Tesis doctoral de Irene Aguilera Bonet
Hoy en día, los materiales de banda intermedia representan una de las propuestas más prometedoras en la búsqueda de células solares más eficientes y de menor coste. En esta tesis presentamos un estudio de semiconductores sustituidos con metales de transición basado en sus propiedades optoelectrónicas. Estos materiales se propusieron como absorbentes de alta eficiencia para células fotovoltaicas de banda intermedia, ya que presentan una banda estrecha parcialmente llena alojada en la banda prohibida del semiconductor base. Esta banda permite la absorción de fotones con energías menores que la banda prohibida del semiconductor original, lo que podría en principio incrementar la fotocorriente de una célula, produciendo un importante efecto en su rendimiento. debido a la escasez de resultados experimentales de este tipo de materiales, es necesario, para la correcta comprensión de la formación de la banda intermedia, estudiar sus propiedades teóricamente para predecir su idoneidad para aplicaciones fotovoltaicas de alta eficiencia. Nuestro objetivo es describir y predecir mediante métodos ab initio estas propiedades y especialmente la contribución de la nueva banda a la absorción. Para este fin, es necesaria una descripción precisa de la estructura electrónica del sistema. Primero, una aproximación inicial a las propiedades del material se consigue mediante la teoría del funcional de la densidad y ello nos da una idea sobre la posibilidad de la formación de la banda intermedia, lo que nos permite descartar algunos de los candidatos originales. Dado que los métodos del funcional de la densidad no dan la precisión necesaria para obtener a continuación propiedades de estados excitados, será necesario el uso de otros métodos ab initio avanzados. Este trabajo se centrará así, en la comprensión y el análisis detallado del comportamiento electrónico y óptico de materiales de banda intermedia con diferentes aproximaciones teóricas, y la comparación entre ellas, en particular se compararán los resultados de las metodologías gw con los de la teoría del funcional de la densidad. se prestará especial atención a las propiedades ópticas de tres familias de materiales: derivados de semiconductores iii-v (gap), derivados de la calcopirita cugas2, y derivados de algunas tio-espinelas (in2s3, mgin2s4 y cdin2s4). Los espectros de absorción de todos estos compuestos tras realizar la sustitución con el metal de transición, presentan un incremento significativo en el rango de energías de emisión solar, gracias a las transiciones que involucran a la banda intermedia. Como material para validar el concepto de banda intermedia, el si dopado con ti será analizado como contribución a esta tesis. // intermediate-band materials represent nowadays one of the most promising proposals in the quest for more efficient, lower-cost solar cells. In this thesis we present a deep study of transition-metal substituted semiconductors based on their optoelectronic properties. These materials were proposed as high efficiency photovoltaic absorbers for intermediate-band solar cells for showing a partially-filled band placed inside the band gap of the parent semiconductor which enables the absorption of photons with energies lower than the band gap. This additional absorption could in principle increase the photocurrent of a cell, producing a significant effect on its performance. due to the scarcity of experimental results of these materials, it is necessary for the proper understanding of the intermediate band formation, to study their properties theoretically in order to predict their suitability for high efficiency photovoltaic purposes. Our aim is to describe and predict by ab initio methods their properties and especially the contribution of the new intermediate band to their absorption. For that purpose we need a precise description of the electronic structure of the systems. First, an initial approximation to the properties of the material is obtained within density functional theory and that gives us an idea of the possibility of formation of the intermediate band, allowing us to rule out some of the original candidates. But since density functional methods do not give the precision we will further need to obtain the excited-states properties, the use of other advanced ab initio methods is necessary. This work is thus devoted to understanding and analyzing in depth the optical and electronic behavior of intermediate-band materials with different advanced theoretical approaches and the comparison of several first-principles methods, in particular we will compare gw results with those of density functional theory. a special attention is paid to the optical properties of three families of intermediate-band materials: those derived from a iii-v semiconductor (gap), derivatives of chalcopyrite cugas2, and derivatives of some thiospinels (in2s3, mgin2s4 and cdin2s4). Absorption spectra of all these compounds show a significant increase across the solar spectrum range, due to the transitions in which the intermediate band takes part. As a material to assess the intermediate-band concept, ti-doped silicon will be analyzed as a contribution to this thesis.
Datos académicos de la tesis doctoral «Caracterización optoelectrónica por métodos ab-initio avanzados de nuevos materiales fotovoltaicos de banda intermedia.«
- Título de la tesis: Caracterización optoelectrónica por métodos ab-initio avanzados de nuevos materiales fotovoltaicos de banda intermedia.
- Autor: Irene Aguilera Bonet
- Universidad: Politécnica de Madrid
- Fecha de lectura de la tesis: 05/07/2010
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Perla Wahnón Benarroch
- Tribunal
- Presidente del tribunal: Antonio Luque lópez
- julio alfonso Alonso martín (vocal)
- rex william Godby (vocal)
- José Carlos Conesa cegarra (vocal)