ES2346614B1 - Uso de material modificado en su topografia superficial en dispositivos que generen una corriente electrica a partir de luz incidente. - Google Patents
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Abstract
Uso de material modificado en su topografía
superficial en dispositivos que generen una corriente eléctrica a
partir de luz incidente.
La presente invención se basa en el hecho
observado por los inventores, de que la modificación de la
topografía superficial de materiales, mediante la fabricación de una
red ordenada de cavidades rellenas de otro material, con diferente
índice de refracción, genera bandas fotónicas en la superficie del
material, que alteran el índice de refracción del material sobre el
que están fabricadas. Esa variación del índice de refracción
permite, en función del ángulo de incidencia y la longitud de onda
de la luz, favorecer o inhibir la transmisión y reflexión de la luz.
En base a esta nueva propiedad observada, se ha modificado la
topografía de una célula solar mediante la fabricación de una red
ordenada de cavidades rellenas de aire, y se ha comprobado una mayor
generación de corriente eléctrica a partir de luz incidente que en
una célula solar de igualescaracterísticas pero sin modificación de
la topografía superficial.
Description
Uso de material modificado en su topografía
superficial en dispositivos que generen una corriente eléctrica a
partir de luz incidente.
La presente invención se enmarca dentro del
sector de la tecnología física y la microelectrónica. Más
concretamente, la presente invención se refiere tanto a la
fabricación de nuevos materiales con una mayor transmisión de la
luz, como a su aplicación en dispositivos que generan una corriente
eléctrica a partir de la luz incidente, como
foto-detectores, células solares y dispositivos
termo-fotovoltaicos.
Existen numerosos dispositivos que transforman
la energía procedente de la luz que incide sobre ellos, en energía
eléctrica. En estos dispositivos un incremento de la cantidad de luz
que llega al interior del material semiconductor produce un aumento
en la corriente eléctrica generada. Por ello se han utilizado
numerosos procedimientos para fomentar la transmisión de luz en
estos materiales y reducir la pérdida de luz por reflexión sobre su
superficie, como la fabricación de capas antirreflectantes o la
estructuración de la superficie.
La utilización de capas antirreflectantes
permite que una mayor cantidad de luz penetre en el material sobre
el cual están depositadas. Estas capas deben de tener el espesor y
el índice de refracción adecuado para que se produzca una
interferencia constructiva y se evite la perdida de luz por
reflexión. Estas condiciones de interferencia constructiva sólo se
verifican en un rango pequeño de ángulos, con lo que esta tecnología
sólo funciona cuando los rayos de luz inciden dentro de un ángulo
pequeño, que suele estar por debajo de 30º respecto a la normal.
En el caso de la estructuración, se crea una
rugosidad en la superficie del material favoreciendo la reflexión
múltiple de la luz en la superficie, de forma que una mayor cantidad
de luz acaba penetrando en el material. La rugosidad creada tiene
dos efectos complementarios: el primero es reducir la cantidad de
luz reflejada por la superficie, mientras que el segundo consiste en
incrementar el camino óptico total que recorre la luz dentro del
material. Es una técnica habitualmente usada en células solares, en
las que un camino óptico más largo da lugar a un incremento en la
eficiencia en que la luz se transforma en electricidad.
En general, la luz incidente sobre un material,
semiconductor o no, puede transmitirse al interior del mismo,
reflejarse o absorberse. El grado de transmisión, absorción o
reflexión depende de las propiedades intrínsecas del material, en
concreto de su índice de refracción \eta y de su coeficiente de
absorción k, y, en general, estos valores no son fácilmente
manipulables. La frecuencia \omega de la luz que viaja en el
interior del material obedece una relación denominada relación de
dispersión:
\omega =
c / \eta
k
donde \kappa = 2 \pi/\lambda
es el denominado vector de onda de la luz incidente y \lambda es
la longitud de onda y \eta es el índice de refracción. Esta
relación se verifica para materiales homogéneos en composición.
