Células solares bifaciais industriais em lâminas de silício finas: análise de passivação de superfícies e tipo de silício

Bifacial solar cells on thin silicon wafers: analysis of the surface passivation and type of silicon

Resumo

O objetivo deste trabalho foi analisar a passivação de superfícies com SiO₂ em células solares bifaciais fabricadas em lâminas finas bem como avaliar a influência do tipo de silício monocristalino utilizado para fabricar as células solares. A estrutura implementada foi a n⁺pp⁺, com fósforo na face frontal e boro e alumínio na face posterior, formando uma região seletiva de campo retrodifusor. Foram usadas lâminas de silício Cz (Czochralski) e FZ (float zone) com 145 μm de espessura e implementou-se uma etapa térmica para crescer uma camada de SiO₂ para passivar as superfícies. O óxido passivou as superfícies, proporcionando um aumento de 0,5% absolutos na eficiência das células solares fabricadas em silício FZ. As células solares produzidas em Si-Cz não obtiveram o mesmo aumento porque apresentaram uma elevada resistência em série. A célula solar fina mais eficiente foi fabricada com silício FZ e com superfícies passivadas, atingindo eficiência de 14,5% e de 11,1%, para iluminação pela face n⁺ e p⁺, respectivamente. As células em Si-Cz, mesmo com menor tempo de vida inicial dos portadores de carga minoritários, atingiram eficiências um pouco menores que estes valores.

Palavras-chave:
células solares; células solares bifaciais; lâminas finas de silício; passivação de superfícies

Abstract

The aim of this paper was to analyze the surface passivation based on SiO₂ for thin bifacial solar cells as well as to evaluate the influence of the type of substrate used to fabricate the cells. The n⁺pp⁺ structure was implemented, with phosphorus in the front face and boron and aluminum in the rear face, forming in the latter a selective back surface field. The Czochralski (Cz) and float zone (FZ) monocrystalline silicon wafers (145 μm thick) were used and a thermal step to grow a SiO₂ layer to passivate the surfaces was implemented. The oxide passivated the surfaces, providing an absolute increase of 0.5% in FZ silicon solar cell efficiency. The solar cells produced in Si-Cz did not present the same increase because they showed a high series resistance. The more efficient thin solar cell was manufactured with Si-FZ and with oxidized surfaces, reaching the efficiency of 14.5% and 11.1%, for illumination by the n+ and p+ faces, respectively. The Si-Cz solar cells, even with a lower initial lifetime of minority carriers, reached slightly lower efficiencies than Si-FZ solar cells.

Keywords:
solar cells; bifacial solar cells; thin silicon wafers; surface passivation

INTRODUÇÃO

A estrutura padrão atual das células solares industriais de silício é a n⁺pp⁺, com a face frontal n⁺ dopada com fósforo e posterior p⁺ com alumínio. O fósforo é difundido em toda a superfície da lâmina e o alumínio, depositado por serigrafia sobre a face posterior, é difundido em forno de esteira. Esta camada de Al compensa a dopagem tipo n, formando uma região p⁺ que repele portadores de carga minoritários. Esta região na face posterior é denominada de região de campo retrodifusor ou BSF, back surface field. As células solares com espessuras da ordem de 180 a 200 mm atingem eficiências de 15% a 17% usando silício monocristalino ¹. Uma forma de reduzir os custos de fabricação das células solares é por meio do uso de lâminas de menor espessura, pois a lâmina corresponde a 58% do custo ¹. Porém, se for usada a tecnologia padrão baseada na deposição de alumínio na face posterior, pode ocorrer o abaulamento da lâmina durante o processo de difusão e queima da pasta metálica, conduzindo à quebra das lâminas na sequência do processamento. O abaulamento ocorre devido aos diferentes coeficientes de expansão térmica da liga Al-Si e do Si, produzindo uma contração do contato posterior ².

