DESENVOLVIMENTO DE CÉLULAS SOLARES EFICIENTES EM LÂMINAS DE SILÍCIO TIPO N

Transcrição

1 PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL NÚCLEO DE TECNOLOGIA EM ENERGIA SOLAR RELATÓRIO FINAL Projeto CNPq / /11/2010 A 17/01/2015 Convênio FINEP , referência 2102/09 03/02/2010 A 02/02/2015 DESENVOLVIMENTO DE CÉLULAS SOLARES EFICIENTES EM LÂMINAS DE SILÍCIO TIPO N Coordenadores: Dr. Adriano Moehlecke Dra. Izete Zanesco

2 ÍNDICE RESUMO...5 A. INTRODUÇÃO...6 B. METAS FÍSICAS E ATIVIDADES Meta Física 1: Importação e Instalação de Equipamentos de Produção e Caracterização de Células Solares...6 Atividade 1.1: Equipamento APCVD...6 Atividade 1.2: Simulador solar classe A...8 Atividade 1.3: Analisador de metalização Meta Física 2: Simulação e Otimização de Células Solares n + np Atividade 2.1: Simulação e otimização de células solares n + np Influência da largura das trilhas metálicas na região frontal em células solares com metalização por serigrafia Influência da largura das trilhas metálicas na região posterior em células solares com metalização por serigrafia Otimização da malha metálica frontal para a técnica de serigrafia...20 Atividade 2.2: Comparação entre filmes antirreflexo de óxido de titânio depositado por evaporação e APCVD Comparação de Filmes de TiO 2 e SiN x Comparação de Filmes de TiO 2, SiN x e Al 2 O Análise de Filmes de TiO 2 Depositados por Feixe de Elétrons e por CVD Meta Física 3: Simulação e Otimização da Junção Flutuante sobre o Emissor p + em Células Solares p + nn Atividade 3.1: Simulação e otimização da junção flutuante sobre emissor p Análise da formação da junção flutuante: processo básico e técnicas de caracterização Processos em forno de esteira: variação de temperatura e velocidade da esteira Fabricação de células solares com junção flutuante a Processo b Resultados c Implementação da junção flutuante com forno de tubo de quartzo Análise da junção flutuante por simulação a Análise com o Programa PC-1D b Análise com os Programas Athena e Atlas Meta Física 4: Simulação e Otimização de Emissores Seletivos na Região p + em Células p + nn

3 Atividade 4.1: Simulação e otimização de emissores seletivos para regiões p + e metalização serigráfica Meta Física 5: Implantação dos Processos de Fabricação de Células n + np Atividade 5.1: Implementação e otimização da difusão de fósforo e boro/alumínio para formação das regiões altamente dopadas...79 Atividade 5.2: Análise dos mecanismos de contaminação e extração de impurezas nos processos de difusão...82 Atividade 5.3: Fabricação e caracterização de células solares : Lâminas de Si-Cz : Células Solares n + np + com Campo Retrodifusor Localizado A: Influência da Temperatura de Queima das Pastas de Metalização B: Influência do Óxido de Silício para evitar a Difusão de Fósforo na Face Posterior C: Influência dos Parâmetros do Processo de Queima D: Influência do Fluxo de Ar Durante o Processo de Queima E: Influência do Óxido de Silício para evitar a Difusão de Fósforo na Face Posterior : Células Solares n+np+ com Campo Retrodifusor Seletivo A: Influência da Pasta na Formação do Emissor Seletivo B: Influência da Temperatura de Difusão de Fósforo C: Influência da Temperatura de Difusão Boro D: Influência da Pasta de Prata E: Influência dos Parâmetros do Processo de Metalização F: Influência da Temperatura de Secagem da Pasta PV17A G: Influência da Oxidação Durante a Difusão de Boro H: Influência da Espessura do Filme do Dopante com Boro I: Otimização do Processo de Queima com Filme do Dopante mais Espesso J: Metalização Posterior com Pasta de Al/Ag nas Barras Coletoras K: Otimização da Temperatura de Difusão de Fósforo para Células Solares com Barras Coletoras Formadas com a Pasta PV L: Otimização da Temperatura de Difusão de Boro para Células Solares com Barras Coletoras Formadas com a Pasta PV M: Influência da Oxidação Durante a Difusão de Boro para Células Solares com Barras Coletoras Formadas com a Pasta PV N: Avaliação da Espessura da Pasta de Alumínio PV O: Otimização do Filme AR de TiO P: Influência da Posição das Lâminas Durante a Difusão de Boro

4 Q: Influência do Recozimento Durante a Difusão de Fósforo R: Influência da Vazão de O 2 Durante a Difusão de Boro S: Comparação do Filme AR de SiN X e TiO T: Análise do Tempo de Vida dos Portadores de Carga Minoritários U: Influência do Processo de Formação das Trilhas na Face Frontal V: Influência da Temperatura de Difusão de Boro para Diferentes Filmes AR W: Resultados com a Pasta PV17F W.1: Difusão de Boro a 975ºC W.2: Difusão de Boro a 980ºC W.3: Otimização da Temperatura da Difusão de Boro W.4: Otimização da Temperatura da Difusão de Fósforo W.4-A: Temperatura de Difusão de Boro de 975 ºC W.4-B: Temperatura de Difusão de Boro de 980ºC X: Comparação da Formação das Barras Coletoras com a Pasta PV202 e PV3N : Lâminas de Si-Fz Emissor Posterior Localizado Influência da Temperatura de Difusão de Fósforo Influência do Óxido de Silício para Evitar a Difusão de Fósforo na Face Posterior Meta Física 6: Implementação de Emissores Seletivos e/ou Junções Flutuantes em Células p + nn Atividade 6.1: Implementação de emissores seletivos Metodologia Resultados Fabricação de Células Solares com Emissores Seletivos de Boro e Alumínio : Células Solares p + nn + com Emissor Localizado Frontal : Células Solares p + nn + com Emissor Seletivo de Boro e Alumínio A: Influência da Área Metalizada Posterior B: Influência do Tempo e da Temperatura de Difusão de Boro C: Influência da Pasta Metálica Depositada sobre o Emissor D: Influência do Tipo de Substrato E: Influência da Deposição de Resina de Proteção do Óxido Atividade 6.2: Implementação de junções flutuantes Atividade 6.3: Comparação de células solares p + nn + com emissores seletivos e/ou junções flutuantes e células n + np Meta Física 8: Fabricação de Caracterização de Módulos Fotovoltaicos

