Fonte: www.intechopen.com/books/solar-cells/industrial-silicon-solar-cells
Por Mehul C. Raval e Sukumar Madugula Reddy
Enviado: 4 de outubro de 2018 Revisado: 29 de janeiro de 2019 Publicado: 15 de maio de 2019
DOI: 10.5772 / intechopen.84817
Abstrato
O capítulo apresentará as tecnologias de fabricação de células solares de silício industrial com seu status atual. Estruturas de células solares comerciais do tipo p e do tipo n de alta eficiência serão discutidas e comparadas para que o leitor possa obter uma vantagem inicial em células solares industriais. É apresentada uma breve visão geral das várias etapas do processo, desde a texturização até a metalização impressa em tela. Os processos de texturização para wafers de silício monocristalinos e multicristalinos foram revisados com os processos mais recentes. Uma visão geral dos processos térmicos de difusão e deposição de revestimento anti-reflexo foi apresentada. O processo de serigrafia bem estabelecido para metalização de células solares é introduzido com a etapa de queima rápida para sinterização dos contatos. Testes IV de células solares com vários parâmetros para caracterização de células solares são introduzidos. Os desenvolvimentos mais recentes em vários processos e fabricação de equipamentos também são discutidos junto com as tendências futuras esperadas.
Palavras-chave
silício
células solares
manufatura
multicristalino
monocristalino
texturização
1. Introdução
A energia fotovoltaica é uma importante fonte de energia renovável que cresceu rapidamente de 8 GW em 2007 para 400 GW em 2017 [1]. Junto com o aumento da demanda, o custo do sistema fotovoltaico também caiu significativamente de 35,7 $ / Wpin 1980 para 0,34 $ / Wpin 2017, acelerando sua adoção [2]. O silício (Si), que é um importante material da indústria de microeletrônica, também tem sido o material a granel amplamente utilizado de células solares desde 1950, com uma participação de mercado de> 90% [2]. O capítulo apresentará as etapas típicas para a fabricação de células solares de silício comerciais. Uma breve história das células solares e uma visão geral do tipo de substratos de silício, juntamente com a arquitetura da célula solar diferente, será introduzida nas Seções 2 e 3. Posteriormente, as etapas de química úmida e de alta temperatura usadas na fabricação serão descritas nas Seções 4 e 5. A seção 6 irá discutir sobre o processo de metalização, juntamente com os parâmetros de caracterização típicos para células solares comerciais. Finalmente, o roteiro futuro e as tendências esperadas serão discutidos na seção de conclusão.
2. Evolução das células solares
O 'efeito fotovoltaico' significa literalmente geração de uma voltagem após a exposição à luz. O fenômeno foi observado pela primeira vez pelo físico francês Edmund Becquerel em uma célula eletroquímica em 1839, enquanto foi observado pelos cientistas britânicos WGAdams e REDay em um dispositivo de estado sólido feito de selênio em 1876 [3]. A partir da década de 1950, houve um rápido progresso no desempenho das células solares comerciais de< 1%="" para=""> 23% [2] e o silício tem sido o 'cavalo de trabalho' da indústria fotovoltaica desde então então. A evolução das células solares de silício é mostrada na Figura 1.
Figura 1. Evolução de células solares de silício. (a) 1941: célula solar relatada com junção crescida, (b) 1954: junção pn de célula solar formada com difusão dopante, (c) 1970: célula violeta com campo de superfície posterior de alumínio, (d) 1974: célula preta com superfície texturizada quimicamente [3].
As primeiras células solares de silício demonstradas por Russell Ohl da Bell Laboratories durante a década de 1940 foram baseadas em junções naturais formadas a partir da segregação de impurezas durante o processo de recristalização [3]. As células tiveram uma eficiência de< 1%="" devido="" à="" falta="" de="" controle="" sobre="" a="" localização="" da="" junção="" e="" a="" qualidade="" do="" material="" de="" silício.="" a="" nomenclatura="" para="" nomear="" as="" regiões="" (tipo="" p:="" lado="" que="" é="" iluminação="" e="" tipo="" n:="" outro="" lado)="" fornecida="" por="" ohl="" está,="" desde="" então,="" sendo="" usada="" para="" as="" convenções="" de="" nomenclatura="" de="" células="">
Durante a década de 1950, houve um rápido desenvolvimento no processo de difusão em alta temperatura para dopantes em silício. Person, Fuller e Chaplin, da Bell Laboratories, demonstraram uma célula solar eficiente de 4,5% com dopagem à base de lítio, que melhorou para 6% com a difusão de boro. A célula solar tinha uma estrutura 'envolvente' (Figura 1 (b)) com ambos os contatos na parte traseira para evitar perdas por sombreamento, mas levou a perdas resistivas maiores devido à estrutura envolvente. Em 1960, a estrutura celular evoluiu conforme mostrado emFigura 1 (c). Uma vez que a aplicação era para explorações espaciais, um substrato de alta resistividade de 10Ω cm foi usado para ter a resistência máxima à radiação. Contatos evaporados a vácuo foram usados em ambos os lados, enquanto um revestimento de monóxido de silício foi usado como um revestimento anti-reflexo (ARC) no lado frontal (FS) [3].
No início da década de 1970, descobriu-se que ter alumínio sinterizado no lado traseiro melhorava o desempenho da célula, formando uma interface fortemente dopada, conhecida como 'campo de superfície posterior (Al-BSF)' e obtenção de impurezas [3] O Al-BSF reduz a recombinação das portadoras na parte traseira e, portanto, melhora a voltagem e a resposta espectral de comprimento de onda longo. A implementação de dedos mais finos e próximos reduziu a necessidade de dopagem na junção e eliminou a camada morta. Um ARC de dióxido de titânio (TiOx) foi usado e sua espessura foi selecionada para reduzir a reflexão para comprimentos de onda mais curtos e deu uma aparência violeta às células solares. Melhorias adicionais foram feitas texturizando as bolachas usando gravação anisotrópica de (100) bolachas para expor as superfícies (111). A texturização levou a uma melhor captura de luz e deu às células uma aparência de veludo escuro. A arquitetura de célula melhorada é mostrada emFigura 1 (d). Em 1976, Rittner e Arndt demonstraram células solares terrestres com eficiências de aproximadamente 17% [3].
