Fabricação e caracterização de células solares baseadas em ligas de GaxSe1-x

• Main Author: Hoff, Anderson
• Other Authors: Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Exatas. Programa de Pós-Graduaçao em Física
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: 2018
• Subjects: Física
• Online Access: http://hdl.handle.net/1884/53388

Orientador: Prof. Dr. Ivo A. Hümmelgen === Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Curso de Pós-Graduação em Física. Defesa: Curitiba, 18/12/2017 === Inclui referências : f. 102-110 === Resumo: A demanda por fontes de energia limpa e eficiente impulsiona a pesquisa por novos materiais e estruturas para aplicações em células solares. Neste sentido, o presente trabalho consistiu em desenvolver diferentes estruturas utilizando filmes finos de selênio (Se) e ligas de seleneto de gálio (GaSe9 e Ga2Se8), produzidas por moagem mecânica, como camada ativa em células solares. Os filmes foram obtidos através de evaporação física dos elementos sob alto vácuo. Filmes de óxidos transparentes como óxido de césio (Cs2O) ou de zinco (ZnO) foram adicionados para aumentar a eficiência de conversão de energia nos dispositivos. Diferentes técnicas de caracterização foram utilizadas para comparar os filmes e as células solares construídas. Para a caracterização das propriedades dos filmes foram realizadas medidas de absorção UV-vis, voltametria cíclica, difração de raios X (XRD) e microscopia eletrônica de varredura (SEM) e de força atômica (AFM). A partir das medidas de absorção UV-vis obteve-se o coeficiente de absorção, enquanto que das medidas de voltametria cíclica foi possível estimar os valores de banda de valência dos filmes. Com isso, diagramas de níveis de energia dos materiais utilizados foram construídos, que facilitam a compreensão do funcionamento dos dispositivos. As imagens de SEM e AFM mostram diferenças na morfologia entre os filmes que impactam na eficiência dos dispositivos. Os filmes de GaSe9 apresentaram uma estrutura cristalina mais compacta em comparação com o Se. Observou-se a partir dos espectros de XRD que os filmes evaporados apresentam uma estrutura amorfa, que é alterada para cristalina após um tratamento térmico. Esta estrutura cristalina influencia no transporte de cargas e melhora as propriedades elétricas das células solares. A caracterização elétrica foi realizada através de medidas elétricas de densidade de corrente - tensão (J - V), capacitância - tensão (C - V), eficiência quântica externa (IPCE) e espectroscopia de impedância dos dispositivos no escuro e sob iluminação AM 1.5G. Através destas medidas parâmetros de eficiência das diferentes estruturas podem ser comparados, mostrando valores maiores para células solares de GaSe9 em uma junção p-n com nanopartículas de ZnO, no qual obteve-se uma eficiência de 2,7%. Através das caracterizações por C - V, informações sobre as junções são obtidas, enquanto a partir das medidas de espectroscopia de impedância foram identificados diferentes comportamentos e processos dinâmicos de geração, transporte e coleta das cargas fotogeradas na camada ativa, indicando as mudanças elétricas que a adição de gálio provoca nos dispositivos, e a influência de diferentes óxidos nas junções. A partir dos resultados obtidos, observa-se que a utilização de ligas de GaxSe1-x e a adição de camadas através de processos simples são alternativas para aumentar a eficiência de células solares de filmes finos de selênio. Palavras-chave: Célula solar. Seleneto de gálio. Moagem mecânica. Junção Schottky. Junção p-n. Espectroscopia de impedância. === Abstract: The demand for clean and efficient energy sources drives research into new materials and structures for solar cell applications. In this sense, the present work consists of developing different structures using thin films of selenium (Se) and gallium selenide alloys (GaSe9 and Ga2Se8), made by mechanical alloying, as active layers in solar cells. The films are obtained by physical evaporation of the elements under high vacuum. Transparent oxide films such as cesium oxide (Cs2O) or zinc oxide (ZnO) are added to increase the energy conversion efficiency in the devices. Different characterization techniques were used to compare the films and the constructed solar cells. For the film characterization, UV-vis absorption, cyclic voltammetry, x-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and atomic force microscopy (AFM) measurements were performed. From UV-vis absorption measurements, the absorption coefficient was obtained, while from cyclic voltammetry measurements the valence band values of the films were estimated. Thus, energy level diagrams of the materials were built, which facilitate the understanding of the devices behavior. SEM and AFM images show differences in morphology between the films which impact in device efficiency. GaSe9 films presented a more compact crystalline structure compared to Se. It has been observed from the XRD spectra that the evaporated films have an amorphous structure, which changes to crystalline after a heat treatment. This crystalline structure influences the charge transport and improves the electrical properties of solar cells. The electrical characterization was carried out through electrical measurements of current-voltage (J - V), capacitance-voltage (C - V), incident photon-to-current conversion efficiency (IPCE) and impedance spectroscopy of the devices, in the dark and under AM 1.5G illumination. Through these measurements, efficiency parameters of the different structures are compared, showing higher values for GaSe9 solar cells in a p-n junction with ZnO nanoparticles, in which an efficiency of 2.7% was obtained. Through the C - V characterization, information about the junctions is obtained. From impedance spectroscopy measurements different behaviors and dynamic processes of generation, transport and collection of the photogenerated charge carriers in the active layer were identified, indicating electrical changes that the gallium addition causes in the devices, and the influence of different oxides on the junctions. From the obtained results, it is observed that the use of GaxSe1-x alloys and the addition of layers through simple processes are alternatives to increase the efficiency of selenium based thin film solar cells. Keywords: Solar cell. Gallium selenide. Mechanical alloying. Schottky junction. p-n junction. Impedance spectroscopy.