Desenvolvimento de Técnicas de Recristalização de Fitas de Silício para Aplicação Fotovoltaica (Apresentação)

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Desenvolvimento de Técnicas de Recristalização de Fitas de Silício para Aplicação Fotovoltaica

João C. C. Henriques

FCUL

Apresentação 1. Motivação e Desafios para o Presente Trabalho 2. Descrição do Sistema e das Técnicas Desenvolvidas 3. Caracterização dos Materiais e das Células Realizadas 4. Conclusões e Perspectivas Futuras

Motivação A conversão directa da radiação solar em energia eléctrica constitui uma alternativa muito interessante do ponto de vista ambiental pelo que apresenta actualmente um grande potencial para o futuro.

Desafios Redução do custo por unidade de potência dos sistemas fotovoltaicos. Presente trabalho constitui uma modesta contribuição experimental para o supracitado objectivo pela Exploração de novas possibilidades para técnicas existentes. Demonstração de princípio de possibilidades alternativas.

Possíveis Abordagens para Redução de Custos

1. Menor uso de material por redução da espessura dos substratos. 2. Utilização de materiais de base de inferior qualidade. 3. Cristalização de silício directamente sob a forma de fitas. 4. Redução do consumo energético dos processos de cristalização.

Recristalização por Zona Fundida ZMR (Zone Melting Recrystallization) Vantagens: Evita o uso de cadinhos (contaminação e custos inerentes). Aumenta a qualidade dos materiais por segregação de impurezas e incremento da perfeição cristalográfica (e.g. dimensão do grão). Desvantagem: Dependência de matéria-prima na forma adequada, (i.e. folhas ou fitas). Materiais de teste de silício policristalino de qualidade solar das marcas Silso (Wacker), Eurosil (Eurosolare) e Baysix (Bayer).

Descrição do Sistema e das Técnicas Desenvolvidas Sistema de Recristalização Critérios de projecto a) Simplicidade e baixo custo. b) Rendimento geométrico e versatilidade elevados.

Solução construtiva Forno óptico com lâmpadas de halogéneo lineares e concentração por espelhos cilíndricos elípticos confocais, com sub-sistema de translação da fita integrado.

Sistema de Recristalização Velocidade máxima (modo óptico) e / m

V / mmmin-1

350

25 - 30

100

45

Largura máxima de fita: 75 mm (comprimento dos filamentos), recristalizada a 5 mmmin-1 devido ao gradiente de temperatura transversal. Rendimento energético (modo óptico) estimado em 28%.

Técnicas de Recristalização 1. Recristalização Óptica 1.1 Atmosfera Oxidante 1.1.1 Simples 1.1.2 STTRECH

1.2 Atmosfera Inerte 1.2.1 Simples 1.2.2 Bifásica 1.2.3 STTRECH (Deformação Plástica do Bordo)

2. Recristalização por Zona Fundida Linear (Óptico-Resistiva) 2.1 Bordos suportados por placas de grafite 2.2 Bordos suportados por placas se silício

STTRECH (Silicon Tape Thickness Reduction and Crystallization) Aumento da área efectiva com correspondente redução de espessura das fitas. Espessura final mínima em condições de crescimento estáveis ~ 100 m (centro da fita), determina a máxima Tr (razão da área final pela inicial). Ausência de bordos sólidos gera nãouniformidade na espessura. Manutenção da largura constante exige um controlo preciso da potência óptica.

Comparação entre a placa original (100  30 mm2) e a recristalizada à taxa Tr ~ 3. Transição de uma espessura inicial de 425 m para uma final de 52 m (junto ao bordo).

Recristalização Bifásica Processo em 2 fases: 1. Recristalização por STTRECH (atmosfera oxidante). 2. Recristalização simples (atmosfera inerte).

