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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2007.tde-02042008-113959
Documento
Autor
Nome completo
Nair Stem
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2007
Orientador
Banca examinadora
Cid Sánchez, Manuel (Presidente)
Beloto, Antonio Fernando
Krenzinger, Arno
Onmori, Roberto Koji
Santos Filho, Sebastião Gomes dos
Título em português
Células solares de silício de alto rendimento: otimizações teóricas e implementações experimentais utilizando processos de baixo custo.
Palavras-chave em português
Células solares
Resumo em português
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.
Título em inglês
High efficiency silicon solar cells: theoretical optimizations and experimental developments using low cost processes.
Palavras-chave em inglês
Bulk minority carrier lifetime preservation
Cost reduction
Cz silicon of low resistivity
Development of the essential steps to RP-PERC structures
High implicit open circuit voltage
Low cost process
Material qualification
PCD characterization technique
Simplified fabrication process
Solar cells
Surface passivation qualification
Resumo em inglês
The work developed at this thesis has been based on two main objectives. First, it was focused on the optimization of the steps and processes for the fabrication of high efficiency solar cells, reducing production costs. The latter objective was directed to develop solar cells that were efficient and non-dependent on impurities gettering performed through the aluminum diffusion. In order to attend the planned objectives the work was divided into the theoretical objectives and experimental developments. The theoretical optimizations were performed using two different program codes: one was developed at LME (simulacell.pas), being upgraded afterwards (version 2); and the other was acquired commercially, the PC1D. According to the obtained results in complete structures n+p and n++n+p, it was possible to conclude that the homogeneous and double diffused emitter structures can provide high efficiencies, from 25,5% to 26,0%, respectively, for a wide range of thicknesses and surface doping levels. Concerning the experimental developments, this work starts with a low cost simplified process, using Cz silicon solar cells with low base resistivity and the structure n+pp+, "mesa" type. This simplified process was also based on the phosphorus/ aluminum diffusion (P/Al), using industrial gases and for analysis grade chemical reagents, as a fabrication process transposition of the process previously developed at LME-EPUSP using silicon substrates with planar technology. The most representative solar cells of the implemented process, A-16-1, provided about a 17% efficiency. The experimental implementations aimed the development of procedure for starting material (silicon) qualification, by using the photoconductive decay technique (PCD) with two surface passivation procedures: thermal oxidation and light phosphorus diffusion. Later, using PCD system, new optimizations of n+ homogeneous emitters and p-type region were performed, followed by passivating thermal oxidations with hydrogenation, maintaining the volume lifetime at high values (approximately 1ms, after each thermal step). These results qualified the used silicon and the consumer materials, as well the new fabrication process developed. This technique has also allowed qualifying the processed Gaussian profile emitters, providing values about 45fA/cm2 for the recombination current density in n+pp+ structures. N+p structures were also developed using Cz silicon with low resistivity 2- 3W.cm of two different manufacturers and FZ with 0.5W.cm. It could be proved the quality of the steps of a complete optimized process resulting implicit open circuit voltages of 652.4mV (Cz silicon - manufacturer type 1), 662.6mV (Cz silicon - manufacturer type 2), and 670.8mV (FZ silicon). According to the theoretical simulations performed using the usual parameters of devices processed at LME (random chemical texturization and SiO2 film), efficiencies between 19%-20% can be reached. However, using a random texturization and a double layer anti-reflection system, a 21% efficiency becomes possible, surpassing the 17% barrier (national record), and proving the potentiality of this laboratory facility for the development of solar cells non-dependent on impurity gettering through the aluminum diffusion.
 
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Data de Publicação
2008-04-07
 
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