[Article] Diseño óptimo y realización de celdas solares de

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Unformatted text preview: ´ REVISION REVISTA MEXICANA DE F´ ISICA 50 (5) 431–442 OCTUBRE 2004 ˜´ Diseno optimo y realizaci´ n de celdas solares de silicio para producci´ n industrial. o o Estado del arte de la investigaci´ n en M´ xico o e A. Morales-Acevedo CINVESTAV, IPN Departamento de Ingenier´a El´ ctrica ı e Avenida IPN No. 2508, 07360, M´ xico, D.F., Mex. e e-mail: [email protected] Recibido el 26 de febrero de 04; aceptado el 17 de mayo de 04 Mostramos aqu´ el trabajo que el autor y su grupo han desarrollado a lo largo de varios a˜ os para el dise˜ o y realizaci´ n de celdas solares de ı n n o silicio con emisores selectivos factibles de fabricarse en ambientes industriales. La metodolog´a de dise˜ o de las celdas solares se basa en la ı n ´ soluci´ n de las ecuaciones de transporte de carga en dispositivos semiconductores, tomando en cuenta la variacion de movilidades y tiempos o de vida en regiones con impurificaci´ n no uniforme (perfil tipo Gaussiano como se obtiene a partir de procesos de difusi´ n o de implantaci´ n o o o i´ nica), y fen´ menos tales como la recombinaci´ n Auger y la reducci´ n de banda prohibida en silicio altamente impurificado. Igualmente, o o o o se desarroll´ un programa de computadora para el dise˜ o del enrejado colector de corriente, tomando en cuenta el flujo lateral de corriente o n en el emisor, as´ como las limitaciones debidas a la tecnolog´a de fabricaci´ n de los dedos colectores de corriente. Adem´ s, se cuenta con ı ı o a un programa que permite optimizar el espesor de capas antireflejantes m´ ltiples, dado el ´ndice de refracci´ n respectivo, dependiendo del u ı o m´ todo de obtenci´ n de las mismas. Tambi´ n se describen los procesos que se requieren para hacer celdas solares de silicio, as´ como diversos e o e ı experimentos que nos han permitido mejorar la eficiencia de conversi´ n de este tipo de dispositivos. Por ejemplo, se han depositado capas o de nitruro de silicio por la t´ cnica de dep´ sito en fase vapor ayudado por plasma (PECVD) a partir de SiH4 /NH3 , y se han optimizado las e o condiciones de dep´ sito para lograr la pasivaci´ n de estados de superficie en el emisor, al mismo tiempo que act´ e como capa antireflejante o o u ´ optima. Igualmente, se muestra la realizaci´ n de un nuevo proceso de aleaci´ n de aluminio en la parte posterior que causa un incremento o o de m´ s del 20 % en la eficiencia de conversi´ n respecto a celdas realizadas con t´ cnicas convencionales, debido a efectos de gettering de a o e ´ impurezas met´ licas. Tambi´ n se muestra el dise˜ o y obtenci´ n de una doble capa antireflejante optima sobre celdas solares de silicio en a e n o base a TiO2 /SiO2 . Descriptores: Cldas solares; silicio; energ´a fotovoltaica. ı We present here the work that the author and his group have developed during several years for the design and fabrication of silicon solar cells with selective emitters with potential for industrial production. The solar cell design methodology is based on the solution of the carrier transport equations in semiconductor devices, taking into account the variation of mobility and lifetime in non-uniformly doped regions (Gaussian profiles as obtained from diffusion or ion implantation processes), and phenomena such as Auger recombination and bandgap shrinkage in highly doped silicon. A computer program was also developed for the design of the metal grid, taking into account the lateral flux of current in the emitter, and also the technological limitations for the fabrication of the grid fingers. In addition, another computer program was developed for optimizing the thickness of anti-reflection layers, given the index of refraction, in order to have a complete set of programs for the design of silicon solar cells. We describe the processes required for making the silicon solar cells, and several experiments that have allowed the improvement of the conversion efficiency of this kind of solar cells. For example, silicon nitride layers were deposited by Plasma Enhanced Vapor Deposition (PECVD) from SiH4 /NH3 , and the deposition conditions were optimized for achieving surface state passivation at the emitter, and at the same time working as optimal anti-reflection layer. Similarly, a new