A célula solar emissora passivada (PESC) atingiu um marco de eficiência de 20% em 1984–1986. A área de contato metal / silício foi de apenas 0,3% nas células PESC, enquanto uma camada dupla ARC de ZnS / MgF2foi usado em ambas as estruturas celulares. Em 1994, foram demonstradas células emissoras passivadas de difusão local posterior (PERL) com uma eficiência de 24% [3] Em comparação com a célula PESC, a célula PERL tinha pirâmides invertidas em FS para melhor captura de luz e passivação baseada em óxido em ambos os lados. A camada de passivação de óxido na parte traseira também melhorou a refletância interna do comprimento de onda longo e, portanto, a resposta do espectro.
Além das arquiteturas de células solares em evolução, também tem havido um desenvolvimento contínuo no domínio da manufatura em termos de maior rendimento, etapas de processo aprimoradas e custos reduzidos. Uma breve visão geral da fabricação de substratos de Si e vários tipos de células solares é fornecida na próxima seção.
3. Tecnologias comerciais de células solares de silício
O Si é o segundo material mais abundante na Terra depois do oxigênio e tem sido amplamente utilizado na indústria de semicondutores. O silício de grau metalúrgico (Mg-Si) de 98% de pureza é obtido pelo aquecimento do quartzo (SiO2) com carbono em altas temperaturas de 1.500-2.000 [4]. O Mg-Si é posteriormente purificado para obter pedaços de silício de grau solar com pureza de 99,99%. Os pedaços refinados de Si de grau solar são então processados posteriormente para obter formas monocristalinas e multicristalinas de lingotes de Si, que são uma grande massa de silício. No Si monocristalino, os átomos estão dispostos na mesma orientação de cristal em todo o material. Para células solares, a orientação (100) é preferida, pois pode ser facilmente texturizada para reduzir a reflexão da superfície [5]. O Si multicristalino, como o nome sugere, tem vários grãos de material de Si com diferentes orientações, ao contrário dos substratos monocristalinos. O material monocristalino tem maior vida útil do portador minoritário em comparação com o Si multicristalino e, portanto, maior eficiência da célula solar para uma determinada tecnologia de célula solar.
O método Czochralski (Cz) para fazer lingotes de Si monocristalinos é ilustrado na Figura 2 (a). Silício fundido de alta pureza com dopante é mantido acima do ponto de fusão e, em seguida, um cristal de semente é puxado a uma taxa muito lenta para obter um lingote de até 300 mm de diâmetro e 2 m de comprimento [6]. O silício fundido pode ser dopado com dopantes do tipo p ou do tipo n para obter o tipo específico de lingote de Si monocristalino de até 200kg [2]. As bolachas serradas dos lingotes têm bordas circulares e, portanto, a forma é chamada de 'quadrado psuedo'. Lingotes de silício multicristalinos são feitos derretendo Si de alta pureza e cristalizando-os em um grande cadinho por processo de solidificação direcional [7], conforme demonstrado na Figura 2 (b). O processo não tem uma orientação de cristal de referência como o processo Cz e, portanto, forma material de silício com diferentes orientações. Atualmente, os lingotes de Si multicristalinos pesam> 800 kg [2] que são cortados em tijolos e as bolachas são serradas posteriormente.
O tamanho atual dos wafers monocristalinos e multicristalinos para a fabricação de células solares é de 6 polegadas x 6 polegadas. A área das bolachas monocristalinas será um pouco menor devido à forma pseudo-quadrada. O material de base mais amplamente usado para fazer células solares são os substratos de Si do tipo p dopados com boro. Substratos de Si do tipo N também são usados para fazer células solares de alta eficiência, mas apresentam desafios técnicos adicionais, como a obtenção de dopagem uniforme ao longo do lingote em comparação com substratos do tipo p.
Figura 2. Ilustração de (a) processo Cz para lingotes monocristalinos e (b) processo de solidificação direcional para lingotes multicristalinos.
Uma ampla classificação de diferentes tipos de células solares junto com faixas de eficiência é mostrada na Figura 3. A tecnologia padrão de campo de superfície posterior de alumínio (Al-BSF) é uma das tecnologias de células solares mais comuns, devido ao seu processo de fabricação relativamente simples. É baseado na deposição de Al do lado traseiro completo (RS) por processo de impressão em tela e formação de ap + BSF que ajuda a repelir os elétrons do lado traseiro do substrato do tipo p e melhorar o desempenho da célula. O fluxo de fabricação de células solares Al-BSF é mostrado na Figura 4. O design padrão de células solares comerciais é com padrão de grade FS e contatos RS de área total.
Figura 3. Classificação ampla de diferentes tipos de células solares.
Figura 4. Fluxo de fabricação de células solares Al-BSF.
A célula solar de contato traseiro do emissor passivado (PERC) melhora a arquitetura Al-BSF pela adição da camada de passivação do lado traseiro para melhorar a passivação do lado traseiro e a reflexão interna. O óxido de alumínio é um material adequado para passivação RS com eficiências médias de células solares próximas a 21% obtidas na produção [8] Uma linha de células solares Al-BSF existente pode ser atualizada para o processo PERC por duas ferramentas adicionais (deposição de camada de passivação RS e laser para abertura de contato localizada no RS).