Alia a vantagem de redução de espessura do processo STTRECH à qualidade das fitas recristalizadas em atmosfera inerte. Exige o uso de dispositivos de blindagem dos bordos para evitar o colapso da zona. Eficaz na remoção do oxigénio mas moroso e mais susceptível a fracturas das fitas.

Recristalização com STTRECH por Deformação Plástica do Bordo Alternativa inovadora num único passo em atmosfera inerte sem as desvantagens dos métodos anteriores. Exige controlo muito rigoroso da distância da zona aos bordos (secção resistente destes) e uma distribuição de temperatura na placa muito simétrica. Dificuldades de controlo determinam: 1. Pouca reproductibilidade dos resultados. 1. Baixas velocidades de recristalização: < 6 mmmin-1. 1. Pequenas áreas recristalizadas: < 3 cm2 para Tr típica de 1,7 em fitas de 30 mm de largura.

Espessura mínima conseguida de 150 m para Tr máxima de 2,4.

Zona Fundida Linear (Óptico-Resistiva)

Zona obtida pelo efeito conjunto da concentração de radiação e de aquecimento resistivo da placa. Pode variar-se contínua e independentemente a contribuição de potência de cada um dos sistemas de aquecimento. Bordos suportados por placas de silício ou grafite. No segundo caso é possível uma recristalização puramente resistiva (fitas estreitas). Zonas muito estreitas (em geral 0,35-1 mm) mas com problemas de estabilidade particularmente complexos.

Caracterização dos Materiais e das Células Realizadas Tensões Internas Tensões residuais máximas (25-35 MPa) nos bordos das fitas. Não evidenciam clara dependência com a composição da atmosfera e a velocidade de crescimento em qualquer das variantes da técnica. Resultados consistentes com os obtidos pelas medidas da densidade de deslocações. Acima de um nível de tensões crítico ocorre instabilidade estrutural, sobretudo nas fitas mais finas e largas (e.g. STTRECH).

Deformação estrutural numa fita de STTRECH com 30 mm de largura recristalizada a 33 mmmin-1. Os reflexos na superfície mostram uma ondulação de período grande (30 - 40 mm; amplitude até 1 mm) e pequeno (1,25 mm; amplitude até 15 m). Ondulações de pequeno período devidas a desalinhamentos e folgas ao nível do sistema de translação.

Morfologia Recristalização simples em atmosfera oxidante: Excelente qualidade de superfície. Outras variantes (para V < 20 mmmin-1): Planaridade e a uniformidade da espessura satisfatórias (excepto STTRECH em atmosfera oxidante).

Amostra com 25 mm de largura recristalizada em atmosfera oxidante a 30 mmmin-1. Repare-se na planaridade da superfície pela reflexão da régua.

Impurezas Oxigénio e carbono (espectroscopia de infravermelhos). Precipitados e inclusões associados às impurezas.

Microestrutura Grãos de largura máxima da mesma ordem da do grão original, i.e. ~ 10 mm, reduzindo-se para < 5 mm a velocidades elevadas (> 20 mmmin-1). Densidade de deslocações (etch pits) média de 1 - 2106 cm-2 para fitas espessas (~ 350 m) e ~105 cm-2 em fitas finas (e.g. STTRECH).

Fronteiras do tipo macla são particularmente frequentes em todas as técnicas de produção de silício policristalino.

Comprimento de Difusão Comprimento de difusão dos portadores minoritários (Ln) é tomado como o principal parâmetro de qualidade dos materiais produzidos. Integra o efeito conjunto da presença de todos os tipos de impurezas e defeitos estruturais. Controlos

Árgon

Oxigénio

STTRECH

Bifásica

DefPlas

O-R:Si

Máximo

135

38

10

9

155

147

67

62

Mínimo

96

16

5

4

73

65

45

31

Médio

115

31

7

6

105

110

54

44

L / m

O-R:C

Estatísticas do comprimento de difusão para as diversas variantes de recristalização

Não ficou estabelecida qualquer relação entre Ln e a velocidade de cristalização ou a taxa de STTRECH, devido à grande dispersão dos resultados experimentais.