Cuando una onda plana incide sobre un material homogéneo, su
reflexión, refracción y transmisión vienen dadas por la ley de Snell
y por los coeficientes de Fresnel (Couny, F., F. Benabid, et
al. (2007). "Reduction of fresnel
back-reflection at splice interface between hollow
core PCF and single-mode fiber". Photonics
Technology Letters 19(13-16):
1020-1022). Cuando el material deja de ser homogéneo
y se convierte en periódico se originan bandas para fotones o bandas
fotónicas (Ohtaka, K. (1979). "Energy-band of
photons and low energy photon diffraction" Physical Review B
19(10): 5057-5067 1979). En este caso la luz
que se transmite al interior del material viaja dentro del mismo con
un índice de refracción que viene dado por las bandas fotónicas,
donde \omega = \omega (k) y se verifica
que:
\frac{\partial
\omega}{\partial k} =
\frac{c}{n}
Como ahora el índice de refracción es una
función complicada de la frecuencia y de la dirección de incidencia
(k), su valor va a variar de acuerdo a estas dos magnitudes.
Esto puede permitir la introducción de luz en el material con
ángulos superiores al de reflexión total, para ciertas frecuencias,
o inhibir otras longitudes de onda, que no se propagarán dentro del
material.
El método aquí descrito difiere de los
anteriores mencionados y de cualquier otro conocido, ya que se basa
en razones físicas completamente diferentes, supone una nueva
aplicación de las bandas fotónicas como método, para incrementar la
transmisión de luz hacia el interior de materiales, especialmente
materiales semiconductores.
Un aspecto de la presente invención es el uso
del material cuya topografía superficial se ha modificado mediante
la fabricación de una red ordenada de cavidades rellenas de otro
material con diferente índice de refracción, en adelante material
modificado de la invención, en dispositivos que generan una
corriente eléctrica a partir de luz incidente.
Un aspecto preferente de la presente invención
es el uso del material modificado de la invención, en el que la red
de cavidades está rellena de aire con índice de refracción igual a
1, en dispositivos que generan una corriente eléctrica a partir de
luz incidente.
Otro aspecto de la presente invención es el uso
del material modificado de la invención en células solares,
fotodetectores y aparatos termofotovoltáicos.
Otro aspecto de la presente invención es un
dispositivo caracterizado porque comprende el material modificado de
la invención y una célula solar, de forma que el material modificado
de la invención se deposita sobre la superficie del panel
fotovoltaico de la célula solar.
Otro aspecto de la presente invención es un
dispositivo caracterizado porque comprende el material modificado de
la invención y un fotodetector, de forma que el material modificado
de la invención se deposita sobre la superficie del
fotodetector.
Otro aspecto de la presente invención es un
dispositivo caracterizado porque comprende el material modificado de
la invención y un aparato termofotovoltaico, de forma que el
material modificado de la invención se deposita sobre la superficie
del aparato termofotovoltaico.
Otro aspecto de la invención es una célula
solar, fotodetector o aparato termofotovoltaico en los que se ha
modificado la topografía superficial del mismo según las
características del material de la invención.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se basa en el hecho,
observado por los inventores, de que la modificación de la
topografía superficial de materiales, mediante la fabricación de una
red ordenada de cavidades rellenas de otro material, con diferente
índice de refracción, produce una alteración de la reflexión,
transmisión y refracción de la luz, para diferentes longitudes de
onda y ángulos de incidencia, en el material. Esta red ordenada de
cavidades genera bandas fotónicas en el plano de la superficie del
material, las cuales alteran el valor del índice de refracción del
material sobre el que están fabricadas. La variación del valor del
índice de refracción superficial permite, en función del ángulo de
incidencia y de la longitud de onda de la luz, favorecer o inhibir
la transmisión y reflexión de la luz.
Esta propiedad que presentan los materiales
modificados, mediante la red ordenada de cavidades en su topografía
superficial, es totalmente novedosa, siendo los inventores de la
presente invención los primeros en observarla y en medir la
alteración de la transmisión en dichos materiales (tal y como
muestra la figura 4), y plantea nuevos usos de este tipo de
materiales modificados.
En base a esta nueva propiedad observada, un
aspecto de la presente invención es el uso del material cuya
topografía superficial se ha modificado mediante la fabricación de
una red ordenada de cavidades rellenas de otro material con
diferente índice de refracción, en adelante material modificado de
la invención, en dispositivos que generan una corriente eléctrica a
partir de luz incidente.
La fabricación de este tipo de materiales
modificados está descrita en artículos publicados con anterioridad
(Alija, A. R., L. J. Martínez, et al. (2005). "Tuning of
spontaneous emission of two-dimensional photonic
crystal microcavities by accurate control of slab thickness".