Regiões p⁺ formadas pela difusão localizada de alumínio, em forma de malha, ou por boro difundido em toda a superfície posterior podem ser alternativas para evitar o problema do abaulamento. Além disto, como o alumínio não é depositado em toda a face posterior, permite-se que o dispositivo possa ser usado como célula solar bifacial. Este tipo de célula solar é ativo em ambas as faces e, quando aplicado em módulos concentradores de radiação ou em estruturas que permitam aproveitar a radiação de albedo, pode proporcionar ganhos de potência ^{3)- (6}. Segundo estudos recentes ⁷, a potência excedente proporcionada pela radiação incidente na face posterior pode viabilizar as estruturas bifaciais para a redução dos custos da eletricidade produzidas por módulos fotovoltaicos. Em lâminas de silício monocristalino tipo p, dopadas com boro, as células solares bifaciais mais eficientes foram desenvolvidas por pesquisadores da Hitachi utilizando uma estrutura do tipo triodo, tendo um contato elétrico na face frontal tipo n⁺ e dois na face posterior, sobre regiões n⁺ e p^{+ (8}. Foram usadas lâminas de silício crescido pela técnica da fusão zonal flutuante (FZ, float zone), com espessura da ordem de 250 µm e as eficiências de 21,3% e 19,8% foram obtidas para iluminação pela face frontal e posterior, respectivamente. Com estruturas simplificadas n⁺pp⁺, isto é, com uma junção na face frontal e uma região de BSF na face posterior, Yang et al.⁹ e Janβen et al.¹⁰ apresentaram células solares de alta eficiência usando lâminas de silício Cz (Czochralski) com espessura da ordem de 200 µm. Os primeiros publicaram resultados de células solares de área igual a 149 cm² e com malhas metálicas obtidas por serigrafia, atingindo eficiências de 16,6% (iluminação pela face frontal) e de 12,8% (face posterior) ⁹. Janβen et al.¹⁰ também usaram contatos metálicos depositados por serigrafia, mas em vez de usar uma região p⁺ uniforme em toda a face posterior, uma malha metálica de Al foi depositada para produzir uma região de BSF localizada. A eficiência para iluminação pela face frontal foi de 17% e pela face posterior foi de 10,3%.

Usando lâminas de silício monocristalino crescido pela técnica Cz, de 120 μm de espessura, Recart ¹¹ desenvolveu dispositivos n⁺pp⁺ bifaciais de 24,7 cm². O emissor n⁺ foi obtido pela difusão de fósforo usando como fonte de dopante o POCl₃ e a região p⁺, na face posterior, foi obtida pela deposição de pastas ricas em boro e difusão em forno de esteira. As células solares n⁺pp⁺ com regiões n⁺ e p⁺ homogêneas atingiram as eficiências de 14,3% e 10,8%, com iluminação frontal (região n⁺) e posterior (p⁺), respectivamente ¹¹. Células solares bifaciais finas de 4 cm², com 130 μm de espessura, alcançaram eficiências de 16,9% e 10,4% para iluminação pela face n⁺ e p⁺. Estas células fotovoltaicas foram fabricadas com lâminas de silício crescido pela técnica FZ, com contatos metálicos obtidos por evaporação em alto vácuo, processo inviável na indústria de células solares ¹². Com estrutura n⁺p, superfície frontal e posterior passivada com SiN_x e região de BSF de Al localizada somente no contato elétrico da face posterior, foram obtidas as eficiências de 14,6%/13,6% (frontal/posterior) em dispositivos de área reduzida (4 cm²) e com lâminas de silício Cz de 140 μm de espessura ¹³. Regiões de BSF seletivo também foram propostas para células solares bifaciais fabricadas em lâminas finas ^{14), (15}. No BSF seletivo, o boro é difundido em toda a face posterior e o Al somente no contato metálico em forma de malha, conforme esquematizado na Fig. 1. Usando lâminas de Si-Cz tipo p de 150 mm de espessura, foram fabricados dispositivos bifaciais de 61,58 cm² com eficiências de 14,0% e de 10,4% para iluminação pela face n⁺ e p⁺, respectivamente ¹⁵. Nestas células solares, a região n⁺ foi obtida mediante difusão de fósforo usando POCl₃ como fonte. A região p⁺ foi produzida pela deposição de boro por spin-on e difusão em forno de tubo de quartzo bem como pela deposição de pasta de alumínio por serigrafia e difusão em forno de esteira. As superfícies não foram recobertas com filmes passivadores. Os mesmos autores ¹⁴ também demonstraram que as regiões localizadas de Al na face posterior somente podem ser usadas se um filme passivador de superfícies e, ao mesmo tempo, barreira para difusão de contaminantes for depositado sobre as lâminas antes do processo de metalização. Lâminas finas de silício tipo n, dopadas com fósforo, também podem ser usadas na fabricação de células bifaciais, obtendo-se a estrutura n⁺np⁺ ou p⁺nn⁺. Por exemplo, Jimeno et al.¹⁶ fabricaram dispositivos n⁺np⁺ com metalização por serigrafia que atingiram eficiência de 13,2% na face n⁺n e 12,7% na face p⁺n, usando silício Cz com 160 μm de espessura ¹⁶. As células bifaciais foram processadas com regiões n⁺ e p⁺ homogêneas obtidas a partir da deposição de pastas com dopantes e difusão em forno de esteira, processos de alta produtividade.

