Síntesis y caracterización de las películas delgadas de CuIn1-xGaxSe2 e In2Se3 para ser usadas en la fabricación de celdas solares tipo tándem

En el presente trabajo de tesis doctoral se sintetizaron, caracterizaron y estudiaron los compuestos de CuGaSe2, Cu(In,Ga)Se2 y γ-In2Se3, optimizando sus propiedades para ser usados como capas absorbentes y buffer para ser usadas en celdas solares tipo tándem. Se estableció el dispositivo experimental adecuado para la preparación de las películas delgadas de los materiales mencionados, y a través de medidas de UV-VIS-NIR, difracción de rayos X y microscopía de fuerza atómica y perfilometría en 2D, se encontraron los parámetros de síntesis que aseguran para los materiales propiedades óptimas en términos de bandgap, espesor de película y coeficiente de absorción fotónica. A partir de las medidas de transmitancia, AFM y XRD se encontró evidencia para postular que el crecimiento de películas delgadas de γ-In2Se3 sobre CuGaSe2 da lugar a la formación del compuesto CuIn3Se5 (denominado compuesto ODC) en la interfaz del sistema CuGaSe2/ γ-In2Se3. En la parte final del trabajo, Se fabricaron celdas solares basadas en CuGaSe2 con eficiencias mayores del 6% usando el compuesto In2Se3 crecido por co-evaporación como capa buffer. / Abstract. Within this doctoral thesis CuGaSe2, Cu(In, Ga)Se2 and γ-In2Se3 thin film semiconductor compounds were synthesized, characterized and studied, optimizing their properties for use as absorbent layers and buffer to be used in tandem solar cells. Experimental device was set suitable for the preparation of thin films of these materials, and through UV-VIS-NIR, X-ray Diffraction, Atomic Force Microscopy and 2D profilometry measurements optimal synthesis parameters were determined, thus ensuring the best properties for materials in terms of bandgap, film thickness and photon absorption coefficient. All properties was thoroughly analyzed and discussed. Transmittance, AFM and XRD measurements gave sufficient evidence to postulate that the growth of thin films on CuGaSe2 γ-In2Se3 results in the formation of the intermediate compound CuIn3Se5 (called composite ODC) in the system interface CuGaSe2 / γ - In2Se3. The nature and relevance of such intermediate compound was discussed. At the end of work, solar cells were fabricated based on CuGaSe2 absorber film with efficiencies greater than 6% using the compound In2Se3 as buffer layer, grown by co-evaporation.Doctorad

State of the art of solar cells technology based on III-V semiconductors

En años recientes se observa un notable desarrollo de materiales y diseños de celdas solares destacándose particularmente las multijunturas basadas en semiconductores III-V, que configuran los dispositivos fotovoltaicos de la más alta eficiencia de conversión energética lograda hasta el momento. En esta tecnología, hemos observado la transición entre el estándar de tres junturas basado en materiales ajustados en el parámetro de red hacia arquitecturas basadas en materiales cuya energía de gap permite un mejor ajuste al espectro solar. Las estrategias abordadas son básicamente dos: i) utilizar materiales de composición graduada que posibilitan la ingeniería del gap accediendo a valores del mismo más apropiados para la absorción del espectro solar; ii) la unión de estructuras de semiconductores ajustados en el parámetro de red pero crecidas sobre sustratoscristalinos diferentes. Estas estrategias lograron sucesivamente los últimos récords en la eficiencia de conversión, llegando recientemente al diseño de un dispositivo de 6 junturas con una eficiencia de 47,1% a 143 soles de concentración. La tecnología de multijunturas III-V, ya consolidada en el mercado espacial y con productos comerciales para aplicaciones terrestres, emerge como candidata a ocupar un lugar de relevancia en un mercado dominado por la tradicional tecnología basada en el Si cristalino.In recent years, a noticeable development of materials and designs of lab level solar cells is observed. Among the emergent technologies, III-V based multijunctions highlight particularly, and configure the highest efficiency conversion photovoltaic devices ever accomplished. Inside this technology, we witnessed the transition between the standard 3-junction devices based on lattice matched materials towards architectures based on materials whose band gap allows a better match to the solar spectrum. The strategies addressed are basically two: i) the utilization of compositional graded materials, that allow the gap engineering to approach values closer to the ideal to the solar spectrum absorption; ii) bonded lattice matched semiconductor structures grew on different crystalline substrates. These strategies achieved the last successive records on the conversion efficiency, reaching recently up to the design of a 6-junction device with an efficiency of 47.1% at 143 suns of concentration. The III-V multijunction technology, already consolidated in the space market and with commercial products for terrestrial applications, emerges as a candidate to take a relevant role in a global market dominated by the traditional technology based on crystalline Si.Fil: Pla, Juan Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Constituyentes | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Constituyentes.; Argentina. Comision Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Investigación y Aplicaciones no Nucleares. Gerencia Física (CAC). Grupo Energía Solar; Argentin