5 Atividade 8.1: Fabricação de dez módulos fotovoltaicos: cinco com células n + np + e cinco com células p + nn Processos de Soldagem e Laminação Montagem da Estrutura dos Módulos Fotovoltaicos Fabricação e Caracterização dos Módulos Fotovoltaicos Meta Física 10: Análise de Custo dos Processos Desenvolvidos Atividade 10.1: Cálculo do custo de cada etapa dos processos de fabricação de células solares Meta Física 11: Capacitação de Pessoal em Centros de Referência Internacional Atividade 11.1: Realização de visitas técnicas e estágios na UPV (Bilbao) e UPM (Madri), Espanha Atividade 11.2: Realização de visita técnica e estágio no NREL, EUA Atividade 11.3: Realização de visita técnica e estágio no MIT, EUA C. CONCLUSÕES REFERÊNCIAS RELATÓRIOS DE VIAGEM

6 RESUMO O objetivo geral do projeto foi melhorar os processos de fabricação de células solares em lâminas de silício cristalino tipo n, visando o aumento da eficiência ou a redução no custo do processo. Foram otimizados os processos de fabricação de células solares n + np + com emissores seletivos posteriores de boro/alumínio e foram alcançadas eficiências de 14,6% com filmes antirreflexo de TiO 2 obtido por evaporação em alto vácuo e deposição química em fase vapor (CVD) e de 15,1 % para dispositivos com filme de SiN x. A junção flutuante foi aplicada em estruturas p + nn + por técnica inovadora baseada em deposição de fósforo por spin-on e difusão em forno de esteira, mas não foi eficaz porque produziu baixa resistência em paralelo, reduzindo a eficiência dos dispositivos. Os emissores seletivos dopados com boro e alumínio foram aplicados nas estruturas p + nn + e n + np + e estas últimas atingiram eficiências de aproximadamente 1,4 % (absolutos) superior. Foram fabricados módulos fotovoltaicos com células solares com filme antirreflexo depositado por evaporação e CVD e foram atingidas eficiências similares. O uso da estrutura n + np + e do filme depositado por CVD permitiu uma redução de 6 % no custo dos módulos fotovoltaicos, quando comparado com aqueles com estruturas p + nn + previamente desenvolvidas no NT-Solar. Palavras-chave: célula solar; módulo fotovoltaico; silício tipo n; filme antirreflexo; emissor seletivo; custo de produção. 5

7 A. INTRODUÇÃO O objetivo geral deste projeto é melhorar os processos de fabricação de células solares em lâminas de silício cristalino tipo n, visando o aumento da eficiência ou a redução no custo do processo. Este tipo de silício é potencialmente mais estável que o atualmente utilizado que é de tipo p, mas as regiões altamente dopadas com boro que formam a junção pn em substratos tipo n, podem apresentar problemas que limitam a eficiência dos dispositivos. Os objetivos específicos resumem-se em: - Simulação e otimização de células solares n + np + e p + nn + em substratos de Si-CZ, Si- FZ e Si-Mc, dopadas com boro/fósforo; - Análise da junção flutuante n + sobre o emissor p + em células p + nn + ; - Análise de emissores seletivos na região p + ; - Comparação de células solares n + np + fabricadas com boro e com alumínio como dopante; - Comparação de técnicas de melhoria das regiões p + ; - Comparação entre filmes antirreflexo de óxido de titânio depositado por evaporação e APCVD; - Fabricação e caracterização de células solares p + nn + e n + np + ; - Fabricação e caracterização de dez módulos fotovoltaicos; - Análise dos custos dos processos desenvolvidos. A seguir serão descritas todas as atividades realizadas, considerando a sequência de metas físicas e atividades existentes no formulário FINEP do projeto. B. METAS FÍSICAS E ATIVIDADES 1. Meta Física 1: Importação e Instalação de Equipamentos de Produção e Caracterização de Células Solares Atividade 1.1: Equipamento APCVD Neste projeto foi adquirido um equipamento para deposição de TiO 2 sem uso de alto vácuo e com alta produtividade. Neste caso, a forma de deposição seria a APCVD (atmospheric pressure chemical vapor deposition), deposição química em fase vapor e sob pressão atmosférica. A Figura 1.1 apresenta um esquema básico de um equipamento APCVD [1]. O mesmo está baseado na reação química entre o tetraisopropilortotitanato (TPT) e água, quando estes são depositados em fase vapor sobre silício. A reação que ocorre é a seguinte: Ti(C 3 H 7 O) 4 + 2H 2 O TiO 2 + 4C 3 H 7 OH Os produtos são colocados em borbulhadores com temperatura controlada e o vapor é arrastado por um fluxo de nitrogênio e conduzido a uma zona de deposição onde a lâmina de silício é mantida em temperatura próxima de 150 ºC. Uma cabeça de injeção dos produtos se movimenta sobre a lâmina de silício e deste modo é formada a camada de TiO 2. Os parâmetros de controle do processo são: temperatura da lâmina, temperatura da água, temperatura do TPT, vazões na água e no TPT e velocidade da cabeça de injeção. 6