Figura 1:
Esquema de célula solar bifacial fina com região p⁺ seletiva.
Figure 1:
Schematic of thin bifacial solar cell with selective p⁺ region.

O objetivo deste trabalho foi analisar a influência do tipo de silício (Cz e FZ) nas características elétricas de células solares bifaciais finas bem como a passivação de superfícies com camada de SiO₂ crescido termicamente. As células solares com espessura de 145 μm foram desenvolvidas com a estrutura n⁺pp⁺, com região p⁺ seletiva obtida pela difusão de boro a partir de dopante depositado por spin-on e pela difusão de alumínio depositado por serigrafia, sendo a área de alumínio definida por uma máscara em forma de malha.

MATERIAIS E MÉTODOS

Foram utilizadas lâminas de silício monocristalino Cz (Czochralski) e FZ (float zone), tipo p, dopadas com boro e orientação dos planos cristalográficos de {100}. As lâminas de silício Cz tinham resistividade de 2 Ω.cm, espessura inicial de 535-585 μm e o tempo de vida dos portadores de carga minoritários (τ) nas lâminas, medido pela técnica do decaimento da fotocondutividade e com as lâminas imersas em HF 49%, foi da ordem de 42±5 μs. As lâminas de silício FZ apresentaram resistividade de 1-5 Ω.cm, espessura inicial de 280 μm e o τ foi de 165±12 μs, evidenciado a melhor qualidade do silício FZ frente ao crescido pela técnica Cz. A espessura das lâminas foi reduzida para aproximadamente 145 μm mediante um ataque químico constituído de 210 g de KOH e 1,6 L de água deionizada (H₂O_DI), mantido a 90 °C ¹⁷. Para as lâminas Cz, o tempo de ataque foi de 110 min e para as FZ foi de 35 min porque as espessuras iniciais eram diferentes. Esta solução foi empregada porque não havia no mercado a disponibilidade de lâminas finas.

O processo de fabricação utilizado neste trabalho está resumido na Fig. 2. Depois da redução da espessura, realizou-se o ataque anisotrópico das superfícies em um banho de KOH, isopropanol e H₂O_DI para formar micropirâmides na superfície da lâmina. Em seguida, realizou-se uma limpeza RCA das lâminas baseada em soluções químicas como H₂O₂, NH₄OH, HCl e H₂O_DI. O líquido contendo boro, PBF20, da Filmtronics, foi depositado por spin-on sobre uma face das lâminas e estas foram introduzidas em uma estufa para evaporação dos solventes. Após a deposição do dopante, foi realizada a difusão de boro em forno com tubo de quartzo na temperatura de 1000 °C por 20 min, seguida de processo de oxidação. A camada de silicato de boro e óxido de silício formada teve a função de proteger a face dopada com boro do processo seguinte de difusão de fósforo ¹⁸. Após a difusão de boro, foi depositada resina fotossensível por spin-on na superfície com silicato de boro e a mesma foi secada em estufa. O óxido na face sem resina foi atacado em solução de HF tampão e foi realizada a limpeza da resina com acetona, álcool isopropílico e H₂O_DI. Para retirar todos os resíduos, as lâminas foram submetidas novamente à limpeza RCA. A difusão de fósforo foi realizada em um forno de alta temperatura com tubo de quartzo usando POCl₃ como fonte. O fósforo foi difundido a 875 °C, com pré-deposição de 60 min e redistribuição de 10 min. A resistência de folha (R□) da região n⁺ foi de 43±2 Ω/□, com concentração de superfície (C_S) de 4,3.10²⁰ cm^-3 e espessura de 0,4 μm ¹⁵. A região p⁺, também depois do processo térmico de difusão de fósforo, apresentou as seguintes características: R□= 30±2 Ω/□, C_S= 2.10¹⁹ cm^-3 e espessura de 1 µm ¹⁵. Na sequência, extraíram-se os silicatos de fósforo e de boro mediante um ataque químico em ácido fluorídrico e realizou-se a limpeza RCA.

Figura 2:
Processo de fabricação desenvolvido para produção de células solares bifaciais.
Figure 2:
Fabrication process developed to produce bifacial solar cells.