As três arquiteturas de células restantes são principalmente tecnologias de maior eficiência baseadas em substratos de Si do tipo n. A célula solar de heterojunção a-Si tem camadas de a-Si no FS e RS do substrato de Si tipo n para formar 'heterojunções', ao contrário da junção pn baseada em difusão de alta temperatura convencional. Essa tecnologia permite o processamento em temperaturas mais baixas, mas é muito sensível à qualidade das interfaces de superfície. A célula solar de heterojunção baseada em a-Si foi comercialmente fabricada pela Sanyo Electric, que agora é adquirida pela Panasonic [9]. No projeto de célula solar de contato traseiro interdigitado (IBC), ambos os contatos estão presentes na parte traseira, eliminando as perdas de sombra do contato FS. Normalmente para células solares IBC, a junção também estará localizada na parte traseira. Um dos primeiros fabricantes de células solares IBC do tipo n de alta eficiência é a SunPower Corporation [10]. As células bifaciais, como o nome sugere, podem capturar a luz de ambos os lados das células solares. Isso significa que a parte traseira também tem contatos de padrão de grade para permitir a coleta de luz. Um exemplo de tecnologia bifacial é a célula solar BiSON desenvolvida e comercializada pelo ISC, Konstanz [11]. Deve-se notar que a classificação indicada não é uma lista exaustiva de vários outros tipos de arquiteturas de células solares que se encontram na fase R&& D, em fase de comercialização ou em fase de fabricação. As seções subsequentes darão uma visão geral das etapas do processo de fabricação de células solares Al-BSF.
4. Processos de química úmida para fabricação de células solares
O tratamento à base de química úmida é uma etapa importante no processamento de células solares para remoção de danos por serra (SDR) para wafers como cortados, texturização da superfície para aumentar a absorção da radiação solar de entrada e isolamento da borda após o processo de difusão. Conforme discutido na seção anterior, existem principalmente wafers de silício monocristalinos e multicristalinos usados para a fabricação de células solares. O processamento baseado em química úmida para os respectivos tipos de wafers será discutido adiante.
4.1 Texturização de bolachas de silício monocristalino
Conforme indicado na Seção 2, o desenvolvimento de células solares começou principalmente com wafers monocristalinos e, portanto, empregou métodos bem estabelecidos no domínio da microeletrônica. A gravação anisotrópica alcalina com base em KOH / NaOH é usada para texturização piramidal de bolachas monocristalinas. Um wafer monocristalino como cortado tem uma refletância média ponderada de> 30% (no comprimento de onda de 300-1.200nm), que reduz para 11-12% após o processo de texturização. A morfologia típica de uma superfície texturizada alcalina é mostrada na Figura 5. A solução de corrosão anisotrópica grava a superfície (100) das bolachas para expor as faces (111) que têm uma densidade mais alta de átomos de silício e, portanto, uma taxa de corrosão mais lenta em comparação com ( 100) faces. Isso resulta na formação de estruturas piramidais aleatórias que formam um ângulo de 54,7 ° em relação à superfície do wafer.
Figura 5. Morfologia de superfície típica de uma bolacha monocristalina de textura alcalina.
Os parâmetros típicos para o processo de texturização alcalina são mostrados na Tabela 1. Deve-se observar que os valores de vários parâmetros são indicativos e não devem ser considerados absolutos, pois há uma variedade de fabricantes de aditivos no mercado. O álcool isopropílico (IPA) foi inicialmente usado como um aditivo na solução de texturização, que não está envolvido na reação de corrosão, mas atua como um agente umectante para melhorar a homogeneidade do processo de texturização, evitando que as bolhas de H2 (geradas durante a reação) adiram a superfície de silício [12]. No entanto, em 2010, o IPA foi gradualmente substituído por aditivos alternativos devido a desvantagens como concentração instável, pois a temperatura do banho está próxima do ponto de ebulição do IPA (82,4 ° C), altos custos, alto consumo, riscos à saúde e explosividade [12]. Muitos grupos publicaram trabalhos de desenvolvimento para substituir o IPA por aditivos alternativos para superar as desvantagens do IPA, aumentar a janela do processo e reduzir a refletância da superfície [12,13,14,15,16]. Os aditivos também reduzem o tempo de processamento para< 10="" minutos="" e="" aumentam="" a="" vida="" útil="" do="" banho="" para=""> 100 execuções.
Processar
KOH / IPA
KOH / aditivo
KOH (%) | 3 | & lt; 3 |
IPA (%) | 6 | — |
Aditivo (%) | — | & lt; 2 |
Temperatura do processo [° C] | & gt; 80 | 70–100 |
Tamanho da pirâmide [μm] | 5–12 | 2–7 |
Tempo de processo [min] | 30–40 | 5–10 |
Conteúdo orgânico [% em peso] | 4–10 | & lt; 1,0 |
Ponto de ebulição [° C] | 83 | & gt; 100 |
Vida no banho | & lt; 15 | & gt; 100 |
Tabela 1. Parâmetros de processo para texturização alcalina baseada em IPA e baseada em aditivos de wafers monocristalinos.
O processo de texturização das bolachas monocristalinas é tipicamente realizado em um "lote", o que implica que as bolachas são carregadas em um transportador com fendas para conter as bolachas (100 fendas em um transportador) e, em seguida, o lote é processado sequencialmente em banhos para texturização, limpeza, etapas de tratamento para remover os resíduos orgânicos e contaminação do metal e secagem dos wafers processados. Os transportadores são normalmente revestidos com PVDF, que possui uma resistência muito boa a vários produtos químicos, abrasão e desgaste mecânico. O suporte típico para o manuseio de wafers monocristalinos é mostrado na Figura 6. A ferramenta de texturização em lote tem banhos dedicados para cada etapa com tanques de dosagem para produtos químicos usados no banho. A ferramenta processa muitos portadores simultaneamente e pode atingir um rendimento de> 6.000 wafers / h com processamento de quatro portadores ao mesmo tempo.
Figura 6.Carriers para carregar wafers na ferramenta batch. Fonte: RCT solutions GmbH.