Morphology and thermal stability of alf3 on Cu(100) thin films

Se estudió el crecimiento de películas epitaxiales ultra-delgadas de fluoruro de aluminio en Cu (100) mediante una combinación de técnicas experimentales de física de superficies. La deposición a temperatura ambiente resulta en la decoración de escalones seguida por la formación de islas dendríticas bidimensionales que coalescen para formar películas porosas. Las películas ultra-delgadas (de hasta dos monocapas de espesor) resultan morfológicamente inestables al calentar; parte de la película deja de mojar la superficie del sustrato a alrededor de 430 K con la formación de islas tridimensionales y dejando expuesta un área extensa de la superficie de Cu. En cambio, películas de varios nanómetros de espesor son estables hasta temperaturas cercanas a los 730 K cuando ocurre la desorción molecular. El efecto de la irradiación electrónica también ha sido caracterizado mediante diferentes técnicas espectroscópicas; encontrando que incluso dosis de irradiación reducidas de electrones pueden producir una descomposición significativa del fluoruro de aluminio, resultando en la liberación de moléculas de flúor y la formación de aluminio metálico. Estas características hacen del fluoruro de aluminio un material interesante para aplicaciones en espintrónica.Fil: Ruano Sandoval, Gonzalo Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Moreno López, Juan Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Passeggi, Mario Cesar Guillermo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Vidal, Ricardo Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Ferron, Julio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Niño, M. A.. Universidad Autónoma de Madrid; EspañaFil: Miranda, R.. Universidad Autónoma de Madrid; EspañaFil: de Miguel, J. J.. Universidad Autónoma de Madrid; Españ

