Texturização Suave de Células Solares de Silício Monocristalino 1,2

Transcrição

1 Texturização Suave de Células Solares de Silício Monocristalino 1,2 T.O.Freitas 3 L.Nakamura D.W.de Lima Monteiro F.P.Honorato Resumo Na busca por maior eficiência de células solares, a texturização do Silício é uma importante alternativa a ser averiguada. Este artigo apresenta uma forma alternativa de texturização do Silício a fim de melhorar a eficiência de células fotovoltaicas. O método utilizado é baseado na corrosão anisotrópica do corpo do Silício, utilizandose no processo apenas uma etapa de exposição de fotoresiste com máscara e duas etapas de corrosão utilizando uma solução aquosa de KOH. Ao final do processo, a superfície do Silício será composta de cavidades hemisféricas suaves. Não é necessário o uso de máscaras com precisão litográfica ou da adição de etapas que exijam tecnologia sofisticada para a obtenção das cavidades hemisféricas. Utilizando-se a configuração proposta, há um aumento tanto na área de exposição à luz, quanto no volume da camada de depleção. A nova texturização também proporciona um aumento na transmitância para baixos ângulos de inclinação do sol, aumentado assim a corrente fotogerada. 1 Trabalho a ser apresentado em pôster. 2 Fontes Renováveis de Energia. 3 OptMA lab, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Minas Gerais. Av. Antônio Carlos, 6627, Belo Horizonte-MG, Brazil. tofreitas@ufmg.br; davies@cpdee.ufmg.br 1043

2 Introdução A texturização é geralmente utilizada com o objetivo de aumentar a área da superfície da célula exposta à luz solar (1,2). Há um método em particular, baseado em pirâmides invertidas, que também objetiva reduzir as perdas por reflexão, através do aprisionamento da luz por reflexões múltiplas. A eficiência das células solares depende dos seguintes fatores: composição do semicondutor, contatos metálicos, presença e propriedades de camadas anti-reflexão e tipo e arquitetura das camadas da célula. O Silício é o material predominantemente utilizado na fabricação de células solares pela sua abundância na natureza, por se beneficiar de métodos conhecidos e relativamente baratos, de limpeza e purificação, por seu processamento ser confiável e reprodutível, e pela sua energia de bandgap e sensitividade serem compatíveis com o espectro solar. Neste artigo utilizamos um método simples e econômico para texturizar a superfície da célula solar de modo a melhorar sua transmitância, especialmente para baixos ângulos de elevação solar. O método gradualmente transforma pirâmides invertidas em cavidades hemisféricas através de uma única etapa de corrosão, utilizando uma solução aquosa de KOH (3). A partir de uma matriz de pirâmides invertidas somos capazes de texturizar a célula com cavidades hemisféricas truncadas, com um fator de preenchimento estrutural de 100%. Através da dopagem da superfície texturizada, seja por difusão ou implantação iônica, temos como resultado uma junção emissor-substrato de perfil ondulado, o que por sua vez proporciona um aumento do volume da camada de depleção. A junção ondulada pode também ser obtida depositando-se um filme fino amorfo dopado na superfície processada. Adicionalmente, a superfície texturizada serve como molde perfeito para microlentes que podem ser utilizadas como concentradores de luz (4). O objetivo deste trabalho é mostrar a influência da texturização proposta na transmitância da interface ar/silicio, apresentando a porção de radiação solar que efetivamente penetra o corpo da célula. Tecnologia para Texturização Hemisférica. O método utilizado para criação de cavidades hemisféricas suaves em uma superfície de Silício é baseado na microusinagem do substrato utilizando-se corrosão anisotrópica. O processo é composto de apenas uma máscara para exposição do fotoresiste e duas etapas de corrosão com KOH:H 2 O. Para reduzir os custos de produção, transparências impressas com alta definição podem substituir máscaras litográficas. A texturização é baseada em uma sutileza ainda pouco divulgada do processo de corrosão do substrato: uma depressão piramidal com paredes <111>, formada por corrosão anisotrópica com KOH através de um orifício em uma fina camada de dióxido de Silício (SiO 2 ), finalmente transforma-se em uma cavidade hemisférica se a corrosão for continuada após a remoção do óxido. Entre FO2R3P 1044