8 Tubulação para nitrogênio. 2 Tubulação para ar comprimido. 3 Eletroválvula que permite a passagem de ar comprimido para as válvulas pneumáticas. 4 Válvula pneumática. Isola a linha de ar comprimido da de N 2 para evitar problemas de contaminação. 5 Controladores de vazão. 6 Borbulhador com TPT; temperatura controlada. 7 Válvulas de abertura dos gases de entrada e saída 8 Borbulhador com H 2 O; temperatura controlada 9 Mantas aquecedoras para impedir a condensação nos tubos. 10 Cabeça de deposição 11 Placa aquecedora com temperatura controlada. Figura 1.1. Esquema básico do equipamento de deposição de TiO 2 em pressão atmosférica [1]. Três fornecedores foram contatados e obtidos orçamentos: BTU, FirsNano e TIM-UPV. A BTU, dos Estados Unidos, fabrica os fornos APCVD de tipo esteira modelos AP5487A e B. O forno modelo A possui 5,3 m de comprimento e tem sete zonas de aquecimento, sendo que em uma (na nº 6) ocorre a reação química para formação do filme de TiO 2. O modelo B tem 5,8 m e nove zonas, com duas câmaras para deposição de TiO 2. Os valores FOB orçados foram de US ,00 para o modelo A e U$ ,00 para o modelo B. Nestes valores não estava incluída a vida ao Brasil para instalação e treinamento. Três pontos negativos para a aquisição do equipamento: 1) a empresa não garante a formação de filmes antirreflexo de qualidade, pois na especificação do equipamento coloca BTU cannot guarantee any process parameters with this equipment., 2) o comprimento do forno impossibilita sua instalação nos atuais laboratórios do NT-Solar/PUCRS, e 3) o valor está muito acima do previsto no projeto. A outra empresa que apresentou uma cotação foi a FirstNano, uma empresa especializada na fabricação de equipamentos CVD para a indústria de dispositivos semicondutores. Os equipamentos desta empresa processam lâminas em lotes e são similares a fornos de difusão. No entanto, tendo em vista as limitações de espaço no Laboratório de Corte do NT-Solar/PUCRS, a FirstNano apresentou uma cotação para um equipamento que processa somente uma lâmina. Está é inserida por sistema de carregamento automático na câmara de quartzo previamente aquecida e depois da 7

9 reação química ocorrer na câmara, a lâmina é retirada. Como seria um equipamento novo produzido pela empresa e seria sob medida para a PUCRS, não foram fornecidos dados de uniformidade e tempo de processamento. O valor orçado foi de US$ ,00. Neste valor não estava incluída a vinda ao Brasil para instalação e treinamento. As principais desvantagens deste fornecedor foram o processamento individual de lâminas e a falta de experiência na confecção de equipamento deste tipo para laboratório. A terceira opção foi apresentada pelo Instituto de Tecnologia Electrónica da Universidade do País Vasco (TIM-UPV), Espanha. Neste laboratório, nos anos de , foi desenvolvido um equipamento para deposição de TiO 2 e atualmente este laboratório trabalha com empresas de fabricação de equipamentos na Espanha [1]. Eles desenvolvem os mesmos e logo repassam os direitos de produção para empresas. O equipamento apresentado pelo TIM-UPV tem as seguintes características: dimensões de 1,5 m x 0,6 m e 1,25 m (comprimento, largura e altura), processamento de lâminas até 156 mm x 156 mm, sistema de deslocamento das lâminas por esteira com controle de velocidade, cabeça de deposição e placa sob a esteira com temperatura controlada, controle de vazões por mass flow e controle geral mediante computador. O orçamento foi de 48046,82 Euros, com instalação e treinamento incluídos. A Figura 1.2 apresenta uma foto do equipamento. O equipamento CVD da TIM-UPV foi o escolhido para a compra pelas seguintes razões: 1) usa esteira e processa lâminas como as indústrias atuais e com alta produtividade, 2) apresentou o menor preço, 3) é adequado ao espaço físico do laboratório do NT-Solar e 4) o TIM-UPV tem experiência na fabricação de equipamentos CVD. Figura 1.2. Equipamento CVD desenvolvido pelo TIM-UPV e instalado no NT-Solar. O equipamento foi instalado em julho de 2013 e está operando, tendo sido usado na produção de células solares no âmbito deste projeto. Atividade 1.2: Simulador solar classe A O objetivo específico deste processo seletivo foi a aquisição de um sistema de simulação solar classe AAA (IEC ) completo com capacidade para a medição de células solares com dimensões de até 156 mm x 156 mm e iluminação de estado 8

10 estacionário. Um simulador solar básico é composto por um sistema de iluminação, uma base de fixação adequada e um sistema de medição e aquisição de dados. Com este equipamento se objetiva medir as características elétricas de uma célula solar como tensão de circuito aberto, corrente de curto-circuito, densidade de corrente de curto-circuito, tensão no ponto de máxima potência, corrente no ponto de máxima potência, potência no ponto de máxima potência, fator de forma e eficiência. Um sistema de simulação solar completo pode incluir ainda um sistema de medição de resposta espectral e determinação da eficiência quântica externa. Com esta última medida, pode-se calcular o fator de mismatch existente quando se usa uma célula de um tipo de tecnologia para calibrar o simulador e em seguida se utiliza o mesmo para medir as características elétricas de uma célula solar com resposta espectral diferente. Esta diferença pode ser devida ao processamento ou ao material usado na fabricação da célula sob teste. Geralmente no sistema de medição de curva I-V de um simulador solar se utiliza uma fonte de radiação com lâmpadas de xenônio. No entanto, estas lâmpadas não reproduzem fielmente as condições da radiação solar correspondente ao espectro padrão AM1,5G. Para corrigir este aspecto são utilizados refletores e filtros especiais de forma que as propriedades da radiação emitida pela lâmpada possam ser modificadas para atender a irradiância especificada pelos padrões internacionais. As especificações são definidas pela concordância espectral à radiação solar, uniformidade e estabilidade temporal da irradiância no plano de medição. Existem três tipos de simuladores solares disponíveis no mercado para medição de curva I-V. O primeiro é definido como de estado estacionário, o segundo é definido como iluminação pulsada e o terceiro definido pelo uso de iluminação por flash. Simuladores por flash podem ser de disparo único ou multi-flashes e a vida útil da lâmpada está entre 40 mil a um milhão de flashes, ao passo que os sistemas de iluminação estacionária têm uma vida útil da lâmpada típica de horas de operação contínua. Em sistemas por flash normalmente o tempo de iluminação é da ordem de milissegundos (ms) e isto significa que a medição da curva I-V deve ser realizada dentro deste curto período. Testes em um curto período de tempo não são considerados um problema, mas isto significa menos pontos de dados para a curva I-V. Esta condição implica também que as células devem ser capazes de responder à radiação neste intervalo de tempo, sendo importante saber o tempo de resposta da célula a ser medida. Sistemas de medição com flash são usados frequentemente para evitar aquecimento desnecessário no dispositivo em teste. No entanto, devido ao rápido aquecimento e resfriamento da lâmpada, a intensidade e o espectro de luz são inerentemente transientes, fazendo com que repetidos testes reduzam a confiabilidade do equipamento. O simulador de pulso utiliza um obturador para bloquear ou desbloquear rapidamente a luz de uma fonte contínua. Esta categoria é intermediária entre as estacionárias e as de flash, tendo a desvantagem do uso de alta potência e obtenção de irradiância relativamente baixa, mas apresenta vantagens devidas á intensidade de saída estável e baixa carga térmica. O processo de seleção e aquisição de um simulador solar teve início em abril de 2011 e se estendeu até novembro do mesmo ano. Resgatando uma pesquisa de mercado feita previamente na elaboração do projeto, os primeiros fabricantes consultados foram a LYNX (NewPort Corporation/ Oriel), a Photo Emission Tech., Inc. (PET) e a Spire Solar. Contudo, neste período 15 fabricantes foram consultados, e dentre estes, as propostas apresentadas pelas empresas PV Measurements, Inc., LYNX (NewPort Corporation/ Oriel) e Photo Emission Tech., Inc. (PET) receberam maior enfoque em função da relação custo/benefício dos seus produtos. Empresas como a Optosolar, Endeas e Berger, produzem equipamentos com sistema de 9