Applied Physics Letters 86(14)) y se basa en la eliminación
del material del interior de las cavidades mediante el ataque
anisotrópico por haces de iones reactivos. Estos materiales han sido
caracterizados previamente (A. R. Alija, L. J. Martínez, J.
Sánchez-Dehesa, P. A. Postigo, M. Galli, A. Politi,
M. Patrini. L. C. Andreani, C. Seassal, and P. Viktorovitch,
"Theoretical and experimental study of te
Suzuki-phase photonic crystal lattice by
angle-resolved photoluminescence spectroscopy",
Optics Express 15 (2) 704-713 (2007)), pero nunca
antes se había planteado su uso en dispositivos que generen
corriente eléctrica a partir de la irradiación luminosa.
Un aspecto preferente de la presente invención
es el uso del material modificado de la invención, en el que la red
de cavidades está rellena de aire con índice de refracción igual a
1, en dispositivos que generan una corriente eléctrica a partir de
luz incidente.
Otro aspecto preferente de la presente invención
es el uso de un material semiconductor como material modificado de
la invención, en dispositivos que generen una corriente eléctrica a
partir de luz incidente.
Un aspecto más preferente de la presente
invención es el uso de un material semiconductor
III-V como material modificado de la invención en
dispositivos que generen una corriente eléctrica a partir de luz
incidente.
Una realización particular de la presente
invención es el uso InP o bien InGaP como material semiconductor
modificado de la invención en dispositivos que generen una corriente
eléctrica a partir de luz incidente.
Un aspecto preferente de la invención es el uso
del material modificado de la invención en el que las cavidades
están espaciadas regularmente en forma de red bidimensional.
Un aspecto preferente de la invención es el uso
del material modificado de la invención en el que la separación
entre los centros de las cavidades es superior a 50 nm.
En el ejemplo 1, las cavidades son circulares,
con simetría triangular, tienen un radio de 144 nm. y una separación
de 450 nm entre sus centros.
El hecho de que estos materiales alteren la
reflexión, refracción y transmisión de la luz los hace
particularmente interesantes en aplicaciones que utilizan la luz
solar, para la generación de electrones, especialmente células
solares, fotodetectores y aparatos termofotovoltáicos, en los que
una mayor transición de la luz optimiza la eficiencia eléctrica de
los mismos.
Por tanto, otro aspecto de la presente invención
es el uso del material modificado de la invención en células
solares, fotodetectores y aparatos termofotovoltáicos.
Por debajo del material modificado de la
invención o contenido en el mismo, se puede situar otro aparato que
utilice la luz para la generación de electrones, como una célula
solar o un fotodetector. Estos se verán influenciados por el
dispositivo situado inmediatamente encima, favoreciendo o
disminuyendo la entrada de luz en el mismo. La integración de ambos
dispositivos puede hacerse bien de forma directa, usando un mismo
material para toda la estructura (integración monolítica como la
usada en : "Solid-source molecular beam epitaxy
for monolithic integration of láser emitters and photodetectors on
GaAs chips", P.A. Postigo, S. S. Choi, W. D. Goodhue, and C. G.
Fonstad, Applied Physics Letters 77 (24) 3842-3844
(2000), o bien usando una técnica indirecta de unión o pegado entre
ambos, como la unión de obleas por unión anódica. (Kovacs, G.T.A.;
Maluf, N.I.; Petersen, K.E., "Bulk micromachining of silicon",
Proceedings of the IEEE Volume 86, Issue 8, Aug. 1998
Page(s):1536 - 1551) u otras.
Por tanto, otro aspecto de la presente invención
es un dispositivo caracterizado porque comprende el material
modificado de la invención y una célula solar, de forma que el
material modificado de la invención se deposita sobre la superficie
del panel fotovoltaico de una célula solar.
Un aspecto preferente de la presente invención
es un dispositivo que comprende una lámina de material de fosfuro de
Galio e Indio (InGaP) modificado mediante una red periódica de
cavidades, y una célula solar de Germanio, de forma que el material
de InGaP se deposita sobre la célula solar de Germanio (Ge) tal y
como se indica en el ejemplo 2.
El espesor de la lámina de Ge del ejemplo 2 es
de 150 um con una orientación cristalina (111) y la red de cavidades
de la lámina de InGaP tiene simetría triangular con cavidades de
forma circular de 200 nm de radio, una separación de 600 nm entre
centros y una profundidad de 200 nm.