3 a etapa em que a superfície com poços piramidais está formada, e a formação das cavidades hemisféricas ocorre um estágio intermediário onde uma pirâmide invertida de ângulo 19,47º e face <411> substitui a inicial de ângulo 54,74º. A distância entre a base e o vértice da pirâmide de face <411> determina a profundidade da cavidade esférica. O fim da transição ocorre com uma espessura do wafer, h off-, de aproximadamente 1/3 da largura da base da pirâmide inicial (d 0 /3). A Figura1 mostra a evolução do processo de corrosão, enquanto a Figura2 indica alguns parâmetros úteis. Figura 1 Evolução das pirâmides invertidas para cavidades hemisféricas. O diâmetro D da cavidade esférica é determinado pela abertura inicial da máscara de óxido d 0, e pela profundidade de corrosão h, onde a profundidade s depende de d 0 e das condições de corrosão. O diâmetro da cavidade esférica pode ser calculado pela expressão empírica dada pela seguinte equação, que é valida para valores de h maiores que 2.5 d 0 (4). A profundidade da cavidade, também chamada sagitta é definida como s=αd 0, onde á é um parâmetro de processo influenciado pela concentração de KOH e pela temperatura. A abertura inicial mínima é limitada pela resolução da máscara de exposição. Utilizando-se máscaras litográficas ou gravação por feixe de elétrons a dimensão pode ser submicrométrica, porém utilizando-se a impressão a laser de alta definição em transparências a dimensão será da ordem de alguns microns a dezenas de microns. 1045

4 Figura 2 Parâmetros relacionados com o processo de corrosão. Análise da Transmitância A radiação solar que chega a superfície da Terra pode ser dividida em três componentes: direta, difusa e albedo (5). Apenas a primeira das três é considerada em nossa análise, que compara a superfície plana e a superfície com cavidades esféricas. A radiação albedo geralmente é considerada apenas em painéis inclinados; a radiação difusa pode chegar a 15% da radiação incidente, porém devido à sua contribuição aleatória e homogênea para incidência oblíqua, assumiu-se que seu impacto na transmitância é igual para ambas as superfícies. Quanto ao sombreamento, uma matriz de cavidades hemisféricas ortogonais tem um sombreamento máximo em um ângulo crítico γ c, o qual depende dos parâmetros de processo tais como: A figura 3 mostra a relação entre esses ângulos em uma única cavidade. 1046

5 Figura 3 (a) Ângulo de elevação e parâmetros de uma única cavidade, (b) matriz ortogonal de cavidades e uma única cavidade truncada. Para a depressão piramidal convencional, o ângulo γ c é igual a 54,74º, enquanto para a nossa cavidade o ângulo varia entre 2º e 3º, conforme o fator h/d 0 diminui de 5 a 2,5. Podemos verificar isto através da figura 4. Além disso, a sombra máxima somente é relevante se a trajetória do sol está a 45º da orientação da matriz de cavidades, pois nessa condição cada pico de intersecção produz uma sombra no centro de sua respectiva cavidade. Figura 4 Ângulo crítico de elevação solar versus h/d 0. A área de uma superfície com cavidades esféricas truncadas é dada pela Equação [3]. 1047

6 onde e P max é a distância máxima entre o centro de duas cavidades para a qual se pode obter um fator de preenchimento estrutural de 100%. Para uma matriz ortogonal esse valor é dado por. Os parâmetros R e P max, que caracterizam a cavidade, são dependentes dos parâmetros de processo e design d 0 e h. Descobrimos que a área aumenta conforme a razão h/d 0 diminui, resultando em um ganho de área de 0,35% em comparação com a superfície plana para um h/d 0 =2,5. Após termos identificado os parâmetros e sua influência nos resultados, desenvolvemos um algoritmo para comparar a transmitância nas interfaces ar/silicio de uma célula plana com a de uma texturizada com hemisférios. Os raios solares fazem uma varredura na célula de 0º a 180º, e o programa emite um total normalizado de transmitância para área da célula. A figura 5 mostra os gráficos para os dois casos, onde a superfície texturizada foi obtida com h/d 0 =2.5, e d 0 = 40µm. Figura 5 (a) Transmitância em função do ângulo de elevação γ para células, plana e texturizada; (b) diferença na transmitância. 1048