11 iluminação por flash, sendo neste caso preteridos em favor dos fabricantes de simuladores com iluminação estacionária. A Spire Solar, companhia norte americana que atua na fabricação de equipamentos para as áreas de energia solar, biomédica e componentes optoeletrônicos, apresentou em 2009, para fins de planejamento orçamentário, o simulador solar One-Sun Solar Cell Tester a um custo de US$ ,00. As principais características desse equipamento são: medição de células solares de até 156 mm x 156 mm, lâmpada de xenônio de 1,5 kw (AM 1,5 Global), irradiância de mw/cm², vida útil da lâmpada de 900 horas, uniformidade de ± 2 % para 156 mm x 156 mm, faixa de medição de tensão de ± 1,25 V e corrente de ± 10 A. A cotação atualizada (2011) para a aquisição deste equipamento foi de US$ ,00. Neste valor foram inclusos os mesmos elementos da proposta anterior compondo o sistema de caracterização (simulador solar, fixação da célula, célula de referência, controle de temperatura, computador e software de operação). O significativo aumento no valor de comercialização do simulador deste fabricante reforçou a opção pela busca de diferentes fornecedores. A empresa LYNX, representante da NEWPORT CORP. ORIEL, foi consultada em Na ocasião foram oferecidos simuladores solares classe A para medição de curva I-V em células de 152,4 mm x 152,4 mm e 203,2 mm x 203,2 mm a custos de US$57.838,00 e US$72.698,00 respectivamente. Um orçamento atualizado foi solicitado para um sistema completo de caracterização, incluindo a medição de curva I-V e resposta espectral. Na proposta apresentada o valor de um equipamento com estas características totalizou US$ ,00. A empresa PV Measurements, Inc., atuante no mercado de instrumentos de caracterização voltados para a medição de células solares desde 1999, possui em sua gama de equipamentos sistemas de medição de curva I-V e resposta espectral. Os equipamentos de interesse consultados foram o IV16L e o QEX10. Esta empresa apresentou propostas para venda de um sistema completo de simulação solar incluindo ambos módulos a um valor de US$ ,98. Este valor poderia sofrer uma pequena redução para a montagem de sistema que combinasse alguns componentes, porém isto limitaria o uso impedindo medições simultâneas. Consultada em 2011, a empresa Voss Eletronic, estabelecida na Alemanha, é voltada à distribuição de equipamentos como os simuladores solares WACON, provenientes do Japão. Esta empresa apresenta em seu portfólio um simulador solar classe AAA, dotado com um sistema de iluminação contínua com duas lâmpadas (xenon e halógena), sobre o qual foi consultada. Este sistema, WXS-155-L2, foi apresentado a um valor de aproximadamente US$ ,00, porém este valor corresponde apenas a fonte de iluminação, não sendo considerados o sistema de medição I-V e a estação para fixação das células. Estes dois módulos não são oferecidos ao Brasil, pois de acordo com o fabricante não há representação da empresa para esta região. Outro modelo apresentado pela empresa foi o WXS-155, com iluminação apenas por lâmpada xenônio, tendo um custo de US$94.000,00. A Photo Emission Tech. Inc. (PET) apresentou em 2008 propostas para um simulador solar classe A incluindo o sistema de aquisição de dados para curva I-V. Nesta ocasião o modelo SS150A foi oferecido por US$55.950,00. Um orçamento atualizado foi solicitado, bem como uma revisão dos modelos disponíveis. Em resposta a esta solicitação, o modelo SS150AAA, em conjunto com o CT150AAA e o CC-5, foi apresentado como um sistema classe AAA para a medição das características elétricas de células solares com dimensões de até 156 mm x 156 mm. Este sistema é composto por uma fonte de iluminação constante com medição de intensidade, filtro para AM 1,5 G, célula de referência (NREL), fonte de corrente 5 A, base para medição de células de diferentes tamanhos com controle de temperatura de 5 C a 75 C, duas barras 10

12 paralelas como ponteiras de medição por sistema de molas e contato automático, sistema de vácuo, cabos, computador, software e lâmpada de reposição (lâmpada xenônio 1000 W com vida útil de 1500h). O valor apresentado para este sistema de medição foi de USD ,00. Em virtude da faixa de aplicação para células de diferentes tamanhos, foi solicitada a inclusão de duas fontes de corrente em substituição a de 5 A, uma de 3 A e uma de 15 A. Da mesma forma, uma terceira barra para ponteiras de medição foi solicitada. Além do sistema de medição de curva I-V, foi solicitada a inclusão do sistema de medição de resposta espectral, formando assim, um sistema completo de simulação solar. A proposta apresentada pela empresa PET para este sistema foi de US$ ,00. Este valor, estando de acordo com o orçamento previsto, foi aprovado como melhor relação custo/ benefício para aquisição do sistema completo de simulação solar. O equipamento da PET-Photo emission foi instalado em março de 2013 e está sendo usado na caracterização das células solares. A Figura 1.3 apresenta os módulos do equipamento instalado no NT-Solar. (a) (b) Figura 1.3. Sistema de caracterização elétrica de células solares: (a) unidade de obtenção de curva I-V e (b) unidade de medida de resposta espectral. 11

