Los científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) lograron un avance tecnológico para las células solares que antes se creía imposible.

Los científicos integraron con éxito una fuente de aluminio en su reactor de epitaxia en fase de vapor de hidruro (HVPE), luego demostró el crecimiento de los semiconductores fosfuro de aluminio e indio (AlInP) y fosfuro de aluminio, galio e indio (AlGaInP) por primera vez mediante esta técnica.

"Existe un cuerpo de literatura decente que sugiere que las personas nunca podrían cultivar estos compuestos con epitaxia en fase de vapor de hidruro, "dijo Kevin Schulte, científico del Centro de Desempeño y Aplicaciones de Materiales de NREL y autor principal de un nuevo artículo que destaca la investigación. "Esa es una de las razones por las que gran parte de la industria III-V se ha decantado por la epitaxia en fase vapor metalorgánica (MOVPE), que es la técnica de crecimiento dominante III-V. Esta innovación cambia las cosas ".

El artículo, "Crecimiento de AlGaAs, AlInP, y AlGaInP por epitaxia en fase de vapor de hidruro, "aparece en el diario Materiales de energía aplicada ACS .

Las células solares III-V, llamadas así debido a la posición en que caen los materiales en la tabla periódica, se usan comúnmente en aplicaciones espaciales. Destaca por su alta eficiencia, estos tipos de células son demasiado caras para el uso terrestre, pero los investigadores están desarrollando técnicas para reducir esos costos.

Un método pionero en NREL se basa en una nueva técnica de crecimiento llamada epitaxia dinámica en fase de vapor de hidruro, o D-HVPE. HVPE tradicional, que durante décadas se consideró la mejor técnica para la producción de diodos emisores de luz y fotodetectores para la industria de las telecomunicaciones, cayó en desgracia en la década de 1980 con la aparición de MOVPE. Ambos procesos implican depositar vapores químicos sobre un sustrato, pero la ventaja pertenecía a MOVPE debido a su capacidad para formar heterointerfaces abruptas entre dos materiales semiconductores diferentes, un lugar donde HVPE luchó tradicionalmente.

Eso cambió con la llegada de D-HVPE.

Muestra de células solares III-V cultivadas con HVPE Muestra de células solares de aluminio III-V, cultivado con HVPE, se muestran como películas delgadas de Alx (Ga1-x) 0.5In0.5P después de retirar el sustrato de GaAs adherido a un mango de vidrio para mediciones de transmisión. La diferencia de color se debe a la diferencia en la composición de Al y Ga. Específicamente, las muestras amarillas son AlInP (no Ga) y las muestras naranjas son AlGaInP. Foto de Dennis Schroeder, NREL

La versión anterior de HVPE usaba una sola cámara donde se depositaba una sustancia química sobre un sustrato, que luego fue eliminado. La química de crecimiento luego se cambió por otra, y el sustrato regresó a la cámara para la siguiente aplicación química. D-HVPE se basa en un reactor de cámaras múltiples. El sustrato se mueve hacia adelante y hacia atrás entre cámaras, reduciendo en gran medida el tiempo para hacer una celda solar. Una célula solar de unión única que tarda una o dos horas en fabricarse con MOVPE puede producirse potencialmente en menos de un minuto mediante D-HVPE. A pesar de estos avances, MOVPE todavía tenía otra ventaja:la capacidad de depositar materiales que contienen aluminio con banda prohibida amplia que permiten las mayores eficiencias de las células solares. El HVPE ha luchado durante mucho tiempo con el crecimiento de estos materiales debido a las dificultades con la naturaleza química del precursor que contiene aluminio habitual, monocloruro de aluminio.

Los investigadores siempre planearon introducir aluminio en D-HVPE, pero primero centró sus esfuerzos en validar la técnica de crecimiento.

"Hemos intentado hacer avanzar la tecnología por pasos en lugar de intentar hacerlo todo a la vez, ", Dijo Schulte." Validamos que podemos cultivar materiales de alta calidad. Validamos que podemos hacer crecer dispositivos más complejos. El siguiente paso ahora para que la tecnología avance es el aluminio ".

Los coautores de Schulte de NREL son Wondwosen Metaferia, Juan Simón, David Guiling, y Aaron J. Ptak. También incluyen a tres científicos de una empresa de Carolina del Norte, Kyma Technologies. La empresa desarrolló un método para producir una molécula única que contiene aluminio, que luego podría fluir hacia la cámara D-HVPE.

Los científicos utilizaron un generador de tricloruro de aluminio, que se calentó a 400 grados Celsius para generar un tricloruro de aluminio a partir de aluminio sólido y gas cloruro de hidrógeno. El tricloruro de aluminio es mucho más estable en el entorno del reactor HVPE que la forma de monocloruro. Los otros componentes, cloruro de galio y cloruro de indio, se vaporizaron a 800 grados Celsius. Los tres elementos se combinaron y se depositaron sobre un sustrato a 650 grados centígrados.

Usando D-HVPE, Anteriormente, los científicos de NREL podían fabricar células solares a partir de arseniuro de galio (GaAs) y fosfuro de galio indio (GaInP). En estas celdas, GaInP se utiliza como "capa de ventana, "que pasiva la superficie frontal y permite que la luz solar llegue a la capa absorbente de GaAs debajo de donde los fotones se convierten en electricidad. Esta capa debe ser lo más transparente posible, pero GaInP no es tan transparente como el fosfuro de aluminio e indio (AlInP) utilizado en las células solares cultivadas con MOVPE. El récord mundial actual de eficiencia para las células solares de GaAs cultivadas con MOVPE que incorporan capas de ventana de AlInP es del 29,1%. Con solo GaInP, Se estima que la eficiencia máxima para las células solares cultivadas con HVPE es solo del 27%.

Ahora que se ha agregado aluminio a la mezcla de D-HVPE, los científicos dijeron que deberían poder alcanzar la paridad con las células solares fabricadas a través de MOVPE.

"El proceso HVPE es un proceso más económico, "dijo Ptak, un científico senior en el Centro Nacional de Energía Fotovoltaica de NREL. "Ahora hemos mostrado un camino hacia la misma eficiencia que es el mismo que los otros muchachos, pero con una técnica más barata. Antes, éramos algo menos eficientes pero más baratos. Ahora existe la posibilidad de ser exactamente igual de eficiente y económico ".