7 Os resultados obtidos mostram um ganho de transmitância na célula texturizada para ângulos de elevação menores que 30º ou superiores a 150 o. Utilizando-se a célula texturizada é possível se obter uma transmitância 30% maior no amanhecer e entardecer do dia. Além disso, descobrimos que quanto menor for o fator h/d 0 e maior for a abertura inicial na máscara d 0, maior será a transmitância. O valor máximo de d 0 é ditado pela espessura do wafer de Silício e pela relação h=2.5d 0, onde se inicia a formação do perfil hemisférico. Na prática este valor será de 30µm a 160 µm, dependendo da estabilidade mecânica requerida para o substrato. As dimensões dos orifícios iniciais tornam desnecessário o uso de máscaras litográficas de alta resolução. Uma máscara de 100cm 2 que custaria US$300 passa a custar US$10 (uma máscara padrão pode ser utilizada para várias exposições em superfícies maiores). Para avaliarmos a utilidade de uma célula texturizada a partir de uma plana, calculamos a quantidade total de fótons que penetram efetivamente em cada célula por dia, considerando a transmitância calculada anteriormente. Fizemos algumas simplificações que não pusesse em risco nossa análise comparativa: as características das células são idênticas exceto pela superfície frontal; as radiações albedo e difusa são nulas; as células estão ao nível do mar e no plano horizontal; o comprimento de onda médio é λ=650nm, tomado como o baricentro da parcela do espectro solar (ASTM-G173-03) de 280nm a 1100nm (comprimento de onda de corte do silicio); o sol está presente 10 h por dia. A figura 6 mostra a quantidade de fótons em função de h/d 0 para as condições anteriores. Podemos ver que quanto menor h/d 0, maior é o ganho. Para h/d 0 =2.5, o ganho é maior que 2%. Se considerarmos que uma célula de superfície plana absorve uma radiação de 800kWh/m 2 durante um ano, devido à incidência direta, então uma célula texturizada oferece um acréscimo de 16kWh/m 2 (6). 1049

8 Figura 6 Ganho em número de fótons absorvidos para uma célula texturizada em comparação com a plana. O parâmetro de processo h/d 0 tem um importante papel no projeto de uma texturização hemisférica ótima para a superfície frontal de uma célula solar. Embora o ângulo crítico de sombreamento aumente com a diminuição de h/d 0, o ganho de transmitância e área são maiores para h/d 0 =2.5. Quanto maior for a abertura da máscara, maior será a transmitância para menores ângulos de elevação. Isso favorece a utilização de impressão de baixo custo para as máscaras de exposição, o oposto do utilizado nas máscaras para a texturização de pirâmides invertidas, que demandam alta qualidade. Conclusões Apresentamos um método para a texturização da superfície frontal de uma célula solar com cavidades hemisféricas contíguas. O tamanho das aberturas da máscara de exposição e o afinamento do wafer definem o ganho de área e de transmitância em relação a uma célula plana. Para um design ótimo com o processo proposto não é necessário o uso de máscara litográfica. A superfície texturizada melhora a absorção de fótons em 2% por dia. Deve-se realizar um estudo detalhado com o objetivo de avaliar o balanço de energia entre fabricação e geração. Os cálculos preliminares apresentados indicam um ganho adicional de 16kWh/m 2 por ano quando substituímos uma célula de superfície plana por uma texturizada com um design ótimo. Agradecimentos Os autores agradecem ao Dr. Oleg Soloviev (TU-Delft/OKO Technologies, NL), ao Dr. Jeffrey Ketterling (Riverside Research Institute, USA) e ao CNPQ (Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico, BR). 1050

9 Referências 1. D. Macdonald et al., in Texturing Industrial Multicrystalline Silicon Solar Cells/ 2001, 2001 Solar World Congress, Australia, (2001) 2. A.J. Nijdam et al., in Formation and stabilization of pyramidal etch hillocks on silicon {100} in anisotropic etchants: experiments and Monte Carlo simulation, J. App. Phys., vol.89, no.7, p , (2001) 3. D.L. Kendall, Micromirror arrays using KOH:H2O micromachining of silicon for lens templates, geodesic lenses and other applications, Opt. Eng., vol.33, no.11, (1994) 4. D.W. de Lima Monteiro et al., in Single-mask microfabrication of aspherical optics using KOH anosotropic etching of Si, vol.11, no.18, Optics Express (2003) 5. J Nelson, The Physics of Solar Cells, p.11, Imperial College Press (2003) 6. E. Alsema, Energy pay-back time and CO 2 emissions of PV systems,, in Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications, p , Elsevier, (2005) 1051