13 Atividade 1.3: Analisador de metalização No processo de metalização por serigrafia podem ser produzidas malha metálicas com alta resistência devido a problemas nas trilhas ou uma elevada resistência de contato. Por meio da medida das características elétricas da célula solar fabricada pode-se estimar a resistência em série, mas não é possível identificar a origem desta. Por isto, o projeto previa a aquisição de um analisador de metalização e no último semestre foi realizada a pesquisa de mercado para aquisição do mesmo. Foram encontrados dois equipamentos que usam técnicas distintas para medir a resistência de contato. O Corescan, da empresa SunLab, um spin-off do Centro Nacional de Energias Renováveis da Holanda, ECN foi desenvolvido para produzir mapas da resistência de contato entre o emissor e a malha de metalização de células solares. Além de identificar possíveis problemas nas malhas, o equipamento é uma ferramenta importante na otimização de processos de queima das pastas serigráficas. Para obter um mapa de resistência, mede-se a queda de potencial entre uma trilha e uma região da lâmina e a corrente elétrica gerada por iluminação em zona localizada da célula solar. Uma ponteira de prova é usada para medir a diferença de potencial entre trilha metálica e a superfície da lâmina de silício. A ponteira de prova e o feixe de iluminação se movimentam para obtenção do mapa [2]. Além de apresentar mapas de resistência de contato, o equipamento Corescan pode ser usado para obtenção de mapas de resistência em paralelo para identificar pontos de fuga de corrente (shunts), mapas de tensão de circuito aberto e mapas de corrente de curto-circuito (LBIC) para determinação de regiões de maior recombinação. Outro equipamento disponível no mercado para análise da metalização de células solares via medida da resistência de contato é o GP 4-Test.Pro da empresa GP Solar, Alemanha. Para medição da resistência de contato, deve ser cortado uma parte da célula solar fabricada mantendo somente as trilhas e excluindo-se as barras coletoras. Pela medida da resistência entre as trilhas adjacentes, pode-se calcular a resistência de contato. O mesmo aparelho pode ser usado para medida da resistência de folha de regiões dopadas e para medida da resistividade das trilhas metálicas. O equipamento é totalmente manual e não fornece mapas de resistência de contato. O equipamento Corescan foi orçado em euros e o GP4-Test foi orçado em euros. Optou-se por adquirir o Corescan pelo mesmo possibilitar a obtenção de mapas de resistência de contato, não ser destrutivo e apresentar outras técnicas de caracterização de células solares pela medida de tensão de circuito aberto, corrente de curto-circuito e resistência em paralelo. O Corescan foi instalado em maio de 2013 e está operativo no Laboratório de Caracterização do NT-Solar. A Figura 1.4 apresenta o aparelho instalado no NT-Solar. Figura 1.4. Equipamento Corescan instalado no NT-Solar. 12

14 2. Meta Física 2: Simulação e Otimização de Células Solares n + np + Atividade 2.1: Simulação e otimização de células solares n + np + A otimização por simulação de células solares n + np + seguiu procedimentos desenvolvidos no NT-Solar e aplicado em projetos FINEP como o 0997/04, Planta Piloto de Produção de Módulos Fotovoltaicos com Tecnologia Nacional e o projeto financiado pelo Ministério de Minas e Energia intitulado Implementação de Duas Unidades Geradoras de Energia Elétrica com Módulos Fotovoltaicos Eficientes. Para o caso das células n + np +, foi apresentado em uma tese de doutorado [3]. O objetivo desta etapa foi otimizar a célula solar n + np +, com emissor posterior formado por alumínio e região de campo retrodifusor frontal (FSF) formado pela difusão de fósforo, encontrando o melhor par de concentração em superfície (C S ) e profundidade da região altamente dopada (x j ) para obter a resistência de folha adequada. Para um par de largura de trilha frontal (L F ) e posterior (L P ) fixo, o objetivo foi otimizar as regiões dopadas n + e p + e as malhas de metalização, isto é, a distância entre trilhas metálicas e largura da barra coletora. O procedimento adotado foi: - selecionaram-se valores de concentração em superfície e profundidade da dopagem para cada região altamente dopada e otimizou-se a malha de metalização posterior. Primeiramente, otimizou-se a distância entre trilhas e depois a largura da barra coletora (busbar); - fixaram-se os valores de C S e x j na região posterior bem como a malha metálica otimizada nesta face e variou-se C S e x j da região frontal de fósforo: C S =1x10 19 átomos/cm 3, 5x10 19 átomos/cm 3, 1x10 20 átomos/cm 3 e 5x10 20 átomos/cm 3 e profundidade da região de campo retrodifusor frontal de 0,1 µm a 6,0 µm, em intervalos de 0,1 μm; - selecionou-se um par C S e x j otimizado para a região n + e otimizou-se novamente a malha de metalização na face posterior; - variou-se C S e x j na região posterior da mesma forma que para a região frontal, considerando a malha e o par C S -x j otimizado para a face frontal; - otimizou-se, mais uma vez, a malha de metalização na face posterior e repetiu-se o procedimento de otimização para a região frontal; - selecionou-se, para cada região e para cada C S, o intervalo de x j que resulta na maior eficiência (otimização das regiões dopadas) e a distância entre trilhas metálicas e largura da barra coletora (otimização da malha de metalização). Para a simulação de uma célula solar foi utilizado, como ferramenta computacional, o programa PC-1D [4]. Com este software, podem-se ajustar os parâmetros das diferentes regiões de uma célula de silício: emissor, base e campo retrodifusor separadamente. Perdas por recombinação ou por defeitos intrinsecamente não unidimensionais contabilizam-se por diodos ou resistências em paralelo ao dispositivo. Por exemplo, podem ser introduzidos os efeitos de recombinação na região sob a malha metálica, calculando-se a corrente de saturação correspondente a este diodo. Além de utilizar o programa computacional PC-1D foi criado um programa na linguagem Visual Basic, denominado MonoCel. A sequência da simulação inicialmente foi desenvolvida em uma planilha Excel [3]. Este programa tem como função calcular a velocidade de recombinação em superfície, a resistência série total, a corrente de saturação do diodo, os parâmetros elétricos de caracterização da célula solar e dimensionar a malha de metalização frontal e posterior, bem como organizar de forma sequencial e prática todo o procedimento de simulação. A Figura apresenta um fluxograma da otimização de uma região dopada e da malha metálica. 13