Caracterízación eléctrica de nano-mosfets en tecnología SOI

MOS technology has made a huge economic impact and has caused a major expansion in different areas of technology worldwide (e.g. smart phones, tablets, laptops, memories, etc.), all of which have positioned this technology as the most important in the micro and nanoelectronics field. Over the years, MOS technology has improved in design and performance and has progressively decreased the size of the devices. All these achievements involved extensive research efforts to maintain high quality and low manufacturing costs. Chapter 1 of this thesis examines the fundamentals of MOS technology, classification, structure and operating principles. The improvements in the devices and the reduction of its dimensions, although very beneficial, also present new challenges for designers. These challenges are due to effects, previously neglected, that become relevant at the new working nanometric scales such as the short channel effect and the increase of the gate leakage current. These effects are explained along with the solutions that have been proposed to solve them, e.g. SOI technology and the replacement of the insulator dielectric. Subsequently, the issue of electrical characterization is addressed and in Chapter 2 a description of the methodology used to identify the important parameters of the devices is presented. The goal is to perform an extensive electrical characterization, with little distortion and greater reliability, of MOSFET devices with ultra thin architecture for high speed and low power consumption applications. Furthermore, this thesis presents in Chapter 3 the experimental results obtained for FD SOI MOSFET devices and the comparison of electrical parameters of the different dielectrics utilized. Later, a discussion of the results is presented in Chapter 4 and an analysis of whether or not their behavior is in accordance with the theory and scientific literature. Finally, Chapter 5 summarizes the conclusions reached through the characterization and analysis of the electrical parameters and at the same time it evokes certain challenges and difficulties to be considered in future research.La tecnología MOS ha causado un enorme impacto económico y una gran expansión de diferentes áreas de la tecnología a nivel mundial (por ejemplo los teléfonos inteligentes, tabletas, laptops, memorias, entre otros), todo ello la ha posicionado como la más importante en el campo de la micro y nanoelectrónica. Esta tecnología ha mejorado en diseño y desempeño con el paso de los años y progresivamente ha disminuido las dimensiones de los dispositivos. Estos avances han implicado grandes esfuerzos de investigación para mantener una alta calidad y un bajo costo de fabricación. En el Capítulo 1 de esta tesis se examinan los fundamentos de la tecnología MOS, su clasificación, estructura y principios de funcionamiento. Las mejoras en los dispositivos y la reducción de sus dimensiones, aunque muy beneficiosos, también presentan nuevos retos para los diseñadores. Estos retos se deben a efectos, antes despreciados, que se vuelven relevantes a las nuevas escalas nanométricas de trabajo como el efecto de canal corto y el aumento de la corriente de fuga de la compuerta. Estos efectos son explicados juntamente con las soluciones que se han planteado para compensarlos, por ejemplo la tecnología SOI y el reemplazo del dieléctrico aislante. A continuación, se aborda el tema de la caracterización eléctrica y en el Capítulo 2 una descripción sobre la metodología utilizada para identificar los parámetros importantes de los dispositivos. El objetivo es realizar una extensa caracterización eléctrica, con poca distorsión y mayor fiabilidad, de dispositivos MOSFET con arquitectura ultra delgada para aplicaciones de alta velocidad y bajo consumo de potencia. Consecutivamente, esta tesis presenta en el Capítulo 3 los resultados experimentales obtenidos para dispositivos MOSFET SOI FD y la comparación de los parámetros eléctricos hallados entre los distintos dieléctricos utilizados. Posteriormente, se presenta una discusión de los resultados en el Capítulo 4 y se analiza si su comportamiento se encuentra en conformidad con la teoría y literatura científica. Finalmente, en el Capítulo 5 se sintetizan las conclusiones alcanzadas a través de la caracterización y análisis de los parámetros eléctricos extraídos, al mismo tiempo que se evocan ciertos retos y dificultades que deberán considerarse en investigaciones futuras

Estudio de materiales fotosensibles e hidruros : Su aplicación a dispositivos electrónicos y reservorios de hidrógeno

En este trabajo se muestra el estudio realizado sobre materiales que serán utilizados en el diseño de una celda solar para su aplicación en el ciclo de producción de hidrógeno, también en este contexto se han estudiado compuestos capaces de almacenar el hidrógeno producido, de manera de cerrar el círculo propuesto de generación y almacenamiento de hidrógeno. En la primera etapa, se realizó el estudio de materiales semiconductores mediante primeros principios, con esta herramienta se estudiaron las propiedades electrónicas de los sistemas M:TiO2 (donde M: metales de transición 3d). En la segunda etapa, se llevó a cabo la modelización de una celda solar multijuntura, empleando los materiales obtenidos en la primera etapa. Mediante el diseño propuesto de la estructura de la celda solar se logró una eficiencia del 10% para la producción del hidrógeno. Finalmente, en la tercera y última etapa, una vez obtenido el hidrógeno, se realizaron estudios para determinar cuáles serían los materiales más viables para retener y liberar el H. Con esta finalidad, se estudiaron series de hidruros binarios y ternarios, con diferentes estructuras cristalinas, para determinar que compuesto presenta una mejor perspectiva para el almacenamiento de H.Facultad de Ingenierí