4.2 Texturização de wafers de silício multicristalinos
Os wafers multicristalinos oferecem uma vantagem de custo em comparação com os wafers monocristalinos e, portanto, têm sido mais amplamente adotados. No entanto, a química alcalina usada para texturizar wafers monocristalinos não funciona bem para wafers multicristalinos devido à presença de diferentes orientações de grão. Uma química ácida alternativa baseada em HF e HNO3 foi desenvolvida para remover os danos da serra e texturizar os wafers multicristalinos simultaneamente [17,18]. A texturização baseada em solução ácida opera em temperaturas abaixo da temperatura ambiente e, portanto, leva à redução da emissão de gás de reação, pouca geração de calor, maior estabilidade da solução de corrosão e melhor controle da taxa de corrosão [18]. Uma comparação de texturização alcalina e processo de texturização ácida para wafers multicristalinos é mostrada na Figura 7.
Figura 7. Comparação de texturização alcalina e ácida para wafers multicristalinos. Curvas de refletância após a deposição de SiNx: H também são mostradas para comparação [17].
O processo de texturização ácida de wafer multicristalina pode ser feito em tempo significativamente reduzido em comparação com o processo de texturização alcalina e, portanto, pode ser implementado em uma configuração "em linha", onde os wafers são passados por rolos imersos no banho de corrosão. Uma imagem representativa de um processo em linha junto com o processo típico de texturização ácida é mostrada na Figura 8. Para uma configuração de cinco vias, a ferramenta em linha pode ter um rendimento de até 4.000 wafers / h. É importante notar que a superfície do wafer voltada para baixo na solução de corrosão é texturizada melhor do que o lado superior e é o 'lado ensolarado' para processamento posterior. O processo de texturização ácida leva à formação de silício poroso na superfície texturizada que absorve luz e também aumenta a recombinação da superfície [18]. Portanto, o silício poroso é removido usando uma solução alcalina diluída. Posteriormente, uma limpeza ácida (HF + HCl) é realizada para remover óxidos e contaminação de metal das superfícies do wafer.
Figura 8. (a) Processo em linha representativo com cinco pistas e (b) fluxo do processo de texturização ácida para wafers multicristalinos.
É importante notar que o processo de texturização ácida discutido acima é adequado para as bolachas multicristalinas serradas com arame de pasta (SWS). Nos últimos anos, o processo de corte com fio diamantado (DWS) substituiu o corte à base de fio de pasta devido ao processo e às vantagens econômicas [19]. O dano de serra dos wafers multicristalinos SWS é maior do que os wafers DWS, que têm sulcos retos profundos e uma superfície muito mais lisa do que os wafers serrados com arame de lama [19]. O dano da serra para os wafers SWS desempenha um papel importante para iniciar o processo de texturização, o que não ocorre para os wafers DWS.
Vários métodos foram propostos para texturizar wafers multicristalinos DWS e estão resumidos na Tabela 2 [20]. Ao ajustar os vários métodos, pode-se obter uma refletância de cerca de 0% e, portanto, o termo 'silício preto' tem sido usado para o processo de texturização de wafers multicristalinos DWS. RIE foi o primeiro método para fazer silício preto e usa hexafloreto de enxofre (SF6) para reagir com Si e gases como Cl2 e O2 para passivar e limitar a reação [20]. Recentemente, células solares multi PERC comerciais com eficiência média de 21,3% foram demonstradas com o processo de texturização baseado em RIE [21]. No entanto, uma vez que RIE é um processo baseado em vácuo, o rendimento é baixo em comparação com um processo em linha típico e também pré-processamento e pós-processamento adicionais são necessários para remover os danos da serra e danos devido ao bombardeio de íons, respectivamente. Uma variante do método RIE que não requer vácuo ou plasma foi implementada em uma ferramenta comercial [22].
Método
Reagentes
mascarar
Catalisador
Refletância mínima (%)
Gravura de íon reativo (RIE) | SF6/O2, SF6/ Cl2/O2, SF6/O2/CH4 | Nenhum | Nenhum | 4.0 |
Implantação de íons de imersão de plasma (PIII) | SF6/O2 | Nenhum | Nenhum | 1.8 |
Irradiação laser | CCl4, C2Cl3F3, SF6, Cl2, N2, ar | Nenhum | Nenhum | 2.5 |
Gravura de plasma | SF6 | Nano partículas Ag | Nenhum | 4.2 |
Gravura química assistida por metal (MACE) | AgNO3/ HF / HNO3 | Nenhum | Ag, Au | 0.3 |
Gravura eletroquímica | HF, EtOH, H2O | Nenhum | Nenhum | & lt; 5,0 |
Tabela 2. Vários métodos para texturizar wafers multicristalinos serrados com fio de diamante [20].
Uma das abordagens para texturizar wafers multicristalinos DWS é atualizar a química baseada em texturização ácida existente com aditivos [23,24,25]. Tal abordagem pode potencialmente ter um CoO mais baixo em comparação com a abordagem baseada em MACE [23]. A refletância de tal abordagem baseada em aditivos demonstrou ser semelhante à solução de isotexturização convencional com eficiência de célula solar de 18,7% para a estrutura baseada em Al-BSF [24].
A texturização baseada em MACE é semelhante ao método convencional de corrosão ácida com uma etapa adicional de deposição de metal catalítico. O fluxo do processo consiste em SDR, deposição de metal catalisador, corrosão química e pós-tratamento. Eficiências de 19,2% foram obtidas para células comerciais multi Al-BSF usando o processo de texturização MACE do tipo lote [26]. A ferramenta comercial baseada em MACE do tipo em linha foi demonstrada com a possibilidade de ajustar a refletância na faixa de 12–23% e obter eficiência média para Al-BSF e estrutura PERC de 18,8 e 20,2%, respectivamente [27]. Imagens representativas da superfície texturizada com base no processo MACE são mostradas na Figura 9. O custo de propriedade (CoO) do processo MACE em linha é potencialmente menor em comparação com o processo MACE baseado em lote com escopo para reduzi-lo ainda mais reciclando Ag do banho de texturização [27].
Figura 9. Multi wafers DWS com textura MACE, (a) superfície com Ravg=12% e (b) superfície com Ravg=22% [27].