process of aluminum alloying at the back of the cells was added to cell fabrication, leading to an increase in the efficiency by more than 20 % with respect to cells made by conventional processes, due to effects of metallic impurity gettering. Finally, the benefit due to an optimum double anti-reflection layer TiO2 /SiO2 is also shown. Keywords: Solar cells; silicon; photovoltaic energy. PACS: 84.60.Jt; 85.30.De; 89.30.Cc 1. Introducci´ n o La energ´a generada por medio de la conversi´ n fotovoltaiı o ca de la radiaci´ n solar ha encontrado una gran diversidad o de aplicaciones, y tiene un gran potencial para sustituir –en el mediano plazo– a los combustibles f´ siles como fuente de o energ´a, de forma que no se contamine al medio ambiente. ı El crecimiento del mercado mundial, seguido del mercado en M´ xico, para los sistemas fotovoltaicos en aplicaciones tae les como bombeo de agua, educaci´ n b´ sica por televisi´ n oa o y radio-telefon´a en zonas rurales, iluminaci´ n y sistemas de ı o respaldo en casas habitaci´ n, etc. ha sido en promedio mayor o ´ ´ al 20 % anual en los ultimos 10 a˜ os. Este es un ritmo de cren cimiento importante y mayor, incluso, que el observado para la industria microelectr´ nica. o Sin embargo, para mantener o incluso aumentar la velocidad de crecimiento de esta fuente de energ´a el´ ctrica limıe pia en el futuro, es fundamental la reducci´ n de costos de o fabricaci´ n de celdas solares y m´ dulos fotovoltaicos. Este o o objetivo puede lograrse mejorando paulatinamente la relaci´ n eficiencia/costo de las celdas solares que constituyen los o m´ dulos fotovoltaicos, para lo cual existen diversas estrateo gias. Por ejemplo, la b´ squeda de materiales alternativos que u permitan fabricar celdas solares con eficiencias de conversi´ n o 432 A. MORALES-ACEVEDO comparables a las de silicio (mono y policristalino), que es el material m´ s utilizado en la actualidad para celdas solares. a Igualmente, se puede buscar la reducci´ n de los costos de o producci´ n de las celdas solares de silicio que se hagan meo diante procesos industriales y no en ambientes ultralimpios de los laboratorios, si es posible aumentando la eficiencia de conversi´ n. o Las celdas solares de silicio cristalino han alcanzado eficiencias record de 24.7 % mediante una estructura sofisticada llamada “Passivated Emmiter and Rear Locally diffused (PERL)”, ilustrada en la Fig. 1. Esta estructura, desarrolladas por Martin Green y su grupo en Australia [1], es importante porque ha mostrado que es posible alcanzar eficiencias de conversi´ n cercanas a la m´ xima eficiencia te´ rica o a o (29 - 31 %) de fotoceldas de silicio bajo luz solar (espectro AM1.5 global normalizado a 1 kW/m2 ), pero requieren procesos tales como foto-litograf´a de m´ ltiples niveles, oxiı u daci´ n y difusi´ n de impurezas en laboratorios ultra-limpios o o (clase micro-electr´ nica para fabricar circuitos integrados) y o obleas de silicio de extrema calidad, de forma que no pueden industrializarse a costos de producci´ n apropiados para o su aplicaci´ n terrestre. o Por otro lado, la industria de celdas solares de silicio fabrica estos dispositivos con tecnolog´a de bajo costo (dedos ı colectores y contacto posterior obtenidos por serigraf´a, texı turizaci´ n superficial por ataque qu´mico, etc.), pero sin ino ı cluir conceptos de dise˜ o desarrollados para las celdas de aln ta eficiencia obtenidas en los laboratorios de investigaci´ n. o La estructura para las celdas solares de silicio “serigr´ ficas” a t´picas de la industria moderna de celdas solares se ilustra ı en la Fig. 2. A diferencia de las estructuras PERL, no incluyen emisor selectivo optimizado, ni la pasivaci´ n de estados o de superficie, particularmente en el emisor, adem´ s de que a la tecnolog´a serigr´ fica utilizada impone l´mites para la reı a ı ducci´ n de las p´ rdidas, tanto por resistencia serie como por o e sombreado, debidas a los dedos colectores en el enrejado de las celdas solares. Por ello, la m´ xima eficiencia en estas cela das “industriales” es de s´ lo 13 % a 15 %. o Mostramos aqu´ el trabajo que el autor y su grupo han ı desarrollado a lo largo de varios a˜ os [2–21] para el dise˜ o y n n realizaci´ n de celdas solares de silicio con emisores selectio vos factibles de fabricarse en ambientes industriales. La metodolog´a de dise˜ o de las celdas