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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-05022020-095316
Document
Author
Full name
Marcos Norio Watanabe
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Santos Filho, Sebastião Gomes dos (President)
Fontes, Marcelo Bariatto Andrade
Zambom, Luis da Silva
Title in Portuguese
Fabricação, caracterização e modelagem elétrica de células solares MOS para aplicação em energy harvesting.
Keywords in Portuguese
Células solares
Dielétricos
Energy harvesting
Modelagem elétrica
Abstract in Portuguese
Neste trabalho foram fabricadas células solares MOS com estruturas Al/SiOxNy/Si-p e Al/Mg/SiOxNy/Si-p sobre substratos com resistividade entre (0,01 e 10) ?.cm, espessura do dielétrico de porta entre (1,65 e 2,23) nm e área total de 3,24 cm2. O dielétrico de porta foi obtido através do processo RTP (Rapid Thermal Processing) em um forno convencional na temperatura de 850 ºC para gases de processo fluindo na proporção 5 N2 : 1 O2 (2 L/min de N2 e 0,4 L/min de O2). As células solares apresentaram densidade de correntes de escuro (J0) na faixa de (~2,25x10-10 - 6,25x10-6) A/cm2 e obteve-se menores valores de J0 para as células com porta de magnésio. As células solares MOS foram iluminadas com lâmpadas LED e halógena com finalidade de simular o efeito produzido em iluminação nos ambientes internos com potência incidente em mW/cm2 para aplicações de "solar energy harvesting". Para exposições por LED em potência incidida de 5,1 mW/cm2 foi possível observar melhores parâmetros de densidade de corrente de curto-circuito (JSC) de ~ 0,4 mA/cm2 e potência máxima gerada (Pmax) de ~ 53 µW/cm2 (rendimento - n = 1,05%). Por meio de exposições por lâmpada halógena e com potência incidida de 11,7 mW/cm2 foi possível adquirir melhores valores de JSC de ~ 8,7 mA/cm2 e Pmax de ~ 2,13 mW (n = ~18%). Foi mostrado para iluminação por LED que o parâmetro JSC aumenta com a espessura do dielétrico de porta e para iluminação por lâmpada halógena, o comportamento mostrou-se o oposto daquele apresentado no caso de iluminação por LED (JSC diminui com a espessura do dielétrico de porta) sendo que a tensão de circuito aberto (VOC) não varia de forma significativa. Observou-se também que a mudança do metal de porta do alumínio para o magnésio propiciou melhoria em praticamente todos os parâmetros fotovoltaicos. Finalmente, foi desenvolvido um modelo elétrico compacto com parâmetros físicos e matemáticos para ajustar a característica J-V de células solares MOS composto de resistências parasitárias em série e paralelo, e pelas componentes de corrente de tunelamento direto e de Fowler-Nordheim.
Title in English
Fabrication, characterization and electrical modeling of MOS solar cells for energy harvesting application.
Keywords in English
Electrical modeling
Energy harvesting
MOS solar cell
Abstract in English
In this work MOS solar cells with Al/SiOxNy/Si-p and Al/Mg/SiOxNy/Si-p structures were made on substrates with resistivity between (0.01 and 10) ?.cm, gate dielectric thickness between (1.65 and 2.23) nm and total area of 3.24 cm2. The gate dielectric was obtained by the Rapid Thermal Processing (RTP) process in a conventional furnace at a temperature of 850ºC for process gases flowing at a ratio of 5 N2: 1 O2 (2 L/min N2 and 0.4 L/min O2). Solar cells showed dark current density (J0) in the range of ~ 2.25x10-10 to 6.25x10-6 A/cm2 and lower J0 values were obtained for cells with magnesium gate. MOS solar cells have been illuminated with LED and halogen lamps to simulate the effect produced in indoor lighting with incident power in mW/cm2 for solar energy harvesting applications. For LED exposures at incident power of 5.1 mW/cm2, it was possible to observe better parameters of short circuit current density (JSC) of ~ 0.4 mA/cm2 and maximum generated power (Pmax) of ~ 53 µW/cm2 (efficiency - n = 1.05%). For halogen lamp exposures with an incident power of 11.7 mW/cm2, it was possible to obtain better JSC values of ~ 8.7 mA/cm2 and Pmax of ~ 2.13 mW (n = ~18%). It has been shown for LED illumination that the JSC parameter increases with the thickness of the gate dielectrics. For halogen lamp illumination, the behavior was the opposite of that presented in the case of LED illumination (JSC decreases with gate dielectric thickness) and the open circuit voltage (VOC) does not vary significantly. It was also observed that the change from aluminum to magnesium as metal gate provided improvement in all photovoltaic parameters. Finally, a compact electrical model with physical and mathematical parameters was developed to adjust the J-V characteristic of MOS solar cells, composed of series and parallel parasitic resistances, and the Fowler-Nordheim direct tunneling current components.
 
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Publishing Date
2020-02-06
 
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