4.3 Isolamento de borda baseado em química úmida
A região emissora em uma célula solar é fabricada por um processo de difusão de alta temperatura (a ser discutido nas seções a seguir). Durante o processo de difusão, o vidro de fosforossilicato (PSG) é depositado no wafer, que deve ser removido antes da deposição da camada ARC. Conforme representado na Figura 10, após a etapa de difusão, a região do tipo n também está presente nas bordas e na parte traseira do wafer. A camada do tipo n nas bordas e na parte traseira irá causar curto-circuito no emissor com o substrato de base e, portanto, é importante gravar essas regiões e isolar o emissor no FS do substrato de base, conforme ilustrado na Figura 10 (c).
Figura 10.Processamento de wafer de silício após difusão e isolamento de borda (a) wafer de silício texturizado, (b) wafer de silício difuso, (c) wafer de silício difuso após isolamento de borda.
O processo de isolamento de bordas pode ser executado em linha, semelhante ao processo de texturização discutido na seção anterior. A exceção neste caso é que o produto químico deve gravar apenas o lado posterior e as bordas, sem interagir com o FS. Uma imagem representativa do processo de isolamento da borda é mostrada na Figura 11. É importante notar que os rolos estão presentes apenas na parte inferior para evitar qualquer contato da solução de corrosão com a parte frontal. As etapas subsequentes após a gravação RS são semelhantes às da máquina de texturização em linha.
Figura 11.Imagem representativa da célula solar em um banho de isolamento de borda em linha.
5. Processos térmicos para fabricação de células solares
Os processos de alta temperatura são uma parte vital da fabricação de células solares. Exemplos de tais processos são a formação da junção pn por difusão, disparo de contatos impressos em tela, ativação de camadas de passivação de superfície ou defeitos induzidos pelo processo de recozimento. A seção vislumbra a física básica do processo de difusão de emissor e deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD).
5.1 Difusão do emissor
A difusão do emissor é uma das etapas térmicas cruciais na fabricação de células solares industriais. O emissor do tipo n das células solares de silício do tipo p cristalino é formado pela difusão do fósforo (P). No processo de difusão, os wafers de Si são enviados em um forno e expostos a 800–900 ° C ao cloreto de fosforil (POCl3) e O2, que resulta na deposição de PSG nas superfícies do wafer de Si. Esta etapa é chamada de pré-deposição, onde o PSG [28] atua como uma fonte de dopantes de fósforo (P) para se difundir no wafer de Si. A próxima etapa é o drive-in, onde o suprimento de gases contaminantes é desconectado e o P da camada PSG se difunde ainda mais para o wafer de Si. Hannes et al. [29] ilustra para a viabilidade ideal do processo para aplicações fotovoltaicas, três efeitos diferentes devem ser considerados. Em primeiro lugar, a difusão de P do PSG e sua presença em estados eletricamente ativos e inativos no wafer de Si, o que aumenta a recombinação Shockley-Read-Hall (SRH). Em segundo lugar, a penetração de impurezas na camada de Si em direção à camada PSG. Finalmente, a formação de contato do metal com o emissor de Si dopado com P extrai a energia gerada.
O processo de difusão é quantificado pela resistência da folha, que depende da profundidade da junção pn e do perfil de concentração de P. A resistência da folha tem unidades de Ω / cm (comumente medida como Ω / □) e é medida usando um sistema de sonda de quatro pontos. A definição de resistência da folha é ilustrada na Equ. (1).
onde R=resistência de uma seção retangular (Ω); ρ=resistividade (Ω cm); l=comprimento da seção retangular (cm); A=área da seção retangular (cm2); W=largura da seção retangular (cm ); D=profundidade da seção retangular (cm) eρsheet=resistência para dada profundidade (D) quando l=W (Ω / □).
Os valores anteriores de resistência da folha emissora eram 30-60Ω / □ com profundidades de junção pn de> 400nm e alta concentração de superfície de P. Com melhorias na pasta de contato com prata (Ag) do lado frontal, a resistência da folha emissora está agora na faixa de 90-110Ω / □ com profundidade de junção de cerca de 300nm e concentração superficial de P. Mudar para maior resistência de folha permite capturar mais luz no espectro de UV e azul, enquanto também reduz a recombinação da superfície para melhorar o Voc. Ressalta-se que o processo de difusão ocorre no FS (exposto diretamente aos gases) e também nas bordas e no RS. Se o processo de isolamento da borda não for realizado (conforme discutido na Seção 4.3), o emissor entrará em curto-circuito com o substrato.
A Figura 12 mostra o processo de difusão de POCl3 em um sistema de tubo de quartzo fechado. O POCl3 é uma fonte de líquido fornecida ao tubo de processo fazendo-o borbulhar com um gás de transporte N2. Ao misturar
Figura 12. (a) Representação esquemática do processo de difusão em lote e (b) imagem representativa de um equipamento de difusão em lote. Fonte: centrotherm GmbH.
Na superfície de Si,
O cloro, que é um subproduto durante a pré-deposição, limpa as bolachas e o tubo de quartzo formando complexos com metais. PSG é usado como fonte para direcionar os átomos de P na superfície do Si. Durante o processo de drive-in, o POCl3 é desligado e apenas O2 é adicionado para formar uma fina camada de óxido sob o PSG para aumentar a difusão dos átomos de P na superfície do Si.
Dentro do tubo de difusão, existem cinco zonas de aquecimento, conforme ilustrado na Figura 13. As zonas são:
Zona de carga (LZ) - área de onde os wafers são carregados no tubo.
Zona de carregamento central (CLZ) —área entre a zona de carregamento e a zona central.
Zona central (CZ) - área central do tubo.
Zona de gás central (CGZ) - área entre a zona central e a zona de gás.
Zona de gás (GZ) - área de onde os gases saem pelo escapamento.
Figura 13. Zonas de aquecimento dentro do tubo de difusão.
