Centro de Investigación en EnergiaCentro de Investigación en EnergiaUniversidad Nacional Autónoma de México

Celdas Solares basadas en Cobre Indio Selenio (CIS)

Dr. Aarón Sánchez Juárez

En los últimos años, la tecnología de celdas solares de película delgada se ha desarrollado como una medida substancial para reducir los costos de los sistemas fotovoltaicos. Por lo que, se espera que los módulos de películas delgadas sean mas baratos en su manufactura debido a la reducción de costos del material, costos de energía, costos de manejo y costos de capital. Sin embargo, las películas delgadas han tenido que ser desarrolladas usando nuevos materiales semiconductores, incluyendo silicio amorfo, CuInSe2, y CdTe.

Celdas de CuInSe2

CuInSeCuInSe22

Cobre Indio Selenio (CuInSe2, o CIS)

Es un material policristalino de película delgada, el cual ha alcanzado una eficiencia de 17.7 %, en 1996, y con un modulo prototipo se ha alcanzado 10.2 %.

Celdas de CuInSeCeldas de CuInSe22

Las celdas de CuInSe2 (CIS) absorben el 99% de la luz en el primer mm de material. La estructura de estas celdas consiste generalmente en un conductor transparente, luego de una película antireflectora seguida del semiconductor tipo n, generalmente. Esta película n, del orden de 0.05 a 0.1 mm actúa como una ventana. Esta ventana debe ser suficientemente delgada, tener un ancho de banda superior a 2.8 eV o mayor y tener una absortividad tan baja que permita que la luz pase a través de la juntura de la película absorbedora. Esta película tipo p tiene generalmente 2 mm de espesor, una alta absortividad y un ancho de banda apropiado para tener un Voc elevado.

Celdas de CuInSeCeldas de CuInSe22

Estructura de una celda solar de CuInSe2

Técnicas de fabricaciónTécnicas de fabricación

Para la fabricación de la película n de CdS se emplea evaporación. Para la deposición de CIS se emplea evaporación, pulverización iónica, spray pirólisis (aspersión pirolítica) y electro-deposición. En la evaporación, los tres elementos Cobre, Indio y Selenio (Coevaporacion) se calientan a altas temperaturas hasta que éstos elementos se evaporan y condensan sobre el sustrato formando la capa CIS.

Aspersión pirolíticaAspersión pirolítica

En el método de aspersión pirolítica, las sales conteniendo Cu, In y Se se esparcen por aerosol sobre el sustrato caliente. Cuando el solvente evapora, deja la película de CIS. En la electro-deposición, los iones de los elementos requeridos son depositados sobre un sustrato que actúa como electrodo.

La técnica de evaporación

Electrodepósito

Eficiencias de conversión, altas

Difícil escalamiento a nivel industrial

Equipo muy costoso

Técnica muy sencilla

Relativamente barata

Escalamiento a nivel industrial puede

llevarse a cabo sin ningún problema.

Brechas de bandaBrechas de banda

La brecha de banda de CIS puede ser incrementada aplicando Galio (creando un compuesto llamado CIGS), el cual resulta de absorción mas eficiente.

Las brechas de banda de los semiconductores mas comunes utilizados en dispositivos fotovoltáicos a temperatura ambiente son:

Material Si GaAs CdTe CIS

Bandgap 1,1 eV 1,4 eV 1,5 eV 1,0 eV

Semiconductores ternarios

CuInS2, CuInSe2 y CuInTe

Sus anchos de banda tienen valores satisfactorios para dispositivos de homounión y heterounión;

Sus transiciones de banda son directas, minimizan los requerimientos de longitudes de difusión para portadores minoritarios y espesores de capa-absorbedora;

Pueden producirse materiales tipo n ó p

El emparejamiento de red y la afinidad electrónica son adecuados para materiales ventana comunes tipo n

Los coeficientes de absorción óptica son altos, CuInSe2 (1-5x105 cm-2)

Las propiedades electro-ópticas son extremadamente estables

CuInSe2 ricas en Cu (Cu:In>1) (controla la estructura)

CuInSe2 deficientes en Cu (Cu:In<1) (controla la composición final)

Apariencia mate y una estructura de granos grandes

Apariencia especular y una estructura de granos pequeños

Pueden hacerse dispositivos de CIS utilizando depósitos en dos etapas de películas de CIS, con una variación grande en la composición promedio Cu/In 1

Para mejorar la eficiencia

Reducir el espesor de la capa de CdS a 0.05m y agregar una capa de ZnO

Substitución parcial de In por Ga ó S por Se; Eg mas altas dan un mejor emparejamiento al espectro solar

Incorporación de Na en la película de CuInSe2

Estructuras del tipo Vidrio/Mo/CIS/CdS/ZnO

CuInSeCuInSe

Nucleation layer of CuInSe2 grown by LPE on a CuInSe2 substrate