15 V M : tensão no ponto de máxima potência; I M : corrente no ponto de máxima potência; d: distância entre trilhas; F S : fator de sombra; A met : área metalizada; I 0 : corrente de saturação; R S : resistência série; V OC : tensão de circuito aberto; P M : potência máxima; I SC : corrente de curtocircuito; J SC : densidade de corrente de curtocircuito; FF: fator de forma; : eficiência. Figura Fluxograma de otimização da região frontal da célula solar. A malha metálica constitui-se de uma barra coletora e trilhas perpendiculares a esta e paralelas entre si, conforme mostra a Figura A célula pseudoquadrada tem dimensões de 80 mm x 80 mm, obtida a partir de uma lâmina de 101 mm de diâmetro. A Figura 2.2-b apresenta a quarta parte deste dispositivo, com área de 80 mm x 20 mm, utilizada na simulação. O procedimento de otimização das malhas metálicas frontal e posterior tem por objetivo reduzir as perdas de potência devido à resistência da malha metálica, resistência entre metal e semicondutor, resistência das regiões altamente dopadas e o fator de sombra. No programa MonoCel foram introduzidas as características da metalização e das células solares sem metal simuladas previamente com o programa PC-1D, obtendo-se a melhor distância entre trilhas e a melhor largura da barra coletora. Para cada região altamente dopada n + e p + determinou-se uma distância entre trilhas e, então, o número de trilhas existente na área de 16 cm² (que corresponde a um quarto da área da célula completa de 64 cm²). Com estes valores calcularam-se as resistências série da célula solar e o fator de sombra e estes parâmetros foram introduzidos no programa PC-1D para simular a célula com malha metálica [3]. As áreas com metal na face frontal e posterior foram otimizadas para serem as menores possíveis. A velocidade de recombinação (S) na superfície frontal (S F ) n + varia com a concentração em superfície, de acordo com a equação 1 [5]. C S S F 100 (1) 18 1x10 14

16 Estes valores de velocidade de recombinação em superfície são aplicáveis para superfícies polidas e passivadas. Na simulação, considerou-se que as células solares possuem superfície texturada. Uma célula solar necessita de uma malha metálica otimizada para coletar a corrente elétrica produzida. (a) (b) Figura (a) Célula solar com dimensões de 80 mm x 80 mm e (b) quarta parte da área total do dispositivo, referente à área simulada. Os valores da resistividade de trilha ( t ) e de contato ( c ) correspondentes às pastas serigráficas que formam a malha metálica de Ag na face n + e de Ag/Al na face p + foram obtidos de publicações [6], [7]. Na Tabela encontram-se os valores adotados. Tabela Resistividade de trilha e de contato das pastas serigráficas [6], [7]. Face n + Face p + ρ t (Ω.cm) 1,20x10-3 1,25x10-3 ρ c (Ω.cm 2 ) 4,00x10-6 3,00x10-5 Conhecendo o valor da área metalizada do dispositivo, obtém-se, então, o valor da corrente elétrica de saturação (I 0 ). Para tal, simula-se, com o programa computacional PC-1D, uma célula solar de área igual à metalizada e sem iluminação, correspondendo a um diodo no escuro: a partir da corrente do diodo (I) para uma tensão próxima a 0,6 V foi calculada a corrente de saturação por meio da equação 2. Este valor de tensão é próximo ao da tensão de circuito aberto de células solares de silício e foi escolhido porque é onde maior é o efeito da corrente de saturação. q.v n.k. T I I 0 e 1 (2) onde q é a carga do elétron, V é a tensão elétrica, k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura em kelvin e n é o fator de idealidade (geralmente entre 1 e 2). A corrente de saturação representa os portadores de carga livres que podem fluir através da junção superando a barreira de potencial. O valor da corrente de saturação do diodo no escuro corresponde à recombinação sob as trilhas metálicas, que reduz a tensão de circuito aberto e a tensão máxima das células solares. Para determinar a resistência série total, foi necessário calcular a resistência lateral do emissor (R 3 ), as resistências de contato frontal (R 4 ) e posterior (R 1 ), a 15

17 resistência do metal da malha (R 5 ) e a resistência do metal da barra coletora (R 6 ). A Figura apresenta o esquema de uma célula solar mostrando as resistências série. Figura Resistência série de uma célula solar, onde R 1 é a resistência de contato metalsemicondutor na região de campo retrodifusor posterior; R 2 é a resistência do material semicondutor; R 3 é a resistência devida à região entre as trilhas metálicas; R 4 é a resistência do contato metalsemicondutor sob as trilhas metálicas; R 5 é a resistência das trilhas metálicas e R 6 é a resistência devida à barra coletora (busbar). A resistência de folha (R ) foi calculada com o programa PC-1D para o perfil de dopagem de cada região da célula solar. O valor desta resistência é usado como parâmetro de entrada para o cálculo da resistência série total. Para a face frontal n +, calculou-se a resistência série total, por meio das equações apresentadas por Luque [8] e Goetzberger et al. [9]. Com base no dispositivo a ser fabricado, foi considerado silício monocristalino tipo n, crescido pela técnica de fusão zonal flutuante, resistividade de base igual a 10.cm, espessura da lâmina igual a 290 m e tempo de vida dos portadores minoritários na base igual a 300 s. A refletância do filme antirreflexo frontal para cada comprimento de onda da radiação incidente correspondente a uma superfície texturada com uma camada de SiO 2 de 27 nm e uma camada de TiO 2 de 35 nm. Para encontrar a melhor distância entre trilhas da malha de metalização calcula-se, inicialmente, a perda de potência total (desconsiderando a barra coletora) devido à trilha metálica para a distância entre trilhas variando de 10 m a m, aumentando este parâmetro de 1 m em 1 m. Para cada novo cálculo, a perda de potência é comparada com o valor anterior, sendo que o menor destes é armazenado. Chegando ao valor de m na distância entre trilhas, o programa apresenta o valor da distância entre trilhas correspondente à menor perda de potência. Para calcular a perda de potência total devida às trilhas metálicas, P trilhas, somaram-se as perdas de potência referentes ao fluxo de corrente elétrica lateral na região n + (ou p + ), P e, ao contato metal-semicondutor, P c, à trilha metálica, P m, e ao sombreamento causado pela malha metálica, P s. As equações para a determinação destas perdas de potência normalizadas são apresentadas na referência [10]. Os dispositivos foram simulados considerando o processo de metalização por serigrafia, depositando pastas de Ag na região frontal n + e de Ag/Al na região posterior p Influência da largura das trilhas metálicas na região frontal em células solares com metalização por serigrafia A escolha da largura de trilhas igual ou maior que 100 µm deve-se ao fato de que com serigrafia são obtidas trilhas de qualidade com largura mínima desta ordem de grandeza. 16