Otro aspecto de la presente invención es un
dispositivo caracterizado porque comprende el material modificado de
la invención y un fotodetector, de forma que el material modificado
de la invención se deposita sobre la superficie del
fotodetector.
Otro aspecto de la presente invención es un
dispositivo caracterizado porque comprende el material modificado de
la invención y un aparato termofotovoltaico, de forma que el
material modificado de la invención se deposita sobre la superficie
del aparato termofotovoltaico.
También puede darse el caso en el que la
topografía superficial del propio material de la célula solar,
fotodetector o aparato termofotovoltaico se modifique con la red de
cavidades detallada.
Por tanto, otro aspecto de la invención es una
célula solar, fotodetector o aparato termofotovoltaico en los que se
ha modificado la topografía superficial del mismo según las
características del material de la invención.
Figura 1.- Esquema del dispositivo para
modificar la reflexión y la transmisión de la luz en un material
mediante la generación de bandas para fotones. Consiste en una
lámina de material (1) semiconductor, con una serie de cavidades con
forma circular, espaciadas regularmente en forma de red
bidimensional con simetría triangular. Esta estructura se deposita
sobre la superficie de un aparato que puede ser una célula solar, un
fotodetector, o un aparato termofotovoltaico (2).
Figura 2.- Esquema de la estructura de bandas
fotónicas para el dispositivo de la Figura 1, calculado mediante el
método de modos guiados (Gerace, D. and L. C. Andreani (2005).
"Low-loss guided modes in photonic crystal
waveguides". Optics Express 13(13):
4939-4951). En el eje vertical se representan
frecuencias normalizadas \omegaa/2\pic, donde a es el parámetro
de la red ordenada de cavidades, y en el eje horizontal se
representa la componente del vector de onda k paralela al
plano x-y del dispositivo para cada dirección de la
red recíproca del plano. En función de las dimensiones y forma de
las cavidades del dispositivo (1) de la Figura 1 la luz con
frecuencia normalizada \omegaa/2\pic que se introduce en el
material (2) de la Figura 1 pasa a tener un vector de onda con una
componente paralela al plano del dispositivo dada por estas bandas y
que permite definir unívocamente el ángulo de incidencia sobre el
dispositivo para una frecuencia normalizada determinada.
Figura 3.- A) medida experimental de la
Reflexión para luz polarizada TE y TM con energía entre 0.5 y 2.0 eV
incidente sobre un dispositivo como el material (2) de la Figura 1.
Está formado por una lámina de material semiconductor (InP) de 270
nm de espesor sin perforaciones de ningún tipo. La medida se realiza
para diferentes ángulos de incidencia de la luz sobre la lámina,
entre 0o (incidencia normal) y 60º.
B) medida experimental de la Reflexión para luz
con energía entre 0.5 y 2.0 eV incidente sobre una lámina de
semiconductor (InP) de 270 nm de espesor con cavidades circulares
dispuestas en una red ordenada de simetría triangular como la
indicada en la Figura 1, con separaciones entre centros de 450 nm y
cavidades de radio 144 nm. La medida se realiza para diferentes
ángulos de incidencia de la luz sobre la lámina, entre 0o
(incidencia normal) y 60º.
Figura 4.- A) medida experimental de la
Transmisión para luz polarizada TE y TM con energía entre 0.5 y 2.0
eV incidente sobre un dispositivo como el (1) de la Figura 1. Está
formado por una lámina de semiconductor (InP) de 270 nm de espesor
sin cavidades de ningún tipo. La medida se realiza para diferentes
ángulos de incidencia de la luz sobre la lámina, entre 0o
(incidencia normal) y 60º.
B) medida experimental de la Transmisión para
luz polarizada TE y TM con energía entre 0.5 y 2.0 eV incidente
sobre una lámina de semiconductor (InP) de 270 nm de espesor con
cavidades circulares dispuestas en una red ordenada de simetría
triangular como la indicada en la Figura 1, con separaciones entre
centros de círculos de 450 nm y radios de 144 nm. La medida se
realiza para diferentes ángulos de incidencia de la luz sobre la
lámina, entre 0o (incidencia normal) y 60º.
