reduce the required time to achieve full crystallization. However, a smaller final grain size is obtained but, anyway, it is still relatively large (30 microns) and suitable for photovoltaic applications. Simple computer simulations were performed to characterize the NIC process, from the viewpoint of classical theory of crystallization involving nucleation and growth phenomena.