Análisis tomográfico a nanoescala de materiales nanoestructurados para dispositivos fotovoltaicos

Hoy en día, resulta indispensable incrementar el uso de fuentes de energía renovables. Entre ellas, cabe destacar la energía solar fotovoltaica, ya que es una de las fuentes de energía con mayor potencial. El desarrollo de los materiales semiconductores es fundamental para materializar nuevos conceptos que incrementen la eficiencia de las celdas solares fotovoltaicas. En particular, la caracterización de las propiedades estructurales de los materiales semiconductores es indispensable para entender sus propiedades funcionales y mejorar el diseño de futuros dispositivos. La presente Tesis Doctoral tiene como objetivo la investigación de estructuras con diseños innovadores para aplicaciones fotovoltaicas, en particular para celdas solares de banda intermedia con puntos cuánticos (QD-IBSCs) y para celdas solares de triple unión (3JSCs). Para ello, se ha realizado la caracterización estructural en 3D de heteroestructuras semiconductoras III-V por técnicas de tomografía electrónica (ET) y de tomografía de sonda atómica (APT). Así, se han analizado parámetros clave en el diseño de estas estructuras, como el apilamiento de QDs en estructuras de QD-IBSCs, o la distribución de composición a nivel atómico en ambos tipos de celdas, QD-IBSC y 3JSC. Inicialmente y con el objetivo de obtener información de calidad de los materiales estudiados, se ha desarrollado una metodología para fabricar muestras en forma de nanoaguja en sitios específicos del material localizados en el interior de dicho material masivo (en particular, alrededor de QDs enterrados) con un equipo de haces de iones focalizados (FIB). Dicha metodología asegura que estas nanoagujas tengan una calidad optimizada para realizar estudios por técnicas avanzadas de caracterización estructural como la ET y la APT. El análisis de estructuras de QDs de InAs/GaAs con capas de GaP para QD-IBSC ha evidenciado que la ET es una técnica eficiente para determinar en 3D posibles apilamientos de QDs. Este análisis ha mostrado una desviación respecto a la dirección de crecimiento del apilamiento de QDs en esta estructura, lo cual tiene un efecto importante en la formación de la banda intermedia de energía en el material. Para entender el apilamiento de QDs observado, se han utilizado datos de APT obtenidos en esta estructura para realizar cálculos de campos de tensión-deformación usando el método de elementos finitos (FEM). Esto ha demostrado la fortaleza de la utilización conjunta de los datos de APT y los cálculos de FEM, ya que han permitido predecir correctamente la posición de nucleación de un QD en el apilamiento (corroborado experimentalmente). El estudio por APT de muestras de QDs de InAs/GaAs con capas de InAlGaAs para QDIBSCs ha mostrado desviaciones importantes en la distribución de composición del material respecto al diseño realizado. Así, se ha observado un gradiente en la composición de In dentro de los QDs, así como la formación de un anillo rico en Al alrededor de las nanoestructuras, probablemente debido a razones de deformación asociadas al pequeño tamaño de este elemento. La combinación de datos de APT con cálculos de FEM ha permitido entender los cambios en la morfología de las nanoestructuras que se han observado en este material, evidenciando una menor deformación en los anillos cuánticos (QRs) encontrados que en QDs con igual cantidad de In. Finalmente, el estudio por APT de una aleación novedosa, el InAlAsSb, diseñada para ser parte de la subcelda superior en una 3JSC, ha permitido observar fluctuaciones composicionales a nivel nanométrico. Para ello, ha sido necesario aplicar métodos estadísticos de análisis, en particular la Función de Distribución Radial (RDF), ya que dichas fluctuaciones no son evidentes de la observación directa de los datos de APT obtenidos. El análisis realizado ha permitido detectar zonas ricas en In y en Sb de alrededor de 4 nm de tamaño que explican el comportamiento de fotoluminiscencia de este material. Los resultados obtenidos son esenciales para mejorar las condiciones de crecimiento de este material y ayudarán en el desarrollo del mismo para su aplicación en 3JSC.

Author dc:creator

• Hernández Saz, Jesús

Advisors dc:contributor.advisor

• Herrera Collado, Miriam
• Molina Rubio, Sergio Ignacio

• semiconductor
• electron tomography
• tomografía electrónica
• atom probe tomography
• tomografía de sonda atómica
• TEM
• photovoltaic
• solar cells
• energía renovable
• caracterización
• nanoescala
• nanoscale
• renewable energy

Language dc:language.iso

spa

Handle dc:identifier.uri

http://hdl.handle.net/10498/18466

OAI identifier oai:identifier

oai:rodin.uca.es:10498/18466