1.0

Resposta Espectral

0.9

Rendimento Quântico Interno

0.8

Classes de fitas:

0.7

1. Atmosfera inerte 0.6

AMF 88: Ln = 155 m 0.5

2. Óptico-Resistiva 0.4

AMF 139: Ln = 67 m 0.3

3. Atmosfera oxidante 0.2

AMF 88

JoH2: Ln = 9 m

AMF 139 0.1

JoH2

0.0 0.5

0.6

0.7 0.8 0.9 1.0 Com prim ento de Onda /  m

1.1

1.2

Células Fotovoltaicas 1. Atmosfera inerte: AMF 97 (DefPlas; Ln = 128 m) – Rendimento (9,1%). Jsc, Voc e FF máximos. 1. Óptico-Resistiva: AMA 6 (O-R:C; Ln = 62 m) – Rendimento e Jsc superiores às amostras de árgon e controlos com mais do dobro do Ln. 2. Atmosfera oxidante: AMX 40 (Oxigénio; Ln = 9 m) – Baixos Ln nesta classe determinam os mais baixos rendimentos. Técnica

Controlo

Árgon

Oxigénio

STTRECH

Bifásica

DefPlas

O-R:C

K3

Jo3B

AMX 40

AMF 68

AMF 88

AMF 97

AMA 6

1,26

3,31

1,26

0,52

0,39

1,79

1,54

Jsc / mAcm-2

15

10

9

10

11

17

14

Voc / mV

370

502

445

445

490

530

470

FF / %

38,8

32,6

59,1

43,8

58,7

67,0

56,8

Rendimento / %

5,6

4,8

4,1

4,6

5,3

9,1

6,5

Célula Área / cm2

Parâmetros característicos para as melhores células nas diversas categorias de materiais recristalizados.

Características J(v) das Células J / mAcm -2 10

AMX 40 (FF = 59% ; R = 4.1%) AMA 6 AMF 97

(FF = 57% ; R = 6.5%) (FF = 67% ; R = 9.1%)

0 -0.1

0

-10

-20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6 V

Conclusões e Perspectivas Futuras Mérito Relativo da Técnicas Desenvolvidas • Figura de Mérito ( pay-back energético relativo dos processos)

FM 

Parâmetro

E PSηTr

Bifásica

STTRECH

Árgon

DefPlas

O-R:Si

O-R:C

Oxigénio

50

50

50

50

50

30

50

V / mmmin-1

22,5

45

25

6

12,5

5

25

Tr

3,5

3,5

1

2,5

1

1

1

A / m2h-1

0,07

0,14

0,08

0,02

0,04

0,01

0,08

26

13

25

106

37

39

25

/%

14,4

4,7

11,2

14,5

13

12,6

5,3

FM / h

53

79

223

281

280

310

472

L / mm

E / kWhm-2

Parâmetros característicos das diversas variantes de recristalização.

Principais Desenvolvimentos e Perspectivas Futuras O futuro das técnicas desenvolvidas depende criticamente da capacidade de demostrarem uma melhoria significativa da qualidade do material de base, justificando dessa forma os custos dos processos. Para tal é essencial partirem de materiais de mais baixa qualidade inicial e de maiores dimensões do que os utilizados. A técnica de recristalização óptica com redução de espessura (STTRECH) em atmosfera inerte, por deformação plástica dos bordos das fitas, constitui uma implementação absolutamente nova da técnica de recristalização por zona fundida (ZMR). A técnica de Zona Fundida Linear (óptico-resistiva) foi desenvolvida com vista ao crescimento de fitas finas e de boa qualidade a partir de matériasprimas comerciais, tornando-se assim um verdadeiro método de cristalização. Remanescem muitos problemas ainda por resolver e explicar para os continuadores deste trabalho ...