Dispositivos electrónicos

Este texto presenta los fundamentos de los Dispositivos Electrónicos básicos, principio físico de funcionamiento y aplicación en circuitos simples. El Capítulo 1 trata al Diodo, dispositivo semiconductor básico, no lineal, sus características y limitaciones de funcionamiento y el estudio de modelos eléctricos equivalentes lineales que permitan utilizar técnicas de análisis de circuitos en circuitos simples. El Capítulo 2 trata al Transistor Bipolar de Unión. Extendiendo el conocimiento logrado en el estudio del Diodo se interpreta el funcionamiento físico de este dispositivo más complejo. Además de su operación en régimen de corriente continua se incorpora el concepto de amplificación de una señal eléctrica, analizando distintos tipos de amplificadores y modelos equivalentes. El Capítulo 3 trata al Transistor de Efecto de Campo MOSFET componente electrónico de aplicación en electrónica digital y base de toda la tecnología actual. El Capítulo 4 estudia dispositivos cuyo funcionamiento se basa en la acción de radiación luminosa. El Capítulo 5 introduce a los Dispositivos Electrónicos de Potencia usados como conmutadores en sistemas de control y conversión de la energía eléctrica.Facultad de Ingenierí

Las maquinas tuneleras tipo “TBM” como alternativa al sistema de perforación y voladura para la excavación de tuneles caso: desarrollo de tuneles en Yuncan

El sistema de “Perforación y Voladura”, aplicado a la excavación de túneles, viene siendo reemplazado por una variedad de tipos y tamaños de máquinas tuneleras (TBMs, Tunnel Boring Machines); como producto del avance tecnológico, exigencias de productividad y control ambiental, escenarios al que el Perú no está ajeno. El presente estudio, pretende ser un marco de referencia para la selección del sistema más conveniente de excavación, bajo una longitud mínima que justifique su aplicación.-- Drilling and Blasting system applied to tunnels excavation is being gradually replaced around the world for different types and sizes of tunnel boring machines (TBMs). This change occurs due to technical advances, productivity demands and environmental restrictions, and Peru doesn´t keep out of this development. This research is addressed to select the most advantageous excavation system, considering the minimum excavation length in order to justify its applicability.Tesi

Preparación de materiales fotovoltaicos orgánicos y estudio de propiedades de transporte eléctrico usando espectroscopia de impedancia