solares se basa en la soluı n ci´ n de las ecuaciones de transporte de carga en dispositivos o semiconductores, tomando en cuenta la variaci´ n de movilio dades y tiempos de vida en regiones con impurificaci´ n no o uniforme (perfil tipo gaussiano como se obtiene a partir de procesos de difusi´ n o de implantaci´ n i´ nica), y fen´ menos o oo o tales como la recombinaci´ n Auger y la reducci´ n de bano o da prohibida en silicio altamente impurificado. Igualmente, se desarroll´ un programa de computadora para el dise˜ o del o n enrejado, tomando en cuenta el flujo lateral de corriente en el emisor, as´ como las limitaciones debidas a la tecnolog´a ı ı de fabricaci´ n de los dedos colectores de corriente. Adem´ s, o a se cuenta con un programa que permite optimizar el espesor de capas antireflejantes m´ ltiples, dado el ´ndice de refracu ı ci´ n respectivo, dependiendo del m´ todo de obtenci´ n de las o e o mismas. Tambi´ n se describen los procesos que se requieren para e hacer celdas solares de silicio, as´ como diversos experimenı tos que nos han permitido mejorar la eficiencia de conversi´ n o de estos dispositivos. Por ejemplo, se han depositado capas de nitruro de silicio por la t´ cnica de dep´ sito en fase vae o por ayudado por plasma (PECVD) a partir de SiH4 /NH3 , y se han optimizado las condiciones de dep´ sito para lograr la o pasivaci´ n de estados de superficie en el emisor, al mismo o ´ tiempo que act´ e como capa antireflejante optima. Igualmenu te, se muestra la realizaci´ n de un nuevo proceso de aleaci´ n o o de aluminio en la parte posterior que causa un incremento de m´ s del 20 % en la eficiencia de conversi´ n respecto a cela o das realizadas con t´ cnicas convencionales, debido a efectos e de gettering de impurezas met´ licas. Tambi´ n se presenta el a e ´ dise˜ o y obtenci´ n de una doble capa antireflejante optima n o sobre celdas solares de silicio en base a TiO2 /SiO2 . Al final se propone la integraci´ n de todos los proceo sos estudiados, as´ como la metodolog´a de dise˜ o, de forma ı ı n que podamos realizar celdas solares de mayor eficiencia que las serigr´ ficas, con procesos susceptibles de industrializarse a (partiendo de obleas tipo p), y con un solo paso de difusi´ n o de f´ sforo (en vez de dos, como se requiere actualmente) pao F IGURA 1. Estructura de una celda solar de silicio de alta eficiencia. F IGURA 2. Estructura de una celda solar de silicio tipo “industrial”. Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı ´ ˜´ DISENO OPTIMO Y REALIZACION DE CELDAS SOLARES. . . 433 ra fabricar celdas solares de silicio con emisor selectivo, con alta eficiencia de conversi´ n y bajo costo. Este trabajo a´ n o u est´ en proceso en los laboratorios del CINVESTAV del IPN. a Debe notarse que la importancia de este desarrollo est´ en a que, siendo M´ xico un pa´s con altos niveles de insolaci´ n e ı o anual (entre los m´ s altos en el mundo) y con gran necesidad a de energ´a el´ ctrica en zonas rurales aisladas, el presente traıe bajo puede ser la base para contar con tecnolog´a propia que ı permita el surgimiento de una industria nacional competitiva para la fabricaci´ n de celdas solares y m´ dulos fotovoltaicos. o o 2. ˜ Diseno de celdas solares de silicio Para poder dise˜ ar una celda solar en cualquier material es n necesario tener gran conocimiento sobre los factores que pueden limitar su eficiencia. Es esto lo que ha tomado un buen n´ mero de a˜ os de investigaci´ n en silicio, y es por esto que u n o tomar´ tiempo para que celdas solares basadas en materiales a como el CdTe y CuInSe2 puedan optimizarse, aunque tienen gran potencial para re-emplazar al silicio en el futuro. En la Fig. 3 se ilustran algunos de los fen´ menos que lio mitan la eficiencia de las celdas solares. Puede notarse que hay fen´ menos intr´nsecos a la naturaleza del efecto fotovolo ı taico bajo radiaci´ n solar. Por ejemplo, la mayor parte de los o fotones provenientes del espectro solar y que pueden ser absorbidos por un material determinado tendr´ n mayor energ´a a ı que el ancho de banda prohibida del material en cuesti´ n, y o por lo tanto el exceso de energ´a de los portadores (huecos y ı electrones) generados tendr´ que perderse en forma de calor, a mediante la “termalizaci´ n” de los portadores. Igualmente, o la recombinaci´ n, que es el fen´ meno inverso a la generao o ci´ n de pares electr´ n-hueco, ocurrir´ despu´ s de un tiempo o o a e caracter´stico llamado “tiempo de vida”. Hay varios mecaı nismos para la recombinaci´ n de portadores, pero habr´ una o a raz´ n de recombinaci´ n m´nima que estar´ determinada por o o ı a las transiciones radiativas desde la banda de conducci´ n hao cia la banda de valencia del semiconductor mismo. F IGURA 3. Fen´ menos de p´ rdida de energ´a en una celda solar. o e ı (1) Termalizaci´ n de portadores por la red, (2) y (3) p´ rdida de o e voltaje en la uni´ n y los contactos, (4) recombinaci´ n de huecos y o o electrones. Estos mecanismos de p´ rdida inherentes al fen´ meno foe o tovoltaico son los que limitan la eficiencia que puede esperarse de celdas solares fabricadas con un material determinado. Para silicio, la eficiencia m´ xima est´ entre 29 % y a a 31 % cuando se ilumina con radiaci´ n solar con espectro AM o 1.5, que es aproximadamente el que habr´a en condiciones de ı m´ xima insolaci´ n sobre la superficie terrestre [13]. Es ina o teresante notar que la falta de comprensi´ n de los factores o que limitan la eficiencia ha causado reportes por algunos investigadores de eficiencias hasta de 35 % para celdas solares de silicio cristalino, lo cual el autor ha demostrado que son incorrectos [10]. Adem´ s de los mecanismos de p´ rdida mencionados tea e nemos otros que existen en la pr´ ctica y que pueden reducirse a mediante el dise˜ o y los procesos de fabricaci´ n adecuados. n o ´ Entre estos podemos mencionar: la recombinaci´ n superficial o debida a la presencia de defectos en la superficie de cualquier material y la reflexi´ n de la radiaci´ n solar en la superficie de o o la celda solar. El primero puede reducirse mediante lo que se llama pasivaci´ n superficial. En el caso de silicio, esto se o ´ realiza depositando capas finas de un oxido o nitruro que eliminen los enlaces sueltos en la superficie [18]. En el segundo caso, la reflectancia se reduce depositando una o dos capas de materiales con espesor e ´ndice de refracci´ n adecuados soı o bre la cara en que incide la luz [20]. De esta manera habr´ un a ´ mayor acoplamiento optico entre el aire y el silicio. Otra ma´ nera de lograr esto ultimo es texturizando la superficie con arreglos piramidales (como se ve en las Figs. 1 y 2), de manera que la luz es “atrapada” induciendo la reflexi´ n m´ ltiple o u hacia la foto-celda. La calidad del material utilizado en la fabricaci´ n de las o celdas solares tambi´ n es causa de una mayor o menor efie ciencia. Una menor calidad estar´ asociada a un menor tiema po de vida y a una menor movilidad de los portadores de carga. El tiempo de vida de los electrones y huecos en materiales reales est´ determinado por la presencia de trampas a que son causadas por impurezas indeseables (metales como cobre, hierro, oro, etc.) y defectos originados en esfuerzos t´ rmicos durante los procesos de fabricaci´ n, o incluso por la e o introducci´ n controlada de impurezas para hacer tipo p (boo o ı ro) o n (f´ sforo) al silicio. As´, el tiempo de vida limitado por centros de recombinaci´ n profundos (llamado tambi´ n o e tiempo de vida Shockley-Read-Hall) y la movilidad dependen fuertemente de la concentraci´ n de boro y f´ sforo. Es o o decir, en una regi´ n donde var´a la concentraci´ n de impureo ı o zas tales como boro y f´ sforo tambi´ n var´a el tiempo de vida o e ı y la movilidad de huecos y electrones. Para fabricar las celdas solares de silicio m´ s eficientes reportadas a la fecha [1] a se us´ silicio cristalino crecido por la t´ cnica de zona flotano e te. Este material es tal que contienen muy pocas impurezas met´ licas e igualmente una muy baja concentraci´ n de dea o fectos, por lo que pueden esperarse muy altas movilidades y tiempos de vida de electrones y huecos. En regiones en donde se tengan altas concentraciones de impurezas tambi´ n habr´ altas concentraciones de portadores e a mayoritarios (electrones en silicio tipo n, y huecos en silicio Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı 434 A. MORALES-ACEVEDO tipo p), lo que causar´ que sea importante un fen´ meno llaa o mado recombinaci´ n Auger. Debido a este mecanismo de reo combinaci´ n, la energ´a perdida por un par electr´ n-hueco al o ı o recombinarse se transfiere a un portador mayoritario, por lo que es m´ s probable en cuanto sea mayor la cantidad de