Dissertation/ Thesis
Development of epitaxial-free c-Ge thermophotovoltaic devices: from double-side towards interdigitated back contacted structures
| Τίτλος: | Development of epitaxial-free c-Ge thermophotovoltaic devices: from double-side towards interdigitated back contacted structures |
|---|---|
| Συγγραφείς: | Gamel, Mansur Mohammed Ali |
| Συνεισφορές: | University/Department: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament d'Enginyeria Electrònica |
| Thesis Advisors: | Martín García, Isidro, Garin Escriva, Moises |
| Πηγή: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Στοιχεία εκδότη: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2026. |
| Έτος έκδοσης: | 2026 |
| Φυσική περιγραφή: | 159 p. |
| Θεματικοί όροι: | thermophotovoltaics (TPV), crystalline germanium (c-Ge), non-epitaxial fabrication, selective contacts, hole-selective contact, electron-selective contact, laser processing, nanocrystalline silicon (nc-Si), PERC architecture, interdigitated back contact (IBC), black germanium (b-Ge), surface passivation, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria electrònica, Àrees temàtiques de la UPC::Energies, 621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions, 620 - Assaig de materials. Material comercials. Economia de l'energia |
| Περιγραφή: | Tesi amb menció de Doctorat Internacional |
| Description (Translated): | (English) Meeting global electricity demand while mitigating climate change requires technologies that overcome renewable intermittency. Thermophotovoltaic (TPV) conversion is a promising solid-state solution for applications including thermal storage and waste heat recovery. Recent TPV devices exceed 40% efficiency, rivaling Stirling and Brayton engines, but they rely on expensive III–V semiconductors and epitaxial growth, limiting economic viability. This thesis focuses on crystalline germanium (c-Ge) as a low-cost alternative absorber and develops non-epitaxial fabrication methods (PECVD, ALD, laser processing) for Ge TPV cells, progressing from double-side contacts to interdigitated back contact (IBC) structures. First, selective contacts for p-type c-Ge are developed. For hole-selective contact, a novel ohmic contact uses a dielectric passivation stack (a-SiCₓ/Al₂O₃/a-SiC) with UV laser processing (355 nm), achieving a spot radius of ~6 µm, recombination velocity 1.7×10³ cm/s, contact resistivity 0.057 mΩ·cm², and >90% sub-bandgap reflectance. For electron-selective contact, we develop n-type nanocrystalline silicon layers (nc-Si(n)) on c-Ge(p) exhibits high conductivity (42 Ω⁻¹ cm⁻¹), low activation energy (0.013 eV), and doping ~1×10²⁰ cm⁻³. A thin amorphous silicon interfacial layer improves passivation but severely impedes carrier transport; thus, nc-Si(n) without this layer is chosen for device integration. Following the development and characterization of the electron- and hole-selective contacts, the second part of this thesis is focused on fabricating c-Ge-based TPV devices. In a systematic study comparing c-Ge substrates with high (2 × 10¹⁶ cm⁻³) and medium (2 × 10¹⁵ cm⁻³) doping levels, each integrated with either a full rear contacted (FRC) or a passivated emitter and rear cell (PERC) architecture. The electrical and optical performance of each design is characterized and the results demonstrate that high substrate doping is essential for minimizing series resistance. However, photon recycling enabled by the PERC architecture emerged as the dominant factor for efficiency enhancement, with the high-doped PERC cell achieving a peak estimated conversion efficiency of 8.41% at an emitter temperature of 1500 K. Finally, a compatible fabrication process was designed, and the first batch of IBC structures was produced with promising results. To improve IBC TPV devices, we propose to incorporate nanotextured black germanium (b-Ge) at the front surface. To do so, we resolve the critical passivation challenge for b-Ge on highly doped substrates, enabling its integration into IBC TPV cells. While standard Al₂O₃ passivation degrades at the required doping levels (>10¹⁵ cm⁻³), an a-SiCₓ(i)/Al₂O₃ stack successfully provides both chemical and field