Análise teórica de emissores homogêneos (n+) e duplamente difundidos (n+n++) em células solares de silício: implementações ao processo de fabricação.

• Main Author: Nair Stem
• Other Authors: Manuel Cid Sánchez
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 1998
• Subjects: Células solares; Fabricação (Microeletrônica); Modelos analíticos; Silício; Analitical models; Fabrication (Microelectronics); Process; Silicon; Solar cells
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-17052012-112927/

Com o objetivo de melhorar a eficiência as células solares de silício do tipo n+pp+, foi desenvolvido um modelo de otimização teórica visando dar subsídios para otimizar convenientemente as diversas etapas envolvidas no processo de fabricação destes dispositivos. Para levar a cabo o estudo teórico foi desenvolvido um programa considerando as características das três regiões que compõe a célula solar n+, base p e emissor posterior p+. O emissor frontal e a base foram analisados através de modelos teóricos com soluções analíticas, enquanto que a região posterior foi analisada através da teoria clássica. Foram otimizados dois tipos de emissores: homogêneos e duplamente difundidos, utilizando parâmetros internos atualizados. Através dos resultados teóricos obtidos, verificou-se o excelente comportamento dos emissores homogêneos, pouco dopados, profundos e passivados. Melhores resultados teóricos foram obtidos com emissores duplamente difundidos, ou seja, compostos por diferentes níveis de concentrações de dopantes nas regiões passivadas e metalizadas. Entretanto, através da comparação entre emissores homogêneos e os duplamente difundidos, verificou-se uma predominância dos homogêneos para aplicações industriais. Assim sendo, a comparação foi seguida de uma análise da dependência dos emissores homogêneos com o fator de sombreamento metálico (Fm). Uma vez realizadas as otimizações teóricas, passou-se ao desenvolvimento tecnológico de células solares com emissores duplamente difundidos e passivados. Visando incrementar o rendimento das células solares, diversas etapas do processo de fabricação foram implementadas e/ou melhoradas, tais como, o uso de aditivos clorados (C33), na limpeza dos fornos e no crescimento da camada passivadora e anti-refletora do dióxido de silício, a texturização química e a pré-deposição de fósforo em tubo aberto. O sistema anti-refletor (superfície texturizada com dióxido de silício) foi utilizado, uma vez que produziu uma significativa redução da reflexão da superfície frontal da célula solar. As células solares desenvolvidas neste trabalho foram caracterizadas utilizando diversas técnicas como curva IxV no escuro e sob iluminação, curvas de corrente de curto-circuito versus tensão de circuito aberto e respostas espectrais ou eficiências quânticas. Os resultados obtidos mostraram a excelente qualidade alcançada pelos emissores desenvolvidos, tanto com relação à eficiência de coleção para curtos comprimentos de onda, como no referente à pouca contribuição à densidade de corrente de recombinação. Das análises teórico-experimentais realizadas concluiu-se que as células desenvolvidas neste trabalho estão limitadas pela recombinação na região de base, devendo ser este um dos caminhos a ser seguido visando melhorar o rendimento destes dispositivos. A célula mais representativa do processo utilizado alcançou uma eficiência de (16,9 ± 0,3)%, uma tensão de circuito aberto de 639,6mV e uma densidade de corrente de curto-circuito de 33,67mA/cm² (medidas realizadas no National Renewable Energy Laboratory (NREL)). === Searching for the improvement of n+pp+ solar cell efficiencies, a theoretical model was developed in order to optimize the emitter parameters and several technological processes were implemented in the fabrication of these devices. Thus, a code considering the characteristics of the different regions n+ emitter, base region and p+ emitter were developed. The emitter n+ and the base region were analyzed by means of the theoretical model with analytical solutions, while the p+ emitter was analyzed considering the classical theory. Using update parameters, a optimization was made for the two kinds of emitters. And by means of the theoretical results, the excellent behavior of homogeneous emitters when moderately doped, relatively thick and passivated. The best theoretical results were found with two-step diffusion emitters. However, comparing the two kinds of emitters a remarkable importance was found for practical applications of homogeneous emitter. Thus, a comparison considering the dependence of homogeneous emitters on the metal-grid shadowing factor (Fm) was fulfilled. The technological development was fulfilled with some innovations in the fabrication process; such as the use of C33 (in the cleaning of high temperature furnaces, as well as for growing the SiO2), chemical texturizations and phosphorus pre-deposition in open tube furnaces. The anti-reflection system was chosen, considering the theoretical-experimental optimizations developed for anti-reflection coatings. The solar cells were characterized by current density versus voltage curve under darkness and illumination, quantum efficiency and so on. The obtained results showed the excellent quality reached for the developed emitters, as for the internal quantum efficiency as for the low recombination current density. Analyzing the theoretical and experimental results, it was found that the base region is limiting the performance of the cells. Thus, this must be a way of improving the efficiency of these cells. The best solar cell has a short-current density of 33.67mA/cm², an open-circuit voltage 639.6mV and efficiency of (16.9 ± 0.3)%, measured by National Renewable Energy Laboratory (NREL).