Foram separadas lâminas de controle que não foram oxidadas e que passaram diretamente para a etapa de deposição de filme antirreflexo. Em um grupo de lâminas, uma camada de SiO₂ com espessura da ordem de 10 nm foi crescida a 800 °C para reduzir a recombinação nas superfícies. Sobre a face n⁺, depositou-se um filme antirreflexo (AR) de TiO₂ por evaporação em alto vácuo com canhão de elétrons. Embora as células bifaciais devam receber filme AR em ambas as faces, optou-se por não depositar este filme antes da metalização posterior para não prejudicar a formação da região de BSF seletiva com a pasta de Al. Neste caso, o filme deve ser depositado depois da metalização.

A metalização posterior foi realizada por serigrafia com a pasta de alumínio PV381, da DuPont, que teve a função de formar o contato e a região de BSF. A malha metálica frontal foi implementada por serigrafia utilizando a pasta de prata PV159, da DuPont. As pastas foram secadas em forno de esteira a 200 °C e queimadas no mesmo forno, a 840 °C para lâminas sem camada de SiO₂ e 850 °C para lâminas com SiO₂¹⁴. No processo de queima, a pasta de prata perfura as camadas de SiO₂ e TiO₂, contatando eletricamente a região n⁺ e a pasta de alumínio perfura a camada de SiO₂, formando a região de BSF e o contato posterior. As faces frontal e posterior receberam uma malha de metal com trilhas de 100 µm de largura, duas barras coletoras de 2 mm de largura e com um fator de sombra de 9,5%. Para finalizar, as bordas das células solares foram cortadas por meio de um sistema com radiação laser para obter células solares pseudoquadradas de 80 x 80 mm, com área de 61,58 cm².

As células solares foram caracterizadas eletricamente mediante a medida da curva corrente-tensão elétrica (I-V) nas condições padrão: 1000 W/m², espectro solar AM1,5 G e 25 °C. As medidas foram realizadas com iluminação pela face n⁺ e p⁺. A partir da curva I-V, determinaram-se os seguintes parâmetros: a) V_OC, tensão de circuito aberto; b) J_SC, densidade de corrente de curto-circuito; c) FF, fator de forma; e d) η, eficiência. Nas células solares mais eficientes foi depositado o filme AR sobre a face p⁺, depois do processo de metalização e da primeira caracterização elétrica. As células solares de maior eficiência foram analisadas pela técnica LBIC (light beam induced current) ¹⁹, com o equipamento WT 2000 PV da Semilab, em quatros comprimentos de onda: 648, 845, 953 e 973 nm. Com a medida da corrente de curto-circuito nestes quatro comprimentos de onda foi possível estimar o comprimento de difusão (L_D) dos portadores de carga minoritários.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Tabela I apresenta os parâmetros elétricos médios das células solares fabricadas. Em relação ao tipo de lâmina utilizado, observou-se que a melhor qualidade da lâmina FZ (float zone), comprovada pelo maior tempo de vida dos portadores de carga minoritários, resultou em células solares com maiores valores médios de parâmetros elétricos. Os dispositivos em lâminas FZ com SiO₂, em relação às de silício Cz (Czochralski), apresentaram V_OC, J_SC e η maiores em 12 mV, 2,2 mA/cm² e 2,5% (absolutos), respectivamente. Nas células solares sem passivação (sem SiO₂), a diferença entre os parâmetros elétricos dos dispositivos com Si-FZ e Cz foi menor. Neste caso, ao usar Si-FZ, os parâmetros V_OC, J_SC e η foram incrementados em +10 mV, +0,6 mA/cm² e +0,6% (absolutos), respectivamente. Com iluminação pela região de BSF seletivo, a diferença em eficiência entre células solares FZ e Cz foi de 0,9% e 2% absolutos para células sem e com SiO₂, respectivamente. A maior diferença observada nos dispositivos com SiO₂ era esperada, pois como houve passivação de superfícies, a influência do t tornou-se mais evidente nas características elétricas. O FF (fator de forma) foi relativamente baixo em todas as células solares, evidenciando a existência de resistência em série elevada. Para as lâminas FZ, observou-se que o SiO₂ proporcionou um aumento na eficiência para ambos os modos de iluminação. Por outro lado, nas células com lâminas Cz, a oxidação final não acarretou em melhoria dos dispositivos devido ao menor FF. No entanto, as lâminas foram oxidadas no mesmo processo térmico e não houve razão para as Cz terem maior espessura de SiO₂, o que dificultaria o contato elétrico. Uma hipótese para esta redução no FF é a geração de defeitos localizados no processo térmico de oxidação, tais como a precipitação de oxigênio, pois em lâminas de silício Cz a concentração de oxigênio pode ser de até duas ordens de magnitude acima da encontrada em lâminas FZ. No entanto, este comportamento pode ser diferente se forem usadas lâminas de Si-Cz de outros fabricantes.