Figura 5.- Fotografía de una célula solar como
la descrita. La célula de forma circular está inscrita en un
cuadrado que actúa como contacto eléctrico. El diámetro de la
superficie expuesta es de unos 6 mm.
Figura 6.- Fotografía del dispositivo formado
por la célula solar y una lámina de material InGaP modificado con
una red de cavidades.
Figura 7.- Fotografía mediante microscopía de
haz de electrones de la superficie del dispositivo formado por la
célula solar y la lámina del material InGaP modificado con una red
de cavidades.
Figura 8.- Curva EQE medida sobre una célula
solar sin lámina de material InGaP modificado (línea continua) y una
célula con material InGaP modificado con una red de cavidades (línea
punteada) a temperatura ambiente. Como se observa, en el segundo
caso la curva EQE es entre un 10% y un 20% mayor, dependiendo del
rango espectral.
\vskip1.000000\baselineskip
Se detalla un dispositivo como el que aparece en
la Fig. 1. Está formado por una lámina de material semiconductor
Fosfuro de Indio (InP) con un espesor de 270 nm. Esta lámina de InP
se ha depositado en un reactor de epitaxia por haces moleculares
sobre un sustrato comercial (fabricado por AXT Corp.) del mismo
compuesto (InP). Entre el sustrato y la lámina de InP de 270 nm se
ha depositado mediante el mismo procedimiento una fina capa de 50 nm
de espesor de la aleación ternaria In_{0 . 48}Ga_{0 . 52}As que
actuará como capa de sacrificio en el proceso de transferencia a
sustrato de vidrio. Sobre la superficie del material epitaxial
fabricado se deposita a 300ºC una capa de 200 nm de óxido de silicio
no estequimométrico (SiO_{x}) mediante un aparato de deposición en
fase vapor asistido por plasma. Sobre esta capa se deposita una
resina tipo polimetilmetacrilato (PMMA A-4,
fabricado por Microchem Corp.) por centrifugación a 5000 rpm durante
30 segundos. Sobre esta resina se realiza un proceso de litografía
de alta resolución por haz de electrones. En este proceso se ilumina
la resina con un haz de electrones con una energía de 30 keV y una
dosis de 100 \muC/cm^{2}. El haz de electrones expone la resina
en las zonas que corresponden a la red de cavidades con forma
circular que se desea perforar en la lámina de InP. La resina es
inmersa en un revelador (metil-isobutil ketona:
H_{2}O en proporción 5:1) que disuelve el PMMA en las zonas donde
el haz de electrones ha incidido, correspondientes a las futuras
cavidades de la lámina de InP. A continuación, el material
semiconductor es eliminado del interior de las cavidades mediante
ataque anisotrópico por haces de iones reactivos utilizando como
máscara la capa de óxido de silicio. Este método proporciona la
posibilidad de aumentar la profundidad de ataque hasta alcanzar los
270 nm o profundidades mayores, el ataque del óxido de silicio se
realiza en un aparato de haces de iones reactivos asistido por
resonancia electrónica ciclotrón. Los gases usados son nitrógeno
(N_{2}) y freón (CHF_{3}) en un caudal de 2 ml/min y 5.6 ml/min,
450 eV de energía de aceleración y 250 eV de energía de extracción.
La energía usada para la activación del plasma es de 300 W y su
frecuencia de 2,41 GHz Mhz. La intensidad del campo magnético es de
980 G. La presión es de P=6 x 10^{-6} mTorr. Una vez realizado la
transferencia del patrón de cavidades a la capa de oxido de silicio,
se utiliza dicha capa para transferir el patrón a la lámina de InP
mediante un aparato de ataque por iones reactivos. Los gases
involucrados son metano (CH_{4}) con un caudal de 5 sccm e
hidrógeno (H_{2}) con un caudal de 30 sccm. La presión del proceso
es P=20 mT y la potencia de 300 W en un plasma generado por
radiofrecuencia a 13,56 MHz, y su duración es de 1 minuto. El
sustrato no se refrigera en ningún momento. Este proceso genera un
polímetro hidrocarbonado que se deposita dentro de las cavidades y
reduce la verticalidad de los laterales de los mismos. Para
conseguir una perfecta verticalidad de los laterales en estas
cavidades es necesario un proceso de ciclado de oxígeno que hemos
desarrollado específicamente. Este proceso consiste en la
eliminación por combustión del polímetro residual mediante ataque
por plasma de oxígeno (O_{2}). Tras cada minuto del ataque
anterior metano-hidrógeno y después de vaciar y
purgar las líneas de gases, se introduce O_{2} (50 sccm) a una
presión total de P=20 mTorr y se genera plasma con 200 W de potencia
durante un tiempo de 15 segundos. A continuación se vuelven a
limpiar y purgar las líneas de gases y se repite el primer ataque
con CH_{4} y H_{2}. El ciclado de ambos procesos
(metano-hidrógeno y oxígeno) se repite hasta
alcanzar la profundidad de 270 nm.