En este trabajo se hizo especial énfasis en el estudio de propiedades de transporte eléctrico de películas delgadas de compuestos usados como capa transportadora de huecos y como capa activa en celdas solares orgánicas, así como también de dispositivos con estructura ITO/X/Y/M, donde X representa la capa transportadoras de huecos (PEDOT:PSS ó s-CuPC), Y corresponde a la capa activa ( P3HT, PCBM ó P3HT:PCBM) y M es el cátodo que actúa como contacto superior (Ag ó Al ). El estudio se realizó usando la técnica de espectroscopía de impedancia y los resultados fueron evaluados a través de un modelo de circuito equivalente propuesto en este trabajo para celdas solares orgánicas tipo Bulkheterojunction (BHJ). Los valores de elementos del circuito de interés fueron obtenidos mediante ajuste de curvas experimentales de impedancia con curvas simuladas empleando el “Software EIS Analyzer”. Se confirmó que el P3HT forma una barrera Schottky con aluminio, mientras el PCBM y el P3HT:PCBM forman contacto óhmico con este metal. El PEDOT:PSS bloquea selectivamente el paso de electrones hacia el ánodo mientras s-CuPC forma un par donor-aceptor con el PCBM y no es posible determinar si bloquea el transporte de electrones hacia el ánodo. Se comparó las propiedades eléctricas de P3HT fabricado a partir de una solución de clorobenceno que es usada convencionalmente, con P3HT fabricado usando nuevas solventes ( xileno, y mesitileno), siendo este último el que permite obtener movilidades más altas. Además se estableció que las propiedades eléctricas de películas de la mezcla P3HT:PCBM se pueden mejorar aumentando la presión parcial dentro del sistema de spin coating durante la formación de las películas. Por último se confirmó que la exposición de P3HT al aire genera dopado pero deteriora la movilidad de portadores de carga.Abstract: In this work special emphasis was made about the study of electrical transport properties of thin films of materials, employed as hole transport and absorbent layers in organic solar cells, as well as devices with ITO/X/YM structure where X is the hole transport layer (PEDOT:PSS ó s-CuPC), Y is the absorbent layer (P3HT, PCBM ó P3HT:PCBM) and M is the cathode, acting also as top electrical contact (Ag or Al). This work was carried out using impedance spectroscopy and the results were evaluated using equivalent circuit model, proposed for bulkheterojunction (BHJ) organic solar cells. Values of circuit elements of interest were obtained by fitting of the impedance experimental curves with those simulated by a software (EIS Analyzer). It was confirmed that P3HT forms a Schottky barrier when put in contact with aluminium while PCBM and the blend P3HT:PCBM forms ohmic contacts with this metal. The PEDOT:PSS thin film selectively blocks the transference of electrons toward the anode while s-CuPC forms a donor-aceptor par with PCBM and it is not possible to determine if it blocks the electron transport toward the anode. The electrical properties of P3HT made from precursor solution based in chlorobenzene, that is in general used, with P3HT made using new solvents (o-xylene and mesytilene) obtaining better electrical properties when mesytilene is used. Also it was noticed that the electrical properties of P3HT:PCBM thin films can be improved by increasing the system pressure during the deposition of thin films by spin coating. Finally it was confirmed that the contact of P3HT with air increases the doping but the mobility in the material decreases.Maestrí

Estudio del efecto de estrés térmico y eléctrico en dispositivos electrónicos a través de mediciones de ruido de baja frecuencia.

En este trabajo de titulación se estudió el efecto del estrés térmico y eléctrico en dispositivos semiconductores de potencia a través de mediciones de ruido de baja frecuencia. Como parte de la metodología se describen los pasos del diseño experimental partiendo desde establecer los requerimientos de estrés que se debe aplicar sobre dispositivos para evidenciar la presencia de ruido de baja frecuencia. Para cumplir los requerimientos de estrés las herramientas de software y hardware seleccionadas fueron una fuente de tensión variable hasta 1200V diseñada para la aplicación de estrés eléctrico, un módulo de temperatura compuesto por un mini calentador y un módulo de control diseñado para la aplicación de estrés térmico junto con el analizador de parámetros Keithley 4200-SCSn para la caracterización corriente-voltaje y un sistema de medición de ruido de baja frecuencia para caracterización de canales conductivos en dispositivos electrónicos. El diseño experimental se compone de cinco etapas: Catalogación y selección de dispositivos, Caracterización Tensión–Corriente, Medición de ruido de baja frecuencia, Pruebas de estrés térmico y eléctrico y Estadística para la fiabilidad en los dispositivos. Los resultados indican un mayor nivel de ruido flicker después de la aplicación del estrés que se relacionan con cambios en el voltaje de umbral producto del estrés aplicado, correlacionando directamente dichos parámetros. Mediante estos resultados obtenidos, y la información consultada acerca del estado del arte relacionado a la fiabilidad en dispositivos semiconductores, se puede inferir que sobre los dispositivos bajo prueba se ha activado un mecanismo de degradación conocido como “contaminación iónica”.In this degree work, the effect of thermal and electrical stress on power semiconductor devices was studied through low-frequency noise measurements. As part of the methodology, the experimental design steps are described starting from establishing the stress requirements that must be applied to devices to demonstrate the presence of low-frequency noise. To accomplish the stress requirements, the selected software and hardware tools were a variable voltage source up to 1200V designed for the application of electrical stress, a temperature module composed of a mini heater and a control module designed for the thermal stress application together with the Keithley 4200-SCSn parameter analyzer for current-voltage characterization, and a low-frequency noise measurement system for characterization of conductive channels in electronic devices. The experimental design consists of five stages Cataloging and device selection, Voltage-Current Characterization, Low-frequency noise measurement, Thermal and electrical stress tests, and Statistics for device reliability. The results indicate a higher level of flicker noise after the application of stress related to changes in the threshold voltage, as a result of the applied stress, directly correlating these parameters. Through these obtained results, and the information consulted about the state of the art related to reliability in semiconductor devices, it can be inferred that a degradation mechanism known as "ionic contamination" has been activated on the devices under test