18 Para o caso da metalização por serigrafia, não foram encontrados dados de variação da resistividade de contato em função da C S. Provavelmente, para C S igual a 1x10 19 átomos/cm³ a resistividade de contato seja maior que a utilizada. Portanto, esta pode ser uma das limitações do processo de simulação. Inicialmente foram simuladas células solares com trilhas frontais e posteriores com largura de 100 µm. Desta forma, são utilizadas as menores porções metálicas possíveis para uma boa definição das trilhas. Na segunda etapa da simulação foram consideradas trilhas frontais de 150 µm de largura. Os resultados destas simulações podem ser visualizados na Tabela e na Figura Observa-se que o aumento da largura das trilhas frontais resulta em pequeno aumento da profundidade da região altamente dopada n +, e consequentemente o valor da resistência de folha frontal diminui, caracterizando uma região ligeiramente mais dopada. A J SC e o FF não sofrem alteração significativa com o aumento em 50 % de L F. A V OC não se modifica. A eficiência diminui em apenas 0,2 % absoluto com o aumento de L F, devido à pequena redução na J SC e FF. Tabela Resumo dos resultados da simulação e características elétricas da célula solar n + np + otimizada para diferentes larguras de trilhas frontais, trilhas posteriores de 100 µm de largura e metalização por serigrafia. L F (µm) Parâmetro Frontal Posterior Frontal Posterior C S (cm -3 ) 1x x x x10 20 x j (µm) 1,1 3,0 4,0 10,0 1,4 3,4 4,0 8,0 R (Ω/ ) J SC (ma/cm 2 ) 33,43 33,37 33,10 32,81 V OC (V) 0,649 0,648 0,649 0,647 FF 0,744 0,740 0,738 0,742 η (%) 16,1 15,9 Eficiência (%) 16,5 15,5,, +,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, +,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 14,5, L = 100 µm, L = 150 µm, + Pontos máximos 13,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5,, Profundidade da região de FSF (µm), Figura Comparação da eficiência das células solares n + np + para L F = 100 µm e L F = 150 µm, com L P = 100 µm e metalização por serigrafia. A mesma análise foi realizada para trilhas posteriores com largura igual a 500 µm. A diferença está no aumento significativo da largura das trilhas no emissor 17

19 posterior, afetando levemente a resistência série e, então, o fator de forma. Os valores das características elétricas são apresentados na Tabela e na Figura Observa-se que a profundidade da região dopada n + frontal aumenta com o aumento da L F, diminuindo o valor da resistência de folha e caracterizando uma região mais dopada. Como consequência, a eficiência das células solares diminui em 0,2 % com o aumento de L F de 100 µm para 150 µm. A J SC e a V OC não se alteram. Tabela Resultados da simulação e características elétricas da célula solar n + np + otimizada para diferentes larguras de trilhas frontais, trilhas posteriores de 500 µm de largura e metalização por serigrafia. L F (µm) Parâmetro Frontal Posterior Frontal Posterior C S (cm -3 ) 1x x x x10 19 x j (µm) 1,6 2,4 4,0 6,0 2,0 3,0 3,0 5,0 R (Ω/ ) J SC (ma/cm 2 ) 33,57 33,53 33,16 33,06 V OC (V) 0,646 0,645 0,646 0,645 FF 0,736 0,737 0,738 0,739 η (%) 16,0 15,8 17 Eficiência (%) ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 15,, L = 100 µm, L = 150 µm, + Pontos máximos 14 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 Profundidade da junção (µm), Figura Comparação da eficiência das células solares n + np + para L F = 100 m e L F = 150 m, com L P = 500 m, C S igual a 1x10 19 átomos/cm 3 e metalização por serigrafia Influência da largura das trilhas metálicas na região posterior em células solares com metalização por serigrafia A análise da variação da L P com L F fixada em 100 µm identifica uma pequena diminuição no valor da eficiência de conversão quando L P é aumentando de 100 µm para 500 µm. Os resultados são apresentados na Tabela e na Figura Esta variação se deve à mínima diminuição no FF, devido, provavelmente, ao aumento da resistência série. A J SC e a V OC não se alteram com o aumento da L P. Considerando que a perda de 0,1 % na eficiência de conversão frente ao aumento em cinco vezes da L P é pequena, conclui-se que não há influência na resposta do dispositivo entre utilizar trilhas posteriores de 100 µm ou de 500 µm de largura. 18