passivation, achieving surface recombination velocities well below 100 cm/s for b-Ge. Device simulations incorporating the passivated b-Ge front surface indicate a superior output power density, surpassing that of state-of-the-art of TPV c-Ge cells. Overall, the results obtained in this thesis demonstrate the first c-Ge-based TPV cell with a non-epitaxial heterojunction, contributing significantly to the advancement of cost-effective TPV technology. (Català) Satisfer la demanda mundial d’electricitat i mitigar el canvi climàtic requereix tecnologies que superin la intermitència de les energies renovables. La conversió termofotovoltaica (TPV) és una solució prometedora d'estat sòlid per a aplicacions com l'emmagatzematge tèrmic i la recuperació de calor residual. Els dispositius TPV recents superen el 40% d'eficiència, rivalitzant amb els motors Stirling i Brayton, però depenen de semiconductors III-V cars i amb tecnologia epitaxial, cosa que en limita la viabilitat econòmica. Aquesta tesi se centra en el germani cristal·lí (c-Ge) com a absorbidor alternatiu de baix cost i desenvolupa mètodes de fabricació sense epitaxia (PECVD, ALD, processat amb làser) per a dispositius TPV de c-Ge, progressant des de contactes de doble cara fins a estructures de contacte interdigitat a la part posterior (IBC). Primer, es desenvolupen contactes selectius per a substrats de c-Ge tipus p. Per al contacte selectiu de forats, s'utilitza un contacte òhmic nou amb una passivació dielèctrica (a-SiCₓ/Al₂O₃/a-SiC) i processat amb làser UV (355 nm), aconseguint contactes puntuals amb radis de ~6µm, una velocitat de recombinació de 1,7×10³ cm/s, una resistivitat de contacte de 0,057 mΩ·cm² i una reflectivitat sub-gap superior al 90%. Per al contacte selectiu d'electrons, desenvolupem capes nanocristal·lines de silici tipus n (nc-Si(n)) sobre c-Ge(p) amb alta conductivitat (42 Ω⁻¹cm⁻¹), baixa energia d'activació (0,013 eV) i un dopatge de ~1×10²⁰cm-3. Una capa interfacial prima de silici amorf millora la passivació, però dificulta significativament el transport de portadors; per tant, es tria el nc-Si(n) sense aquesta capa per a la integració al dispositiu. Després del desenvolupament i la caracterització dels contactes selectius d'electrons i forats, la segona part d'aquesta tesi se centra en la fabricació de dispositius TPV basats en c-Ge. Es realitza un estudi sistemàtic que compara substrats de c-Ge amb nivells de dopatge alt (2 × 10¹⁶ cm⁻³) i baix (2 × 10¹⁵ cm⁻³), cadascun integrat amb una arquitectura de contacte del darrere completamente metal·litzat (FRC) o de contacte puntual (PERC). Es va caracteritzar el rendiment elèctric i òptic de cada disseny i els resultats demostren que un dopatge alt del substrat és essencial per minimitzar la resistència en sèrie. Tot i això, el reciclatge de fotons habilitat per l'arquitectura PERC sorgeix com el factor dominant per a la millora de l'eficiència, aconseguint el dispositiu PERC amb alt dopatge una una eficiència de conversió màxima estimada màxima del 8,41 % a una temperatura d'emissor de 1500 K. Finalment, es va dissenyar un procés de fabricació i es va finalitzar el primer lot d'estructures IBC amb resultats prometedors. Per millorar els dispositius TPV IBC, proposem incorporar germani negre nanotexturitzat (b-Ge) a la superfície frontal. Per això, vam resoldre el desafiament crític de passivació del b-Ge sobre substrats altament dopats, permetent la seva integració en dispositius TPV IBC. Mentre que la passivació estàndard amb Al₂O₃ es degrada en els nivells de dopatge requerits (>10¹⁵ cm⁻³), una combinació de capes a-SiCₓ(i)/Al₂O₃ proporciona tant passivació química com de camp, aconseguint velocitats de recombinació superficial molt per sota de 100 cm/s. Les simulacions de dispositius que incorporen la superfície frontal de b-Ge passivada indiquen una alta densitat de potència, superant els dispositius TPV de c-Ge de l'estat de l'art. En conjunt, els resultats obtinguts en aquesta tesi demostren el primer dispositiu TPV basat en c-Ge amb heterounió no epitaxial, contribuint significativament cap a una tecnologia TPV rendible. (Español) Satisfacer la demanda mundial de electricidad