High efficiency silicon solar cells: theoretical optimizations and experimental developments using low cost processes. / Células solares de silício de alto rendimento: otimizações teóricas e implementações experimentais utilizando processos de baixo custo.

AUTOR(ES)

Nair Stem

DATA DE PUBLICAÇÃO

2007

RESUMO

O trabalho realizado nesta tese esteve apoiado em dois objetivos principais. O primeiro centrado na otimização das etapas e processos de fabricação de células solares de silício de alto rendimento envolvendo redução de custos. O segundo objetivo foi direcionado na implementação de células solares eficientes e não dependentes do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio. Para levar a cabo estes objetivos de forma planejada, o trabalho dividiu-se em otimizações teóricas e implementações experimentais. As otimizações teóricas foram realizadas utilizando dois programas: um programa desenvolvido (simulacell.pas) e implementado no próprio LME (versão 2), e o outro adquirido comercialmente, PC1D. De acordo com os resultados obtidos em estruturas completas n+p e n++n+p foi possível concluir que tanto as estruturas formadas através de emissores homogêneos como as obtidas utilizando emissores duplamente difundidos permitem alcançar eficiências elevadas, 25,5% a 26,0%, respectivamente, em um amplo intervalo de espessuras e concentrações superficiais de dopantes. No que tange aos desenvolvimentos experimentais, este trabalho se inicia com o desenvolvimento de um processo simplificado de baixo custo, em células solares de silício Cz de baixa resistividade com estrutura n+pp+, tipo "mesa". Este processo simplificado também está baseado na difusão de fósforo e alumínio (P/Al), utilizando gases industriais e reagentes químicos de grau "para análise", como uma transposição do processo de fabricação anteriormente desenvolvido no LME-EPUSP em substratos de silício FZ utilizando tecnologia planar. A célula solar mais representativa do processo implementado, A-16-1, permitiu atingir eficiências no entorno de 17%. As implementações experimentais visaram inicialmente o desenvolvimento de um procedimento visando à qualificação de materiais de partida (silício), utilizando a técnica de decaimento fotocondutivo (PCD) através de dois procedimentos de passivação de superfícies; oxidações térmicas e difusões suaves de fósforo. Posteriormente, utilizando o sistema PCD, novas otimizações dos emissores de tipo n+ homogêneos e regiões de tipo p foram realizadas, seguidos por oxidações térmicas passivadoras hidrogenadas, preservando-se o tempo de vida do volume em valores elevados (aproximadamente 1ms, após a realização de todas as etapas térmicas). Estes resultados qualificam o silício e os materiais de consumo utilizados, assim como, o novo processo de fabricação desenvolvido. Esta técnica também permitiu qualificar os emissores com perfil Gaussianos processados, atingindo valores da ordem de 45fA/cm2 para densidades de recombinação em estruturas n+pn+. Desenvolveram-se também estruturas n+p em materiais Cz de baixa resistividade 2-3W.cm de dois diferentes fabricantes, e silício FZ com 0,5W.cm. Pôde ser comprovada a qualidade das etapas que compõem o processo completo otimizado tendo-se obtido tensões de circuito aberto-implícitas de 652,4mV (Si-Cz fabricante 1) e 662,6mV (Si-Cz fabricante 2), e 670,8mV (FZ). De acordo com simulações realizadas utilizando parâmetros habituais de dispositivos do próprio LME, estas tensões, quando associadas a um conjunto óptico frontal típico das células solares de alto rendimento do LME (texturização química aleatória e filme de SiO2), permitirão atingir valores entre 19% - 20%. Entretanto, utilizando texturização e camada dupla torna-se plausível atingir o marco de 21% de rendimento, ultrapassando assim a barreira dos 17% (recorde nacional), e comprovando a potencialidade da infra-estrutura deste laboratório para o desenvolvimento de células solares não dependentes do efeito do armadilhamento de impurezas através da difusão de alumínio.

ASSUNTO(S)

pcd characterization technique surface passivation qualification bulk minority carrier lifetime preservation low cost process cz silicon of low resistivity células solares development of the essential steps to rp-perc structures material qualification simplified fabrication process high implicit open circuit voltage cost reduction solar cells

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