Tabela I -
Parâmetros elétricos médios de células solares fabricadas com lâminas de silício Cz e FZ, com e sem camada de SiO₂. O filme AR foi depositado somente sobre a face n⁺.
Table I -
Average electrical parameters of solar cell fabricated by using Cz and FZ silicon, with and without SiO₂ layer. The ARC was deposited only on the n⁺ face.

Substrato	SiO2	VOC (mV)	JSC (mA/cm2 )	FF	η (%)
Iluminação pela face n+
Cz	Sem	591 ± 17	31,6 ± 1,0	0,71 ± 0,01	13,4 ± 1,0
	Com	592 ± 12	31,0 ± 2,0	0,67 ± 0,02	12,0 ± 1,0
FZ	Sem	601 ± 1	32,2 ± 0,1	0,72 ± 0,01	14,0 ± 0,1
	Com	604 ± 1	33,2 ± 0,2	0,72 ± 0,01	14,5 ± 0,1
Iluminação pela face p+, com região de BSF de boro e Al
Cz	Sem	582 ± 18	20,6 ± 2,6	0,73 ± 0,01	8,8 ± 1,5
	Com	582 ± 13	22,0 ± 2,0	0,7 ± 0,1	8,4 ± 1,5
FZ	Sem	592 ± 1	22,2 ± 0,2	0,73 ± 0,01	9,7 ± 0,1
	Com	595 ± 1	23,7 ± 0,3	0,73 ± 0,01	10,4 ± 0,2

A Tabela II resume os resultados das células solares fabricadas que apresentaram a maior eficiência e os valores obtidos por simulação com o programa computacional PC-1D ²⁰. Foram fixados os seguintes parâmetros nas simulações: espessura de 145 µm, refletância da superfície texturada frontal com filme AR de TiO₂, fator de sombra de 9,5% e resistividade de base de 2 Ω.cm para lâminas Cz e FZ. Para ajustar os resultados obtidos das simulações com os experimentais, variou-se o τ, a velocidade de recombinação na superfície n⁺ (S_f), a velocidade de recombinação na superfície posterior com BSF (S_p) e a resistência em série específica (r_S*). Para ambos os tipos de substrato, a camada de SiO₂ reduziu a S_f e S_p em duas ordens de magnitude, de 10⁷ para 10⁵ cm/s. Para superfícies n⁺, o valor foi acima do previsto em ²¹, de 4,3.10⁴ cm/s para C_S= 4,3.10²⁰ cm^-3. Em regiões p⁺ com C_S= 1,6.10¹⁹ cm^-3, o valor de S_p esperado seria, para superfícies texturadas, de 5,2.10⁴ cm/s (o valor correspondente a uma superfície polida, 4,7.10³ cm/s, multiplicado por um fator de 11 para ajustar a recombinação relativa a superfícies texturadas) ²². Assim, embora a camada de SiO₂ tenha passivado as superfícies, sua qualidade não foi elevada. A redução na velocidade de recombinação em superfície para os níveis previstos poderia subir a J_SC em aproximadamente 1 mA/cm² e a eficiência dos dispositivos passivados em até 0,9% absolutos, mantidas as demais características (τ e r_S*). Ao ajustar o tempo de vida dos portadores minoritários, tanto para o silício Cz como para o FZ, verificou-se que o valor ajustado foi menor para células solares que passaram pelo processo de oxidação. Neste caso, embora o óxido de silício passive as superfícies, o processo térmico introduziu contaminantes ou produziu defeitos nas lâminas. Notou-se que as lâminas FZ apresentaram um t menor que o inicial de 165±12 μs, mas no caso das lâminas de silício Cz, houve uma melhora neste parâmetro, de 42 para 55 μs (antes da oxidação), atribuída ao processo de gettering com fósforo ¹⁵. Quando se compararam as células solares mais eficientes, observou-se que as diferenças entre as fabricadas com silício Cz e FZ são pequenas no que se refere a V_OC e J_SC. Somente no caso dos dispositivos passivados com SiO₂ houve uma diferença na resistência em série e consequentemente no FF. O valor da resistência em série foi elevado para todas as células, mas principalmente para células Cz com SiO₂, com FF abaixo de 0,7 e r_S*= 3,3 Ω.cm². Os elevados valores de r_S* para todas as células solares foram atribuídos à malha posterior de alumínio.

