Sistema para el mapeo de la eficiencia de superficies fotovoltaicas bajo condiciones de irradiación solar.

Permite obtener imágenes de eficiencia fotoconversora de superficies fotovoltaicas, con alta resolución espacial y bajo condiciones de irradiación semejantes a radiación solar.

Se basa en el barrido sistemático de la superficie activa a estudiar con un haz de fotones, -monocromático, altamente focalizado y con una distribución gaussiana de la energía-, al tiempo que se mide la corriente eléctrica generada. La representación de la corriente generada en función de la posición de incidencia del haz fotónico genera un mapa de eficiencias fotoconversoras. Para excitar la superficie activa bajo condiciones asimilables a la irradiación solar, se utilizan tres láseres como fuentes de excitación, que emiten en las zonas roja, verde y azul del espectro electromagnético.

Es de aplicación en el estudio de dispositivos fotovoltaicos.

Sistema y procedimiento para el mapeo de la eficiencia de superficies fotovoltaicas bajo condiciones de irradiación solar.

Sector industrial Industria foto-electrónica, foto-óptica y fotovoltaica.

Generalidades Cuando un dispositivo con una superficie fotoactiva es irradiado por un haz de fotones, una parte de los fotones incidentes son absorbidos por el dispositivo, otra parte son trasmitidos a su través y otra parte son reflejados bien especular o bien difusamente. A su vez, de los fotones que son absorbidos una parte da lugar a la generación de calor y otra parte genera una transformación de las propiedades electrónicas foto-dependientes del material, dando lugar a lo que se denominan procesos fotoconversores. Estas propiedades foto-dependientes pueden ser caracterizadas eléctricamente tanto si son de tipo activo (p.e. fotovoltaje) como si lo son de tipo pasivo (p.e. fotoconducción) .

Si la superficie activa presenta unas propiedades fotoconversoras heterogéneas, la irradiación selectiva de dicha superficie con un haz de fotones de intensidad constante, dará lugar a diferentes valores de las propiedades eléctricas foto-dependientes lo que permite la caracterización de la homogeneidad, pureza y eficacia conversora de la superficie activa del material. La medida regular y estructurada de porciones superficiales contiguas, formando un patrón matricial bidimensional, permitirá la elaboración de un mapa de las características fotoconversoras de la superficie cubierta en el barrido. De esta forma, el haz de fotones se convierte en una sonda indicadora de las propiedades de fotoconversión.

Cuanto más pequeña sea la superficie irradiada por el haz de fotones, es decir, cuanto menor sea el tamaño del haz incidente sobre la superficie activa, tanto más pequeñas serán las heterogeneidades que es posible detectar y mejor será la resolución espacial con la que pueden confeccionarse los mapas de características superficiales. Es por ello que una óptima focalización puntual del haz de fotones incidentes es la condición imprescindible para la confección de mapas de alta resolución.

La utilización de láseres como fuentes de irradiación es una solución muy adecuada ya que debido a su emisión altamente monocromática, en forma de haz paralelo con una mínima divergencia y con una distribución gaussiana de la potencia en el modo TEM00 permite su focalización con una alta eficiencia y de acuerdo con patrones matemáticos. Sin embargo, la utilización de radiación monocromática implica que los mapas característicos obtenidos son representativos únicamente del comportamiento del sistema frente a la longitud de onda de dicha radiación. Pero si la misma región superficial es estudiada mediante in sistema de irradiación policromático que abarque la zona del espectro visible, es posible elaborar mapas del comportamiento del material activo en una situación de iluminación equivalente a luz blanca. El sistema mínimo que proporciona esta información es un modelo de irradiación tricromático rojo-verdeazul, con el cual es posible la elaboración de mapas característicos asociados a la longitud de onda de cada color (λR, λVy λA) y, por una combinación adecuada de ellos, elaborar mapas del comportamiento del material activo en una situación de iluminación aproximada a la luz blanca. Para ello es preciso evaluar dicho comportamiento considerando la intensidad de irradiación relativa de cada una de las tres longitudes de onda que generan una luz semejante a la radiación solar. Esta metodología de trabajo es imprescindible ya que no existe ninguna fuente de luz blanca que cumpla las especificaciones de una emisión láser, especificaciones que son necesarias para la obtención de mapas de eficiencia fotoconversora de alta resolución. Este razonamiento es posible extenderlo a más de tres longitudes de onda, siempre y cuando se utilicen al menos una longitud de onda asociada a cada uno de los tres colores primarios (rojo, verde y azul) .