Normalmente, as temperaturas de cada zona de aquecimento são ajustadas para obter resistência igual da folha emissora para todas as bolachas no barco.
O ambiente do processo de difusão deve ser muito limpo e, portanto, o material de quartzo é usado para os tubos. A limpeza dos tubos e a manutenção da área de carregamento também afetam os resultados do processo. Como na difusão em fase gasosa não há resíduos no tubo, resulta em um processo mais limpo. Por meio do carregamento de meio passo nas condições de baixa pressão (LP) [31], o rendimento pode ser aumentado. Normalmente 1.000 wafers são carregados em um único tubo e com cinco tubos de difusão em um sistema de difusão em lote, um rendimento de até 3.800 wafers / h pode ser alcançado para a fabricação de células solares.
Um sistema de difusão em linha onde as bolachas são transportadas em uma correia com ácido fosfórico como fonte de dopantes de P também foi usado na produção comercial [32]. No entanto, em comparação com o processo em linha, o processo em lote é mais limpo, eficaz e eficiente. Para células solares tipo n ou conceitos avançados de células solares como PERT, a difusão em lote tipo p é baseada em fontes dopantes de boro (B) como tribrometo de boro (BBr3) [33,34].
5.2 Deposição de revestimento anti-reflexo (ARC)
Uma superfície nua de Si reflete> 30% da luz incidente. Conforme discutido na Seção 4, o processo de texturização melhora a captura de luz. É desejável reduzir ainda mais a refletância que é obtida depositando uma camada ARC. O TiOx foi um dos primeiros materiais a ser usado como uma camada ARC para células solares, no entanto, como não podia fornecer passivação de superfície adequada, acabou sendo substituído por SiNx: H [37]. O óxido de silício cultivado termicamente (SiO2) também foi empregado como o material de passivação nas células de emissão passivada recorde de difusão local posterior (PERL) [37]. O alto orçamento térmico e o longo tempo de processo tornam a passivação baseada em SiO2 inadequada para a produção em massa de células solares [37]. Uma revisão abrangente de vários ARC e material de passivação para aplicações de células solares é discutida em [37].
O processo de deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) é adequado para depositar uma camada ARC de SiNx: H que não apenas reduz a reflexão, mas também passiva o emissor frontal do tipo n e o volume, melhorando assim a eficiência da célula solar [36, 37]. Um esquema de um sistema PECVD do tipo lote é mostrado na Figura 14. Os wafers são carregados em um barco de grafite com os lados frontais voltados um para o outro. Um plasma de RF baseado em gases de processo amônia (NH3) e silano (SiH4) operando a uma temperatura de 400–450 ° C deposita a camada de SiNx: H hidrogenada como perEq. (4) [35]. O hidrogênio incorporado no filme SiNx: H difunde-se na massa durante a etapa de disparo (discutido na próxima seção) e passiva as ligações pendentes para melhorar o desempenho da célula solar [36,37].
Figura 14. (a) Diagrama esquemático do processo PECVD tipo lote para SiNx: deposição H e (b) barco de grafite para carregar pastilhas de Si no forno PECVD.
O índice de refração (RI) do filme SiNx: H é controlado pela relação SiH4 / NH3gas, enquanto a espessura depende da duração da deposição. O SiNx: ARC baseado em H pode minimizar a reflexão para um único comprimento de onda e a espessura do comprimento de onda é dada por [38],
em que=espessura da camada SiNx: H ARC, λ0=comprimento de onda da luz que entra en1=índice de refração da camada SiNx: H.
Com base na relação, o ARC também é chamado de 'ARC de um quarto de onda'. Para células solares, o RI e a espessura são selecionados para minimizar a reflexão em um comprimento de onda de 600 nm, pois é o pico do espectro solar. A espessura e o RI do ARC são selecionados para ser a média geométrica dos materiais em ambos os lados, ou seja, vidro / ar e Si. A espessura típica do SiNx: H ARC é 80–85 nm com RI de 2,0–2,1 dando à célula solar uma cor de azul a azul violeta. Uma imagem representativa de célula solar multicristalina texturizada depositada com SiNx: H é mostrada na Figura 15 (a), enquanto a variação da cor de SiNx: H com base em sua espessura é mostrada na Figura 15 (b). É importante notar que existe uma dependência da textura da superfície e da cor ARC para determinados parâmetros de deposição. Há uma variedade de módulos solares em que a cor das células solares é mais escura, ao contrário da cor azul típica. Um estágio típico de deposição de ARC em uma linha de fabricação de células solares consiste em dois sistemas PECVD, cada um com quatro tubos e um rendimento de até 3.500 wafers / h.
Figura 15. (a) Imagem representativa da célula solar multicristalina revestida com SiNx: H, (b) variação da camada SiNx: H com base em sua espessura.
SiNx: H não é adequado para passivação de Si do tipo p e, portanto, dielétricos como Al2O3 são usados para passivação RS para arquitetura de células como células PERC [8] ou para emissores do tipo p em células solares do tipo n. Para células solares PERC, a camada passivadora de Al2O3 é coberta por um SiNx: H para protegê-la da pasta de Al durante o processo de queima e também servir como um refletor interno para a luz de longo comprimento de onda. Sistemas comerciais baseados em PECVD e deposição de camada atômica (ALD) estão disponíveis para a deposição de Al2O3 com vazão de até 4.800 wafers / h [39].
6. Metalização e caracterização de células solares
6.1 Metalização baseada em serigrafia
A última etapa de processamento para a fabricação de células solares é a metalização FS e RS para extrair a energia com perdas resistivas mínimas. Ag é um bom material de contato para o emissor do tipo n, enquanto Al faz um contato muito bom com o substrato do tipo p. Uma combinação de pasta Ag / Al é usada para imprimir almofadas no RS para facilitar a interconexão de células solares em um módulo. A serigrafia é um processo simples, rápido e de evolução contínua para metalização de células solares.