Tabela II -
Características elétricas das células solares mais eficientes e valores obtidos mediante simulação com o programa PC-1D.
Table II -
Electrical parameters of the best solar cells and results from simulation by means of the PC1D device-modeling program.

Subst.	Parâmetros ajustados por simulação	SiO2	Ilum.	Resultado	VOC (mV)	JSC (mA/cm2 )	FF	η (%)
Cz	Sf = 4.105 cm/s	Com	n+	Exp.*	603	33,1	0,673	13,4
	Sp = 1.105 cm/s			Sim.o	603	33,2	0,669	13,4
	t = 22 ms		p+	Exp.	595	23,7	0,706	10,0
	rS* = 3,3 Ω.cm2			Sim.	595	23,7	0,707	10,0
	Sf = 1.107 cm/s	Sem	n+	Exp.	602	32,3	0,719	14,0
	Sp = 1.107 cm/s			Sim.	602	32,6	0,713	14,0
	t = 55 ms		p+	Exp.	594	22,2	0,739	9,7
	rS* = 2,4 Ω.cm2			Sim.	592	22,3	0,750	9,8
FZ	Sf =1,5.105 cm/s	Com	n+	Exp.	605	32,9	0,729	14,5
	Sp = 1.105 cm/s			Sim.	605	33,6	0,717	14,6
	t = 19 ms		p+	Exp.	596	23,6	0,740	10,4
	rS* = 2,2 Ω.cm2			Sim.	596	23,2	0,752	10,4
	Sf = 1.107 cm/s,	Sem	n+	Exp.	600	32,3	0,726	14,1
	Sp = 1.107 cm/s			Sim.	600	32,6	0,740	14,0
	t = 45 ms		p+	Exp.	590	22,0	0,734	9,5
	rS* = 2,3 Ω.cm2			Sim.	591	22,1	0,750	9,8

• Notas: * - experimental; o - simulado.

A Tabela III apresenta as características elétricas das células solares mais eficientes e com filme AR sobre a face p⁺, depositado depois do processo de metalização. Notou-se que para ambos os substratos a eficiência obteve um aumento de aproximadamente 0,7% absolutos após a deposição do filme AR. O aumento da J_SC de 2 mA/cm² deveu-se ao maior número de fótons absorvidos pela célula fotovoltaica. As células solares mais eficientes processadas com lâminas Cz não possuíram a camada de SiO₂ e atingiram a eficiência de 14% quando iluminadas pela face n⁺ e de 10,4% quando iluminadas pela face p⁺. O dispositivo mais eficiente foi fabricado com silício FZ e com a passivação de SiO₂, alcançando as eficiências de 14,5% e 11,1% com iluminação pela face n⁺ e p⁺, respectivamente. Estes resultados foram semelhantes aos obtidos em ¹¹, no entanto neste trabalho o processo de fabricação tem um menor número de passos, as células solares bifaciais são de maior área e considerou-se a barra coletora na área ativa do dispositivo. Considerando os valores de velocidade de recombinação em superfície anteriormente citados e previstos em ^{17), (18}, um τ de 55 ms no final do processamento e a r_S* reduzida para 1,0 Ω.cm² (valor que pode ser obtido em células solares com malha metálica otimizada), a eficiência na face n⁺ obtida mediante simulação com o programa PC-1D seria de 16,2% e a da face p⁺ seria de 13,3%, sendo estes os limites práticos para a estrutura estudada neste trabalho.

Tabela III -
Características elétricas das células solares mais eficientes, iluminadas pela face p⁺, com e sem filme antirreflexo de TiO₂.
Table III -
Electrical characteristics of the most efficient solar cells, illuminated by p⁺ face, with and without TiO₂ ARC.