Por debajo de este dispositivo o contenido en el
mismo, se puede situar otro aparato que utilice la luz para la
generación de electrones, como una célula solar o un
foto-detector.
En el ejemplo aquí detallado la lámina de
semiconductor está depositada, en lugar de sobre una célula solar o
un foto-detector, sobre un sustrato transparente,
que es un vidrio de alta calidad en este caso, con el objetivo de
poder realizar la medida no sólo de su reflectancia sino también de
su transmisión, para lo cual es necesario utilizar un sustrato
transparente en la región espectral de medida sobre el que la lámina
perforada tiene que ser depositada. Para ello se pega la lámina a un
sustrato de vidrio (porta para microscopio óptico ThermoShandon, UK)
mediante un pegamento óptico (Norland 77, Norland Inc), cuyo curado
se realiza mediante el uso de una lámpara de luz ultravioleta. El
pegado se realiza dispensando una gota de pegamento sobre la lámina
de vidrio, se extiende y se coloca la muestra encima sin realizar
presión alguna, simplemente con el propio peso de la muestra, y
prestando especial cuidado a que la parte del substrato de la
muestra (substrato de InP de unas 300 \mum de espesor) no quede
cubierta por el pegamento. El proceso de curado del pegamento se
realiza en dos etapas. En la primera realizamos un precurado de 1
minuto. Una vez terminado, se comprueba que la lámina de vidrio no
se ha pegado a la superficie del porta sobre el que se sitúa dentro
de la lámpara de ultravioleta. Posteriormente se realiza el curado
por un tiempo de 45 minutos. Una vez curado el pegamento se elimina
el InP del substrato de la muestra. Para ello se usa una mezcla de
HCl y H_{2}O (4:1) con HCl al 37%. Para que el ataque químico
resulte más selectivo entre el InP y la aleación ternaria In_{0 .
48}Ga_{0 . 52}As (el ataque se frena en esta capa), la mezcla se
enfría a 1ºC. Para reducir al máximo las tensiones entre las capas
de distintos materiales al enfriar de forma repentina, la muestra se
enfría a la misma temperatura previamente a introducirla en la
mezcla. Se considera finalizado el ataque (tiempo de duración
entorno a una hora y media) cuando se observa que ya no hay
reacción, es decir, no salen burbujas del proceso y la muestra
presenta una superficie sin rugosidad, espejada y con un color
anaranjado. Para parar el ataque la muestra se sumerge durante 1
minuto en agua destilada. El secado de la misma se realiza con
extremo cuidado mediante nitrógeno seco a baja presión.
La lámina de semiconductor perforada de la
manera indicada presenta bandas para fotones. La Figura 2 muestra el
diagrama de bandas para fotones (puntos rojos) calculado para este
ejemplo mediante el método de expansión de modos guiados descrito en
(LC. Andreani and M. Agio, "Intrinsic diffraction losses in
photonic crystal waveguides with line defects", Appl. Phys.
Lett. 82, 2011 (2003)). Este diagrama proporciona la relación de
dispersión de la luz, es decir, la frecuencia de la luz que puede
viajar dentro de la lámina. Para cada dirección del plano contenido
en la lámina, se vera reflejada una onda incidente sobre la misma en
un determinado ángulo, de acuerdo a como varía la componente de su
vector de onda paralela al plano de la lámina. Como esta componente
viene dada por las bandas para fotones, la reflexión se verá
alterada de acuerdo a estas bandas como esta descrito en (M. Galli,
M. Agio, L. C. Andreani, M. Belotti, G. Guizzetti, F. Marabelli, M.
Patrini, P. Bettotti, I. Dal Negro, Z. Gaburro, L. Pavesi, A. Lui,
P. Bellutti, "spectroscopy of photonic bands in macroporous
silicon photonic crystals", Phys. Rev. B 65, 113111 (2002))
y otros.