Estado de la técnica

En la actualidad, son muchos los dispositivos diseñados y construidos de forma que se genera una respuesta eléctrica en función de la luz que incide sobre ellos. Entre estos dispositivos debemos destacar: (a) las células solares, en cualquiera de sus modalidades, cuya función es la conversión de la radiación solar en electricidad y (b) los fotodetectores para medida de irradiación con superficie extensa, entendiendo por tal la que supera 0.25 mm2.

El proceso tecnológico para la fabricación de estos dispositivos suele ser bastante complejo. En cualquiera de los casos el proceso comprende múltiples etapas, tales como la deposición, adsorción, absorción de materiales, productos

o elementos químicos o la abrasión mediante tratamientos químicos y/o físicos, cuya calidad de aplicación afecta al comportamiento de la superficie fotoactiva final del dispositivo. La falta de homogeneidad espacial en alguno de estos procesos es la causa más común de que el dispositivo presente inhomogeneidades superficiales en su rendimiento. Así, a modo de ejemplo, si describimos un típico proceso de fabricación de una célula solar basada en una unión p-n sobre silicio, entre los subprocesos que pueden generar dependencias superficiales podemos señalar los siguientes:

(1) Crecimiento de un lingote de silicio monocristalino en condiciones de alta temperatura. En el caso de los sistemas basados en Silicio policristalino, Silicio amorfo o Silicio microcristalino es la propia naturaleza del material utilizado como base de partida la que presenta inhomogeneidades estructurales.

(2) Corte del lingote de silicio en obleas de espesores inferiores a las 500 micras,

(3) Ataque químico de la superficie de la oblea para el tallado de una estructura física antirreflectante,

(4) Difusión de átomos de fósforo a través de la superficie,

(5) Deposición de una capa superficial de una sustancia antirreflectante como el óxido de titanio y

(6) Pintado de una estructura conductora de la electricidad para la recolección de los electrones fotogenerados.

Estas diversas etapas de fabricación, que pueden considerarse como el modelo más simple de procesado, pueden verse influenciadas por una falta de homogeneidad en su ejecución, tanto a nivel macroscópico como a nivel micrométrico, afectando de forma negativa al rendimiento del dispositivo y haciendo que su rendimiento fotoconversor global sea inferior al máximo teóricamente posible.

Para detectar estas inhomogeneidades, conocer sus causas y poder aplicar remedios a las mismas, es preciso disponer de un sistema capaz de ir analizando el rendimiento punto a punto de la superficie del dispositivo fotovoltaico ya que una simple medición del rendimiento global del dispositivo no permite la detección de zonas con una eficacia zonal diferenciada. El conocimiento del rendimiento conversor espacialmente diferenciado permite su correlación con factores tan diversos como son: (a) el mal funcionamiento de alguno de los pasos del sistema productivo, (b) un mal diseño de alguno de los procesos productivos con relevancia espacial, (c) un comportamiento anómalo del sustrato de base utilizado en la fabricación, (d) la existencia de estructuras con diferente estructura cristalina en la masa activa, (e) la presencia de contaminantes zonales, etc.

En la bibliografía es posible encontrar algunos equipamientos que tienen como misión la obtención parcial de este tipo de información, basados en la utilización de un único láser de excitación. En esencia, estos equipos consisten en un conjunto de elementos ópticos cuya misión es encauzar la radiación emitida por un láser, de forma que esta incida sobre la superficie del sistema fotovoltaico a estudiar. Un dispositivo medidor de las propiedades eléctricas (corriente y/o voltaje) determina los efectos fotoeléctricos generados por el dispositivo fotovoltaico, valor que será representativo de su eficacia conversora en el punto de incidencia del láser sobre la superficie. El movimiento relativo del haz láser incidente sobre la superficie del dispositivo y la medición de los efectos fotoeléctricos generados en cada punto, permite la obtención de un conjunto de datos, correlacionables con la posición de incidencia de la radiación, que puede ser representada en forma de mapas o imágenes. La resolución espacial de estas imágenes depende de: (a) del tamaño de la zona iluminada por la radiación incidente, mejor cuanto menor tamaño, y (b) de la capacidad de desplazamiento del haz incidente sobre la superficie del dispositivo fotovoltaico, mejor cuanto menor sea el paso.