Subst.	SiO2	Filme AR	VOC (mV)	JSC (mA/cm2 )	FF	η (%)
Cz	Com	Sem	595	23,7	0,706	10,0
		Com	593	25,7	0,702	10,7
	Sem	Sem	594	22,2	0,739	9,7
		Com	592	24,2	0,728	10,4
FZ	Com	Sem	596	23,6	0,740	10,4
		Com	594	25,4	0,735	11,1
	Sem	Sem	590	22,0	0,734	9,5
		Com	590	24,1	0,726	10,3

A Fig. 3 apresenta a distribuição do comprimento de difusão dos portadores de carga minoritários obtida pela técnica LBIC para os dispositivos mais eficientes em lâminas Cz e FZ, com e sem óxido. Embora o tempo de vida inicial dos portadores de carga minoritários nas lâminas FZ seja quatro vezes o valor das lâminas Cz no início do processamento, o que indicaria que da mesma forma o L_D deveria ser quatro vezes maior, os valores médios do comprimento de difusão (L_Dmédio) foram relativamente muito próximos. Para células Cz, sem SiO₂, L_Dmédio= 507 µm e com SiO₂, L_Dmédio= 556 µm. Em dispositivos com silício FZ, sem SiO₂, L_Dmédio= 490 µm e com SiO₂, L_Dmédio= 582 µm.

Figura 3:
Mapas do comprimento de difusão dos portadores minoritários das melhores células solares em Si-Cz: (a) sem óxido, com L_Dmédio= 507 µm; e (b) com óxido e L_Dmédio= 556 µm; e fabricadas com Si-FZ: (c) sem óxido, com L_Dmédio= 490 µm; e (d) com SiO₂ e L_Dmédio= 582 µm.
Figure 3:
Two-dimensional distribution of the minority carrier diffusion length of the best Cz-Si solar cells: (a) without oxide, with L_Daverage= 507 µm; and (b) with oxide and L_Daverage = 556 µm; and of the best FZ-Si solar cells: (c) without oxide, with L_Daverage = 490 µm; and (d) with oxide and L_Daverage = 582 µm.

CONCLUSÕES

Foram fabricadas e caracterizadas células solares bifaciais em substratos finos com o objetivo de analisar a passivação de superfícies com SiO₂ crescido termicamente e avaliar a influência do tipo de lâmina utilizado no processamento. Constatou-se que o óxido de silício reduziu a recombinação nas superfícies tipo n e tipo p dos dispositivos processados com lâminas de silício FZ (float zone) e Cz (Czochralski), mas os valores da velocidade de recombinação em superfície foram uma ordem de magnitude acima dos valores publicados por outros autores. Em relação ao tipo de substrato, embora as lâminas de silício FZ tivessem maior tempo de vida dos portadores de carga minoritários no início do processamento que as lâminas Cz, a tensão de circuito aberto e a densidade de corrente de curto-circuito dos dispositivos fabricados foram similares. Isto ocorreu porque o processo introduziu limitações para as lâminas FZ. No caso das lâminas que não passaram por oxidação, o processamento incrementou o tempo de vida dos portadores minoritários nas lâminas Cz. A célula solar bifacial fina mais eficiente foi fabricada com silício FZ e superfícies oxidadas, atingindo eficiência de 14,5% e 11,1%, para iluminação pela face n⁺ e p⁺, respectivamente. A melhor célula solar com Si-Cz não foi processada com a camada de SiO₂ e atingiu a eficiência de 14% quando iluminada pela face n⁺ e de 10,4% quando iluminada pela face p⁺. Da comparação dos resultados das células solares bifaciais finas fabricadas com silício Cz e FZ pôde-se concluir que não houve vantagem em usar substratos de maior tempo de vida dos portadores de carga minoritários inicial com o processo desenvolvido. No que se refere à camada de SiO₂, observou-se que ocorreu passivação das superfícies tanto em dispositivos com silício FZ como Cz. Porém, os resultados para o silício Cz foram pouco significativos e faz-se necessária a otimização do processo térmico de crescimento da camada de óxido de silício.

AGRADECIMENTOS

O trabalho foi realizado no âmbito do projeto “Células solares bifaciais em substratos finos e com região p+ localizada”, Contrato PUCRS-CEEE 9942397. Os autores agradecem também o apoio do CNPq e FINEP, por meio do projeto “Desenvolvimento de células solares eficientes em lâminas de silício tipo n” e à equipe do NT-Solar/PUCRS pelo apoio na fabricação das células solares.