La Figura 3 muestra los espectros de
reflectancia, con valores entre 0 y 1, de esta lámina para
diferentes longitudes de onda y diferentes ángulos de incidencia.
Para ello se ha utilizado un equipo de medida de la reflectancia en
ángulo variable como el descrito en ("Measurement of photonic mode
dispersión and linewidths in
silicon-on-insulator photonic
crystal slabs", Galli, M.; Bajoni, D.; Belotti, M.; Paleari, F.;
Patrini, M.; Guizzetti, G.; Gerace, D.; Agio, M.; Andreani, IC.;
Peyrade, D.; Chen, y. selected areas in communications, ieee Journal
on volume 23, issue 7, july 2005 page(s): 1402 - 1410).
En este aparato de medida el dispositivo es
iluminado mediante una lámpara de amplio espectro que se focaliza a
través de un objetivo 10x (apertura numérica NA = 0.26) formando un
ángulo variable con la normal a la muestra. El sistema experimental
está compuesto por dos discos acoplados. Dichos discos se deslizan
de forma independiente sobre distintos sistemas de rodamientos,
controlando la muestra y el detector. Las medidas de reflectancia y
transmisión se realizan en una configuración
\theta-2\theta variando la posición angular
\theta de la muestra y la del detector (2\theta) en pasos de
10º. El control angular de ambos brazos se realiza de forma
automatizada.
Se representan en la Figura 3 este tipo de
medidas para las polarizaciones TE y TM (modos transversal eléctrico
y transversal magnético respectivamente) en los paneles a y c.
Además se representan el mismo tipo de medidas realizadas en la
misma lámina pero en una zona sin cavidades (paneles b y d). Se
puede observar cómo los espectros de reflectancia para ambos tipos
de lámina (con y sin cavidades) son claramente diferentes, para cada
longitud de onda y para cada ángulo de incidencia.
En la Figura. 4 se representa la medida de la
transmisión en la misma lámina para las polarizaciones TE y TM. Para
poder realizar estas medidas ha sido necesaria la preparación de la
lámina perforada como se ha indicado. Se observa cómo los espectros
de transmisión para los dos tipos de lámina (con y sin cavidades)
son claramente diferentes, para cada longitud de onda y para cada
ángulo de incidencia. Esto significa que la lámina con cavidades
transmite la luz de una forma diferente a la lámina sin cavidades,
para cada longitud de onda y para cada ángulo de incidencia. De esta
forma un dispositivo situado inmediatamente por debajo de esta
lámina podría funcionar de forma más eficiente, si el diseño de la
red de cavidades es óptimo, ya que se puede introducir luz para
ángulos o longitudes de onda diferentes a los de un material
homogéneo e isótropo, que viene dados por la ley de Snell.
Se detalla un segundo ejemplo de dispositivo que
consiste en una célula solar con una lámina de material InGaP
modificado con una red ordenada de cavidades. La célula solar es un
sustrato de germanio (Ge) de espesor 150 \mum, con orientación
cristalina (111) y desorientación de 6º. Sobre este sustrato se ha
depositado una lámina de fosfuro de galio e indio (InGaP) depositada
mediante deposición química en fase vapor a partir de fuentes
metal-orgánicas (MOCVD). La lámina de InGaP tiene un
espesor de 900 nm y está dopada tipo-p mediante Zn con una
concentración de portadores de p = 1 x 10^{18} cm^{-3}.
Sobre este material se han realizado unos contactos eléctricos
mediante una tecnología de contactos óhmicos basados en Au. La
célula consta de una superficie expuesta a la luz sin Au rodeada de
una zona cubierta por Au que actúa como contacto eléctrico. La Fig.
5 muestra una fotografía de una célula solar como la descrita. El
diámetro de la superficie expuesta es de unos 1,6 mm.
La red de cavidades se realiza como se indica a
continuación. Sobre la capa de InGaP se deposita una resina sensible
a los electrones (PMMA A-4 950K, Microchem) y se
realiza una litografía por haz de electrones para definir una red
periódica de simetría triangular con círculos de radio 200 nm y
separación 600 nm. Para cubrir un área extensa se utilizan campos de
litografía de forma cuadrada de unas 200 x 200 \mum^{2}
separados entre sí unas 20 \mum. Una vez revelada de la misma
forma que lo detallado anteriormente, se realiza la indentación de
las cavidades mediante haces de iones reactivos (RIBE) utilizando Ar
acelerado a 500 eV. La profundidad alcanzada es de 200 nm. La Fig. 6
muestra una fotografía del dispositivo fabricado. La Fig. 7 muestra
otra fotografía mediante microscopía de haz de electrones del mismo
dispositivo realizado, a una ampliación mayor.