Estudio de las propiedades físicas del TiO2:Co como un semiconductor magnético diluido para aplicaciones en espintrónica

Este trabajo presenta un studio de las propiedades estructurales, morfológicas, eléctricas y magnéticas de películas delgadas fabricadas por DC “magnetrón co-sputtering” y nanotubos obtenidos por anodizado electroquímico de TiO2:Co. A partir de medidas de XRD, XRD y Raman se identificaron los polimorfos de TiO2 rutilo y anatasa, de acuerdo a los métodos de fabricación. Adicionalmente, se observó a partir de las medias de AES y RBS, que la temperatura ambiente y recocido posterior en las películas, permitió la difusión del Co dentro de la matriz semiconductora, Micrografías SEM, AFM, Y MFM evidenciaron la formación de pequeños granos sin la formación de dominios magnéticos en la superficie. Las medidas magnéticas mostraron un comportamiento como un ferromagnético de las películas delgadas y de los nanotubos de TiO2:Co asociado a la presencia de una curva de histéresis. Se asoció la histéresis a la combinación de interacciones dipolares y de super intercambio de acuerdo al modelo planteado, donde la simulación se realizó considerando momentos magnéticos aislados diluidos en una matriz no magnética. Los resultados experimetnales y teóricos indican que las nanoestructuras de TiO2:Co son un material semiconductor magnético diluido para aplicaciones espintrónicas. De acuerdo a lo anterior, se realizó la funcionalización de las nanoestructuras de TiO2:Co como memorias no volátiles. En este trabajo se propone un modelo para la formación de filamentos conductores asociados a la redistribución de portadores de carga, la contribución del Co y las vacancias de oxígeno en los nanotubos y las películas delgadas, en comparación con el proceso redox propuesto por otros autores hara la descripción de las memorias no volátiles. El fenómeno de magneto-resistencia presente en las curvas I-V afecta las regiones de escritura y borrado en memorias basadas en nanotubos y películas delgadas, cuando se aplica un campo magnético externo.Abstract: This work presents a study of the structural, morphological, electrical and magnetic properties of TiO2:Co thin films deposited by DC magnetron co-sputtering and nanotubes by electrochemical anodization varying the concentration of the Co and TiO2. From XRD, XRD and Raman measurements the identification of TiO2 polymorphus (Rutile and Anatase phases) was observed according to the deposition process. Additionally, when the substrate is kept at room temperature and when an in situ annealing process is applied, the random segregation Co ions was identified through the AES and RBS techniques. SEM, AFM, and MFM micrographs evidence the formation of smaller grains without formation of the magnetic domains. Magnetic measurements show a ferromagnetic-like behavior associated to magnetic hysteresis loop. We associate the hysteresis to a combination of dipolar and super-exchange interactions as suggested by numerical simulations of isolated magnetic moments diluted into a non-magnetic matrix. Our experimental and theoretical results indicate that we have indeed fabricated dilute semiconductors and will allow cheaper ways to produce DMS for spintronic applications. Functionalization of material was realized using the thin films and nanotubes of DMS TiO2:Co for Non-Volatile Memories. This work proposes a model of the conduction by filament formation associated to re-distribution of the charge carriers and contribution of Co impurities on wall bound of nanotubes and thin films, in comparison with the redox process reported in the literature. Magneto-resistance phenomena in the I-V curves affects the write and erase region of the RRAM based on nanotubes, when magnetic field was applied.Doctorad