REFERÊNCIAS

• ¹
  A. Goodrich, P. Hacke, Q. Wang, S.B.R. Margolis, T. James, M. Woodhouse, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 114 (2013) 110.
• ²
  L. Janβen, M. Rinio, D. Borchert, H. Windgassen, D. Bätzner, H. Kurz, Prog. Photovolt. Res. Appl. 15 (2007) 469.
• ³
  A. Cuevas, in Proc. 20th Eur. Photovolt. Solar Energy Conf. Exhib., WIP, Barcelona, Espanha (2005) 801.
• ⁴
  I. Zanesco, E. Lorenzo, Prog. Photovolt. Res. Appl. 10 (2002) 361.
• ⁵
  A. Moehlecke, F.S. Febras, I. Zanesco, Solar Energy 96 (2013) 253.
• ⁶
  R. Guerro-Lemus, R. Vega, T. Kim, A. Kimm, L.E Shephard, Renew. Sust. Energ. Rev. 60 (2016) 1533.
• ⁷
  F. Fertig, S. Nold, N. Wohrle, J. Greulich, I. Hädrich, K. Krauβ, M. Mittag, D. Biro, S. Rein, R. Preu, Prog. Photovolt. Res. Appl. 24 (2016) 800.
• ⁸
  H. Ohtsuka, M. Sakamoto, K. Tsutsui, Y. Yazawa, Prog. Photovolt. Res. Appl. 8, 4 (2000) 385.
• ⁹
  L. Yang, Q.H. Ye, A. Ebong, W.T. Song, G.J. Zhang, J.X. Wang, Y. Ma, Prog. Photovolt. Res. Appl. 19 (2011) 275.
• ¹⁰
  L. Janβen, H. Windgassen, D.L. Bätzner, B. Bitnar, H. Neuhaus, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 93 (2009) 1435.
• ¹¹
  F. Recart, “Evaluación de la serigrafia com técnica de metalización para células solares eficientes”, Tese Dr., Un. País Vasco, Bilbao, Espanha (2001).
• ¹²
  L. Pérez, J. Coello, I. Freire, K. Varner, R. Lago, G. Bueno, C. Cañizo, A. Luque, in Proc. 20th Eur. Photovolt. Solar Energy Conf. Exhib., WIP, Barcelona, Espanha (2005) 891.
• ¹³
  S. Steckemetz, A. Metz, R. Hezel, in Proc. 17th Eur. Photovolt. Solar Energy Conf. Exhib., WIP, Munique, Alemanha (2001) 1902.
• ¹⁴
  A. Moehlecke, V.C. Osório, I. Zanesco, Mater. Res. 17, 5 (2014) 1328.
• ¹⁵
  V.C. Osório, A. Moehlecke, I. Zanesco, Mater. Res. Express 3 (2016) 1.
• ¹⁶
  J.C. Jimeno, G. Bueno, R. Lago, I. Freire, L. Pérez, F. Recart, I. Hoces, N. Azkona, J. Alonso, P. Sánchez-Friera, S.W. Glunz, G. Emanuel, R. Ruiz, A. Pohl, W. Wolke, M. Schubert, I. Gavilanes, M. Ezker, E. Zugasti, A. Turumbay, H. Sato, J. Bragagnolo, P.M. Nasch, S. Ostapenko, A. Belyaev, W. Dallas, O. Polupan, K. Albertsen, A. Shaikh, H. Kerp, J. Salami, in Proc. 22nd Eur. Photovolt. Solar Energy Conf. Exhib., WIP, Milão, Itália (2007) 875.
• ¹⁷
  V.C. Osório, A. Moehlecke, I. Zanesco, Rev. Bras. Energia Solar III, 2 (2012) 86.
• ¹⁸
  I. Zanesco, A. Moehlecke, J.L. Pinto, M. Ly, in Conf. Record 38th Photovolt. Special. Conf., IEEE, Austin, EUA (2012) 2284.
• ¹⁹
  WT-2000PV, “User manual: measurement tool for solar cell manufacturing”, 19 WT-2000PV, “User manual: measurement tool for solar cell manufacturing”, http://www.semilab.com , acesso 4 abril 2017.
  » http://www.semilab.com
• ²⁰
  P.A. Basore, D.A. Clugston, in Conf. Record 26th Photovolt. Spec. Conf., IEEE, Anaheim, EUA (1995) 207.
• ²¹
  A. Cuevas, G. Giroult-Matlakowski, P.A. Basore, C. Dubois, R.R. King, in Conf. Record First World Conf. Photovolt. Energy Convers., IEEE, Hawai, EUA (1994) 1446.
• ²²
  A. Das, “Development of high-efficiency boron diffused silicon solar cells”, PhD dissert., Georgia Inst. Techn., Atlanta, EUA (2012).

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  Apr-Jun 2018

Histórico

• Recebido
  24 Abr 2017
• Revisado
  06 Jul 2017
• Aceito
  22 Ago 2017