Se han obtenido medidas de la curva
intensidad-voltaje (I-V) y de la
eficiencia cuántica externa (EQE) del dispositivo fabricado.
La curva I-V medida sobre el
dispositivo célula solar-lámina InGaP modificada con
red de cavidades no cambia respecto a la curva I-V
célula solar. Esto indica que la célula solar no sufre ningún daño
en sus propiedades eléctricas debido al proceso de fabricación de
las cavidades de la lámina InGaP depositada en su superficie.
La eficiencia cuántica (EQ) es una medida muy
importante en células solares ya que proporciona información sobre
la cantidad de corriente que da una célula solar cuando se ilumina
con luz de una determinada longitud de onda. La eficiencia cuántica
externa (EQE) se define como el número de electrones por segundo que
produce el dispositivo dividido entre el número de fotones por
segundo que incide en el mismo. La Fig. 8 muestra una imagen de la
curva EQE medida sobre una célula solar con lámina de InGaP
modificada con la red de cavidades y una célula solar sin lámina de
InGaP a temperatura ambiente. Como se observa, para el primer caso,
la curva EQE es entre un 10% y un 20% mayor, en un amplio rango
espectral. Esto indica que el dispositivo que consiste en una célula
solar con una lámina de InGaP modificada con una red ordenada de
cavidades convierte la luz a electrones con mayor eficiencia que sin
ella, que es el objetivo que se pretende demostrar en esta
patente.
Claims (13)
1. Uso de material modificado en su topografía
superficial mediante la fabricación de una red de cavidades rellenas
de otro material con un índice de refracción diferente, en
dispositivos para la generación de corriente eléctrica a partir de
una luz incidente.
2. Uso del material según reivindicación 1
caracterizado por que la red de cavidades del material están
rellenas de aire con índice de refracción igual a 1.
3. Uso del material según las reivindicaciones
anteriores caracterizado por ser un material
semiconductor.
4. Uso del material según la reivindicación 3
caracterizado por ser un material semiconductor
III-V.
5. Uso del material según la reivindicación 3
caracterizado porque el material semiconductor es InP, o bien
InGaP.
6. Uso del material según las reivindicaciones
anteriores en el que las cavidades están espaciadas regularmente en
forma de red bidimensional.
7. Uso del material según la reivindicación 5
caracterizado porque las cavidades están separadas al menos
50 nm entre sus centros.
8. Uso del material mencionado en la
reivindicaciones anteriores en células solares, fotodetectores y
aparatos termofotovoltáicos.
9. Dispositivo caracterizado porque
comprende el material mencionado en las reivindicaciones
1-6 y una célula solar, de forma que el material se
deposita sobre la superficie de la célula solar.
10. Dispositivo según la reivindicación 8
caracterizado porque la célula solar es un sustrato de
Germanio (Ge) y la lámina de material depositado en su superficie es
de fosfuro de Galio e Indio (InGaP).
11. Dispositivo caracterizado porque
comprende el material mencionado en las reivindicaciones
1-6 y un fotodetector, de forma que el material se
deposita sobre la superficie del fotodetector.
12. Dispositivo caracterizado porque
comprende el material mencionado en las
reivindicaciones1-6 y un aparato
termo-fotovoltaico, de forma que el material se
deposita sobre la superficie del aparato.
13. Dispositivo caracterizado por ser una
célula solar o fotodetector en el que se ha modificado la
topografía superficial del mismo según las características del
material mencionado en las reivindicaciones 1-6.
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2009
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| HONSBERG, C. & BARNETT, A.: "{}Light trapping in thin film GaAs solar cells"{}. PROCEEDINGS OF THE PHOTOVOLTAIC SPECIALISTS CONFERENCE, NUEVA YORK, IEEE, US. 07.10.1991, Vol. CONF. 22, páginas 262-267. ISBN 978-0-87942-636-1; ISBN 0-87942-636-5. * |
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