Uma representação esquemática do processo de impressão da tela é mostrada na Figura 16. As telas têm uma malha de aço inoxidável revestida com emulsão com aberturas de acordo com o padrão de metalização desejado, conforme ilustrado na Figura 17 (a). A pasta de metal é espalhada sobre a tela por meio da inundação e do movimento do rodo que deposita a pasta na célula solar com base no padrão da tela. Snap-off é a distância entre a tela e a célula solar. A pressão do rodo e a distância de encaixe são os parâmetros críticos que determinam a disposição da pasta e a geometria dos dedos Ag FS.
Figura 16. Ilustração do processo de serigrafia para metalização de células solares.
Figura 17. (a) Tela de emulsão de malha com abertura de dedo para impressão FS Ag [40] e (b) padrão de metalização FS representativo.
A aplicação de pasta típica para almofadas Ag / Al RS, RS Al e FS Ag são 35–45mg, 1,1–1,4g e 100–120mg, respectivamente para uma célula solar multicristalina Al-BSF de 6 polegadas. Um padrão de metalização Ag FS ilustrativo é mostrado na Figura 17 (b). A abertura do dedo Ag foi reduzida para menos de 30μm, enquanto a aplicação de barramento 5 está sendo cada vez mais adotada agora. Com esse parâmetro de tela e boa pasta estabelecida, FF consistente de> 80% deve ser obtido para as células solares Al-BSF com uma perda de sombra óptica de<>
6.2 Secagem e queima rápida de pastas de metalização
As pastas de metalização consistem em pó metálico, solventes e ligantes orgânicos. No caso da pasta FS Ag, a pasta também contém frita de vidro enquanto grava a camada de SiNx: H e faz contato com o emissor do tipo n [41]. As pastas metálicas são secas após a impressão e finalmente encaminhadas para um forno de queima rápida para sinterização e formação do contato RS Al-BSF e FS Ag. Um exemplo desse forno de queima rápida com o perfil de temperatura é mostrado na Figura 18. O processo de sinterização de dedo FS Ag é ilustrado na Figura 19. Quando a célula solar passa pelo forno de queima rápida, os ligantes orgânicos são queimados, seguido de fusão da frita de vidro e, finalmente, a formação de cristalitos de Ag em contato com o emissor do tipo n. O perfil de queima precisa ser ajustado com base nos tipos específicos de pastas de metalização e no perfil de difusão do emissor. Como exemplo, a temperatura de pico de disparo pode ser baixa para não formar um bom contato ôhmico no FS, enquanto uma temperatura muito alta pode levar à difusão de Ag através da junção e desvio da junção pn. A imagem de uma célula solar de Al-BSF multicristalina completa é mostrada na Figura 20.
Figura 18. (a) Exemplo de um forno de queima para sinterização de contatos de metal e (b) perfil ilustrativo de temperatura de um forno de queima. Fonte: centrotherm GmbH.
Figura 19. Ilustração do processo de disparo. (a) Queima dos ligantes orgânicos, (b) fusão da frita de vidro que grava o SiNx: H e (c) Formação de cristalito de Ag na interface do emissor.
Figura 20. (a) FS de uma célula solar completa e (b) RS de uma célula solar completa.
6.3 Metalização frontal baseada em chapeamento
O custo de vários fatores no processamento de células solares diminuiu ao longo dos anos, enquanto a contribuição do front Ag ainda é a mais significativa [42]. Uma quantidade significativa de trabalho foi realizada para substituir o Ag por um metal alternativo como o cobre (Cu), que tem um valor de condutividade muito próximo ao do Ag e também oferece uma vantagem de custo significativa em potencial [43,44]. O Cu tem alta difusividade e solubilidade em Si e, portanto, uma camada de barreira como o níquel (Ni) é depositada no Si antes do revestimento de Cu [42]. O chapeamento induzido por luz (LIP) que é derivado do chapeamento convencional utiliza o efeito fotovoltaico da luz para chapear o metal desejado e tem muitas vantagens em comparação com o chapeamento convencional [43,44].
A metalização frontal à base de Ni-Cu requer uma etapa de padronização ARC frontal adicional, ao contrário da metalização à base de pasta de Ag e, na maioria dos casos, também uma etapa de sinterização Ni adicional para reduzir a resistência de contato e ter boa adesão da pilha de metal [42 ] Células solares comerciais DWS cortadas de mc-Si baseadas em pilha de Ni-Cu-Ag foram demonstradas com largura de dedo de 22 μm, relação de aspecto de cerca de 0,5 e eficiência semelhante à das células solares de Ag impressos em tela de referência [45 ]
A melhoria contínua nas pastas Ag FS, juntamente com a simplicidade, confiabilidade e alto rendimento do processo de impressão da tela, tornou difícil para a metalização baseada em Ni-Cu competir com a metalização FS baseada em Ag. No entanto, conceitos de alta eficiência de células solares, como células solares de heterojunção bifacial, onde o Cu pode ser diretamente banhado no óxido condutor transparente, o processo de galvanização é simplificado e requer apenas uma única ferramenta [39]. Da mesma forma, conceitos de alta eficiência que requerem quantidade reduzida de metal podem alcançar o mesmo usando metalização baseada em chapeamento [42,46].
6.4 Teste IV e caracterização de células solares
A etapa final é o teste IV das células solares completas de acordo com as condições de teste padrão (STC), ou seja, AM 1.5G, 1000W / m2 com um simulador solar Classe AAA. Um exemplo de sondagem FS de célula solar é mostrado na Figura 21. Os parâmetros típicos obtidos do testador IV são indicados na Tabela 3. Os testadores IV têm muitos parâmetros de caracterização que podem ser úteis para o diagnóstico de defeitos de células solares. Eletroluminescência (EL) representativa e imagem IR térmica de uma célula solar com alguns defeitos são mostradas nas Figuras 22 (a) - (c). Uma imagem EL de uma boa célula solar com intensidade uniforme é mostrada na Figura 22 (a), enquanto para uma célula solar em que os dedos FS não são impressos uniformemente, um contraste mais escuro pode ser visto na Figura 22 (b). Figura 22 (c) ) mostra uma imagem infravermelha térmica de uma célula solar com um shunt localizado que foi formado durante uma das etapas de processamento. No final, as células solares são classificadas em diferentes categorias de eficiência com base na classificação selecionada.