1. Sistema para el mapeo de la eficiencia de superficies foto voltaicas bajo condiciones de irradiación solar, que comprende:

a) un subsistema policromático de excitación que comprende tres fuentes de emisión láser, con emisiones en la zona del rojo, verde y azul y con potencias de emisión acordes con la emisión solar a sus respectivas longitudes de onda, b) un subsistema para medir la potencia de irradiación de cada una de los tres láseres usados como fuentes de excitación, c) un subsistema que, mediante un conjunto de obturadores y un espejo orientable, permite seleccionar cual de las tres emisiones láser va a ser la que incida sobre el material a estudiar, d) un subsistema compuesto por un conjunto de elementos ópticos, incluyendo un divisor de haz, un expansor de haz, un diafragma y una lente de focalización acromática que, interpuestos en la trayectoria de la emisión láser emergente del subsistema selector, permiten el control de su trayectoria, potencia y tamaño de haz en el punto de incidencia sobre la superficie activa, e) un subsistema de posicionamiento que permite la perfecta focalización de la radiación del láser activo sobre la superficie del material o dispositivo a estudiar, f) un subsistema de elementos electro-mecánicos que permiten posicionar y controlar, con resolución submicrométrica, el desplazamiento del material a estudiar respecto al láser activo, g) un subsistema de elementos de detección de radiación para medir la reflectancia especular y la estabilidad de la potencia del láser activo, h) un subsistema de elementos electrónicos para medir la respuesta fotoeléctrica generada por el material o dispositivo a estudiar al ser irradiada por el láser activo.

2. Un sistema, según reivindicación 1 (d) y 1 (e) , basado en una plataforma de desplazamiento motorizado y una lente acromática sujeta a dicha plataforma que, dispuesto en el tramo final del camino óptico del haz láser activo, focaliza dicho haz sobre la superficie activa a estudiar, mediante el desplazamiento controlado de la lente a lo largo del camino óptico con el concurso de un ordenador u otro dispositivo electrónico de control.

3. Un sistema según reivindicación 1, constituido por dos plataformas de desplazamiento lineal motorizado, con direcciones de desplazamiento perpendiculares entre sí y ambas perpendiculares al eje óptico de incidencia del láser activo, cada una de las cuales puede desplazarse en los dos sentidos de su dirección de movimiento, siendo controlado su movimiento mediante el concurso de un ordenador u otro dispositivo electrónico de control.

4. Un sistema que, según reivindicaciones 1 a 3, por el que las plataformas de deslizamiento motorizado pueden desplazarse distancias inferiores a 0.5 micrómetros, permitiendo hacer incidir el haz láser activo sobre posiciones concretas y específicas de la superficie a estudiar.

5. Un sistema según reivindicaciones 1 a 4, en el que tanto las plataformas de deslizamiento motorizado que sujetan a la muestra a estudiar como la plataforma de deslizamiento que sujeta la lente de focalización tienen una capacidad para reposicionarse en un punto concreto con un error inferior a 0.1 μm.

6. Un sistema, según reivindicación 1 punto d, posicionado entre el espejo selector de radiación y el subsistema expansor de haz que constituido por (a) un elemento óptico basado en dos prismas semicúbicos pegados por la cara diagonal y conformando un cubo, (b) un elemento difusor de radiación y (c) un detector de radiación de forma que divide el haz láser procedente del espejo selector en un haz principal y un haz secundario, perpendicular al anterior, de forma que el haz emergente principal es dirigido hacia la superficie fotoactiva y el haz emergente secundario es dirigido hacia el detector de radiación previo paso a través del elemento difusor.