y mitigar el cambio climático requiere tecnologías que superen la intermitencia de las energías renovables. La conversión termofotovoltaica (TPV) es una solución prometedora de estado sólido para aplicaciones como el almacenamiento térmico y la recuperación de calor residual. Los dispositivos TPV recientes superan el 40 % de eficiencia, rivalizando con los motores Stirling y Brayton, pero dependen de semiconductores III-V caros y con tecnología epitaxial, lo que limita su viabilidad económica. Esta tesis se centra en el germanio cristalino (c-Ge) como absorbedor alternativo de bajo coste y desarrolla métodos de fabricación sin epitaxia (PECVD, ALD, procesado con láser) para dispositivos TPV de c-Ge, progresando desde contactos de doble cara hasta estructuras de contacto interdigitado en la parte trasera (IBC). Primero, se desarrollan contactos selectivos para sustratos de c-Ge tipo p. Para el contacto selectivo de huecos, se utiliza un contacto óhmico novedoso con una pasivación dieléctrica (a-SiCₓ/Al₂O₃/a-SiC) y procesado con láser UV (355 nm), logrando contactos puntuales con radios de ~6 µm, una velocidad de recombinación de 1,7×10³ cm/s, una resistividad de contacto de 0,057 mΩ·cm² y una reflectividad sub-gap superior al 90 %. Para el contacto selectivo de electrones, desarrollamos capas nanocristalinas de silicio tipo n (nc-Si(n)) sobre c-Ge(p) con alta conductividad (42 Ω⁻¹ cm⁻¹), baja energía de activación (0,013 eV) y un dopaje de ~1×10²⁰ cm⁻³. Una capa interfacial delgada de silicio amorfo mejora la pasivación, pero dificulta significativamente el transporte de portadores; por lo tanto, se elige el nc-Si(n) sin esta capa para la integración en el dispositivo. Tras el desarrollo y caracterización de los contactos selectivos de electrones y huecos, la segunda parte de esta tesis se centra en la fabricación de dispositivos TPV basados en c-Ge. Se realiza estudio sistemático que compara sustratos de c-Ge con niveles de dopaje alto (2 × 10¹⁶ cm⁻³) y bajo (2 × 10¹⁵ cm⁻³), cada uno integrado con una arquitectura de contacto trasero completamente metalizado (FRC) o de contacto puntual (PERC). Se caracterizó el rendimiento eléctrico y óptico de cada diseño y los resultados demuestran que un dopaje alto del sustrato es esencial para minimizar la resistencia en serie. Sin embargo, el reciclaje de fotones habilitado por la arquitectura PERC surge como el factor dominante para la mejora de la eficiencia, logrando el dispositivo PERC con alto dopaje una eficiencia de conversión máxima estimada del 8,41 % a una temperatura de emisor de 1500 K. Finalmente, se diseñó un proceso de fabricación y se finalizó el primer lote de estructuras IBC con resultados prometedores. Para mejorar los dispositivos TPV IBC, proponemos incorporar germanio negro nanotexturizado (b-Ge) en la superficie frontal. Para ello, resolvimos el desafío crítico de pasivación del b-Ge sobre sustratos altamente dopados, permitiendo su integración en dispositivos TPV IBC. Mientras que la pasivación estándar con Al₂O₃ se degrada en los niveles de dopaje requeridos (>10¹⁵ cm⁻³), una combinación de capas a-SiCₓ(i)/Al₂O₃ proporciona tanto pasivación química como de campo, logrando velocidades de recombinación superficial muy por debajo de 100 cm/s para el b-Ge. Las simulaciones de dispositivos que incorporan la superficie frontal de b-Ge pasivada indican una alta densidad de potencia, superando a los dispositivos TPV de c-Ge del estado del arte. En conjunto, los resultados obtenidos en esta tesis demuestran el primer dispositivo TPV basado en c-Ge con heterounión no epitaxial, contribuyendo significativamente hacia una tecnología TPV rentable. DOCTORAT EN ENGINYERIA ELECTRÒNICA (Pla 2013) |
| Τύπος εγγράφου: | Dissertation/Thesis |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-472736 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | https://hdl.handle.net/10803/698125 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-472736 |
| Rights: | ADVERTIMENT. Tots els drets reservats. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edstdx.10803.698125 |
| Βάση Δεδομένων: | TDX |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-472736 |
|---|