20 Tabela Resumo dos resultados da simulação e características elétricas da célula solar n + np + otimizada para diferentes larguras de trilhas posteriores, trilhas frontais de 100 µm de largura e metalização por serigrafia. L P (µm) Parâmetro Frontal Posterior Frontal Posterior C S (cm -3 ) 1x x x x10 19 x j (µm) 1,1 3,0 4,0 10,0 1,6 2,4 4,0 6,0 R (Ω/ ) J SC (ma/cm 2 ) 33,43 33,37 33,57 33,53 V OC (V) 0,649 0,648 0,646 0,645 FF 0,744 0,740 0,736 0,737 η (%) 16,1 16,0 17,0 Eficiência (%) 16,5 16,0 15,5 +,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, +,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 15,0 Lp = 100 µm, 14,5,, Lp = 500 µm + Pontos máximos 14,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Profundidade da região de FSF (µm),, Figura Comparação da eficiência das células solares n + np + para L P = 100 m e L P = 500 m, com L F = 100 m, C S igual a 1x10 19 átomos/cm 3 e metalização por serigrafia. Comparando a Tabela com a Tabela 2.1.5, constata-se que os resultados obtidos no caso de L F igual a 100 µm ocorrem para L F = 150 µm, destacando a pequena redução na eficiência devida ao aumento em 50 % na L F. Os resultados também são apresentados na Figura Para L P igual a 100 µm a eficiência é de 15,9 % e para L P igual a 500 µm, de 15,8 %. Neste caso, também não há perda significativa da eficiência no dispositivo com trilhas posteriores mais largas. Tabela Resumo dos resultados da simulação e características elétricas da célula solar n + np + otimizada para diferentes larguras de trilhas posteriores, trilhas frontais de 150 µm de largura e metalização por serigrafia. L P (µm) Parâmetro Frontal Posterior Frontal Posterior C S (cm -3 ) 1x x x x10 19 x j (µm) 1,4 3,4 4,0 8,0 2,0 3,0 3,0 5,0 R (Ω/ ) J SC (ma/cm 2 ) 33,10 32,81 33,16 33,06 V OC (V) 0,649 0,647 0,646 0,645 FF 0,738 0,742 0,738 0,739 η (%) 15,9 15,8 19

21 16,5 Eficiência (%) 15,5,,,,,,,, + +,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, 14,5, Lp = 100 µm, Lp = 500 µm, + Pontos máximos 13,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 Profundidade da região de FSF (µm),,, Figura Comparação da eficiência das células solares n + np + para L P = 100 m e L P = 500 m, com L F = 150 m, C S igual a 1x10 19 átomos/cm 3 e metalização por serigrafia. Por fim, os resultados para L F igual a 100 µm são melhores que para 150 µm devido à menor área de cobertura metálica, possibilitando haver maior área ativa. Em relação às trilhas posteriores, o aumento em cinco vezes na largura praticamente não altera a eficiência de conversão. A seguir, as características da malha de metalização por serigrafia, na face frontal e posterior, são apresentadas para diferentes larguras de trilhas e comparadas, considerando os melhores resultados obtidos na simulação das células solares Otimização da malha metálica frontal para a técnica de serigrafia Para a malha metálica posterior com trilhas fixas em 100 µm de largura, foi otimizada a malha metálica frontal, para trilhas com largura de 100 µm e 150 µm. A Tabela apresenta os resultados desta otimização. Da mesma forma que para a metalização por evaporação de metais, observa-se que a área metalizada na face frontal aumenta com o aumento de L F para 150 µm. Tabela Número de trilhas (n trilhas ), largura da barra coletora (L B ) e área metalizada (A met ) em função da largura das trilhas na face frontal (L F ) para as regiões n + e p + de células solares com trilhas posteriores de 100 m de largura, para a estrutura n + np + e metalização por serigrafia. L F (μm) Região n trilhas L B (cm) A met (cm²) p ,8 11, n ,1288 0,1278 1,89 1, p ,8 11,96 n ,1289 0,1277 2,04 1,81 Para a malha metálica posterior com trilhas fixas em 500 µm de largura, foi otimizada a malha metálica frontal, para trilhas com largura de 100 µm e 150 µm. Da Tabela novamente nota-se o aumento da área metalizada frontal com o aumento da largura das trilhas nesta face. O L B na região n + sofre uma redução muito pouco significativa com o aumento da largura das trilhas na região frontal. 20

22 Tabela Número de trilhas (n trilhas ), largura da barra coletora (L B ) e área metalizada (A met ) em função da largura das trilhas na face frontal (L F ) para as regiões n + e p + de células solares com trilhas posteriores de 500 m de largura, para a estrutura n + np + e metalização por serigrafia. L F (μm) Região n trilhas L B (cm) A met (cm²) p ,5 9,70 n ,1285 0,1281 1,80 1,72 p ,7 10,54 n ,1283 0,1277 1,92 1,84 Atividade 2.2: Comparação entre filmes antirreflexo de óxido de titânio depositado por evaporação e APCVD Comparação de Filmes de TiO 2 e SiN x Embora esta atividade não tenha sido colocada na lista de atividades, consta dos objetivos do projeto e por isto foi dedicada atenção. Foi realizada uma série de experimentos para comparar os filmes de TiO 2 depositados por evaporação em alto vácuo e por APCVD bem como com os de nitreto de silício depositados por sputtering e PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition). Justifica-se a comparação com o nitreto porque este é o material mais usado atualmente pelas indústrias de células solares de silício. No entanto, cabe comentar que tem alguns inconvenientes: usa silano (gás pirofórico), necessita alto vácuo e não é bom passivador de regiões dopadas com boro. Foram usadas lâminas de silício monocristalino FZ tipo n, dopadas com fósforo, orientação <100>, circulares de 100 mm de diâmetro. Estas lâminas possuem tempo de vida dos portadores minoritários médio da ordem de 300 µs. As lâminas passaram por uma solução baseada em KOH para texturar as superfícies. Depois da texturação, as lâminas foram limpas em solução RCA2. Em um grupo de lâminas foi crescida uma camada de SiO 2 em forno de oxidação, a temperatura de 800 ºC, obtendo-se filmes de aproximadamente 7 nm. Os filmes de TiO 2 depositados por evaporação em alto vácuo foram obtidos no NT-Solar/PUCRS. Os filmes de Si 3 N 4 obtidos por sputtering foram depositados no Laboratório de Microeletrônica, Instituto de Física, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, tendo sido preparados pelo Prof. Henri Boudinov. O óxido de titânio depositado por APCVD e o SiN x por PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) foram processados no TIM-UPV. Os filmes foram caracterizados pela medida da refletância espectral no intervalo de 350 nm a 1200 nm. As medidas foram realizadas em cinco pontos na lâmina. A refletância média ponderada ( W ), isto é, que considera a refletância espectral, o espectro solar e a resposta espectral da célula solar de silício, foi calculada para todos os filmes depositados. A W é calculada por: W 2 1 F EQI d 1 2 F EQI d (3) onde F( ) é o fluxo de fótons correspondente ao espectro solar, EQI( ) é a eficiência quântica interna da célula solar e ρ( ) é a refletância espectral. 21