Figura 21. Sondagem FS de medição IV para caracterização de célula solar.
Parâmetro
Comentários
Voc(V) | Boas células solares mc-Si Al-BSF têm um valor de> 0,635V |
Isc(A) | Boas células solares mc-Si Al-BSF têm um valor de> 9,0 A |
FF (%) | Boas células solares mc-Si Al-BSF têm um valor de> 80% |
Eficiência (%) | Boas células solares mc-Si Al-BSF têm um valor de> 18,6% |
Vmpp(V) | Tensão correspondente no ponto de potência máxima |
Impp(A) | Corrente correspondente no ponto de potência máxima |
Rs(Ω) | Boas células solares mc-Si Al-BSF têm um valor de< 1,5=""> |
Rsh(Ω) | Boas células solares mc-Si Al-BSF têm um valor de> 100Ω |
Irev(A) | A corrente reversa a uma tensão de −12 V deve ser< 0,5="" a="" para="" boas="" células=""> |
Resistência FS BB-BB (Ω) | Resistência medida entre o BB no FS |
Resistência RS BB-BB (Ω) | Resistência medida entre os BB's no RS |
Tabela 3. Parâmetros para caracterização de uma célula solar obtida por medição IV.
Figura 22. (a) imagem EL de uma célula solar boa, (b) imagem EL de uma célula solar com não uniformidade na impressão digital de Ag e (c) imagem infravermelha térmica de uma célula solar indicando a presença de shunts localizados.
7. Tendências futuras
O DWS se tornou o padrão para wafers monocristalinos, enquanto se espera que tenha uma participação de mercado de> 80% em 2022 para wafers multicristalinos [2]. Espera-se que o SWS para wafers multicristalinos seja eliminado gradualmente nessa época. Com o DWS, a perda de kerf também se tornaria< 80μm="" em="" 2022,="" o="" que,="" por="" sua="" vez,="" reduziria="" o="" consumo="" de="" poli-si="" por="" wafer="" abaixo="" de="" 15g.="" espera-se="" que="" o="" projeto="" 3bb="" para="" contatos="" frontais="" seja="" eliminado="" em="" 2020="" com="" 50%="" de="" participação="" para="" o="" projeto="" 5bb.="" com="" melhorias="" contínuas="" nas="" pastas="" e="" telas="" de="" ag,="" a="" largura="" do="" dedo="" fs="" é="" projetada="" para="" reduzir="" para="" 30μm="" até="" 2022.="" as="" ferramentas="" de="" processamento="" químico="" úmido="" ultrapassaram="" a="" capacidade="" de="" 8.000="" wafers="" h="" em="" 2018="" e="" atingiriam="" 9.000="" wafers="" h="" em="" 2020.="" equipamentos="" de="" processamento="" térmico="" atingiram="" um="" rendimento="" de="" 5.000="" bolachas="" h="" em="" 2018="" e="" espera-se="" que="" cruzem="" 7.000="" bolachas="" h="" em="" 2020.="" a="" seção="" de="" metalização="" e="" teste="" iv="" classificação="" deve="" ter="" um="" rendimento="" de=""> 7.000 bolachas / h em 2022.
A tecnologia de células baseadas em Al-BSF que tem uma participação de mercado de> 60% em 2018 deve reduzir para< 20%="" até="" 2025.="" com="" mais="" ênfase="" em="" conceitos="" de="" células="" solares="" de="" alta="" eficiência,="" participação="" de="" perc="" a="" tecnologia="" deve="" ser=""> 50% até 2022. A eficiência de produção do Mono PERC deve ser> 22% até 2022, enquanto que para o multi PERC deve chegar a 21% ao mesmo tempo. Um aspecto importante relacionado ao multi-PERC é a mitigação do problema baseado em LeTID para minimizar a perda de eficiência após as instalações dos módulos em campo. Células Si HJ com eficiências de> 22% em 2018 após a expectativa de atingir eficiência estável de 23% até 2020, com uma participação de mercado de cerca de 10% em 2022. Células bifaciais de alta eficiência com uma vantagem adicional de aproveitamento solar a radiação da parte traseira deve ter uma participação de mercado de 20% em 2022. As células solares de contato posterior do tipo N devem atingir 24% de eficiência em 2020.
8. Conclusões
As células solares de Si se tornaram uma parte importante do domínio da energia renovável nas últimas décadas com tecnologias de fabricação maduras. Os wafers multicristalinos do tipo P tornaram-se o principal suporte para a produção de células solares. No entanto, com maior eficiência e custos de produção decrescentes, as células solares monocristalinas também ganharam uma parcela significativa e devem competir de perto com os wafers multicristalinos em um futuro próximo. Para a tecnologia padrão Al-BSF, 19 e 20% se tornou a referência para células solares multicristalinas e monocristalinas, respectivamente. As células Mono-PERC e multi-PERC atingiram eficiências estabilizadas de 21,5 e 20%, respectivamente. Além disso, o PERC também fornece uma abordagem mais simples para células solares bifaciais por ter um padrão de grade no RS em vez do contato de área total. Células solares tipo n e bifaciais de alta eficiência têm uma participação de mercado de< 10%,="" que="" deverá="" aumentar="" no="" futuro.="" as="" tecnologias="" de="" fabricação="" amadureceram="" consideravelmente="" nos="" últimos="" anos,="" com="" melhorias="" adicionais="" para="" aumentar="" o="">
Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer aos colegas da RCT Solutions GmbH, de quem parte do conteúdo do capítulo foi extraído. Mehul C.Raval gostaria de agradecer ao colega Jim Zhou pelas discussões sobre a texturização de silício preto.