7. Un sistema según reivindicación 1 (d) y 6, constituido por dos lentes convergentes de distancia focal inferior a 30 mm y una apertura con un tamaño de luz no mayor de 15 micrómetros situados de forma que (a) el foco de salida de la primera lente sea coincidente con el foco de entrada de la segunda lente, (b) que la distancia focal de la primera lente sea como mínimo 6 veces menor que la distancia focal de la segunda lente y (c) que en el punto de confocalización se posicione la apertura. De esta forma el haz láser de salida tendrá un diámetro al menos 6 veces mayor que el haz incidente.

8. Un sistema según reivindicación 1, en el que la disposición de los elementos ópticos y del material o dispositivo a estudiar es tal que la radiación reflejada especularmente por dicho dispositivo, cuando el haz incidente está perfectamente enfocado sobre la misma, retorna por el camino óptico principal transmitiéndose a través del divisor de haz de

forma que el haz reflejado emergente secundario incide, previo paso por un difusor, en un detector de radiación. Este detector genera una señal eléctrica que da información sobre la magnitud de la radiación reflejada por el material o dispositivo a estudiar (reflectancia especular) .

9. Un procedimiento, para el estudio de superficies con propiedades dependientes de la irradiación fotónica, que utilizando los sistemas descritos en las reivindicaciones 1 a 8, permite el estudio de la respuesta de superficies fotoactivas planas tras la interacción de las mismas con tres fuentes láser de excitación, cada uno de ellos con una potencia de irradiación tal que generan una envolvente de irradiación similar a la radiación solar.

10. Un procedimiento según reivindicación 9, caracterizado porque selecciona en orden sucesivo cada una de las tres fuentes de excitación, utilizándola como fuente activa tras ajustar su potencia de tal forma que esta sea asimilable a la generada por la radiación solar a la misma longitud de onda que la del láser seleccionado como activo.

11. Un procedimiento según reivindicación 9, caracterizado porque permite focalizar el haz de radiación procedente de la fuente de excitación activa sobre la superficie a estudiar de forma automatizada, mediante la óptima determinación de la distancia entre la lente focal y la superficie fotoactiva a partir de maximizar la varianza de la perturbación generada por el haz incidente cuando este se desplaza por la superficie fotoactiva estudiada.

12. Un procedimiento según reivindicaciones 9 y 11, caracterizado porque para conseguir la focalización óptima en cada punto se utiliza un protocolo que implica la obtención de la fotorrespuesta del sistema al efectuar: (a) un barrido lineal en el que se incluya alguna heterogeneidad, (b) una repetición de dicho barrido a varias distancias de la lente focal acromática en torno a la distancia focal teórica, (c) un análisis matemático de dicha información que permita obtener la varianza de la señal y (d) un ajuste de los valores de varianza obtenidos a cada distancia a una función que permita asociar un punto singular de dicha función a la distancia óptima de focalización.

13. Un protocolo de control que desarrolla el procedimiento recogido en las reivindicaciones 9 a 12, de acuerdo con una estructuración lógica de procesos y que contempla los siguientes procesos: (a) selección del haz láser activo, (b) ajuste de su potencia de irradiación, (c) focalización del haz en el punto de incidencia sobre la superficie estudiada, (d) definición de la amplitud espacial de dicha superficie entorno al punto de focalización que va a ser objeto de estudio,

(e) desplazar la superficie objeto de estudio punto a punto siguiendo un patrón bidimensional y con capacidad de incrementos lineales de desplazamiento de hasta 0.5 micrómetros, (f) medida en cada punto de la información suministrada por el sensor de medida de la estabilidad del láser, el sensor de la potencia radiante reflejada por la superficie fotoactiva y perturbación generada en la superficie fotoactiva, (g) almacenamiento de la información matricial obtenida en algún tipo de soporte electrónico y (h) repetición de los procesos 13 (a) a 13 (g) para los otros dos láseres del sistema.

14. Un procedimiento para asociar las señales eléctricas medidas por los diversos subsistemas de detección con la posición de incidencia de cada láser sobre la superficie estudiada, generando una matriz de datos informativa sobre la fotorrespuesta de la superficie estudiada asociado a cada láser utilizado como activo o al conjunto de los tres láseres.