este a tipo de portadores de carga. Este mecanismo de recombinaci´ n puede reducirse mediante la disminucci´ n de la conceno o traci´ n de impurezas en el semiconductor, aunque esto puede o ocasionar otros problemas, por ejemplo al tratar de hacer un ´ buen contacto ohmico (de baja resistencia) a este semiconductor. Es decir, habr´ compromisos a resolver y deber´ optia a mizarse la concentraci´ n de impurezas y su distribuci´ n (pero o fil) dentro del silicio. Ha sido precisamente este tipo de problemas o compromisos los que han determinado el desarrollo de nuevas estructuras para celdas solares de silicio. As´, la estructura de ı celda solar mostrada en la Fig. 4 tiene dos regiones para la capa difundida (emisor), en la parte superior de la celda, por lo que tambi´ n se le llama “celda solar con emisor selectivo”. e En una porci´ n del emisor que act´ a para colectar a los poro u ´ tadores fotogenerados se tiene baja concentraci´ n de atomos o de f´ sforo, mientras que en la regi´ n debajo de los contactos o o (dedos) se tiene una porci´ n del emisor fuertemente impurio ficada –tambi´ n con f´ sforo– para lograr baja resistencia de e o contacto entre el metal de los dedos y el silicio. As´, al misı mo tiempo se reducir´ la recombinaci´ n en la regi´ n activa a o o del emisor y se tendr´ resistencia en serie peque˜ a asociada a n a la celda solar. El emisor de una celda solar se logra t´picamente medianı te la difusi´ n de impurezas del tipo opuesto a las que se tienen o en el substrato (base). Esto se realiza poniendo la oblea de silicio en un horno a temperaturas entre 850 y 1150 ◦ C. Por ´ otro lado, para hacer un buen contacto ohmico a la base (es decir, al substrato), en la parte posterior, es necesario impurificarlo mas fuertemente con el mismo tipo de impurezas que haya en la base misma. Esto tambi´ n puede hacerse por difue si´ n de impurezas a alta temperatura, o bien por la aleaci´ n o o de un metal con el silicio de forma que genere una regi´ n o altamente impurificada. Para facilitar la fabricaci´ n de celdas solares de silicio aco tualmente se usan substratos de silicio tipo p (impurificados con boro) con resistividad t´pica entre 0.1 y 10 ohm-cm, pues ı en este caso puede evaporarse y alearse aluminio a temperaturas alrededor de 600◦ C en la parte posterior. El aluminio impurifica y hace al silicio tipo p+, ayudando a reducir la recombinaci´ n en el contacto posterior debido al campo o el´ ctrico que aparece entre las regiones p y p+ y que refleja a e los electrones fotogenerados hacia la uni´ n. Al mismo tiemo ´ po, esto permite formar un buen contacto ohmico con otros metales tales como n´quel, plata, etc. Por eso, a partir de este ı punto hablaremos s´ lo de estructuras como la ilustrada en la o Fig. 4. En este tipo de estructura el emisor es tipo n+, la base es tipo p y la regi´ n posterior es tipo p+ (o sea una celda solar o de silicio n+ – p – p+). N´ tese que debajo del dedo met´ lico del enrejado se teno a ´ dr´ una regi´ n n++ para formar un buen contacto ohmico. a o ´ Tambi´ n debe notarse que se incluye una capa de oxido o e nitruro de silicio para lograr la pasivaci´ n de la superficie o ´ del emisor. Este es el tipo de estructura que hemos llamado “celda solar con emisor selectivo”, y que pretenderemos dise˜ ar en lo que sigue. Nuestra intenci´ n ser´ obtener este tipo n o a de estructura de manera que se pueda realizar con procesos industriales. Esto limita algunos par´ metros de fabricaci´ n, a o por lo cual es necesario contar con programas de computadora que ayuden a optimizar las celdas de silicio. En otras palabras, el primer paso es realizar los programas de computadora mencionados. 2.1. Simulaci´ n de celdas solares de silicio n+ - p - p+ o F IGURA 4. Estructura de celda solar con emisor selectivo. Para simular el comportamiento de una celda solar de silicio es necesario resolver un sistema de ecuaciones diferenciales no lineal, incluyendo modelos para la variaci´ n de la movio lidad y el tiempo de vida de los portadores en funci´ n de o la concentraci´ n de impurezas [9]. Adem´ s debe tomarse en o a cuenta que t´picamente en el emisor se obtiene una distribuı ci´ n de tipo gaussiano, como se ilustra en la Fig. 5, despu´ s o e de realizar los procesos de difusi´ n de f´ sforo a altas tempeo o raturas. Previamente, el autor hab´a estudiado el efecto de reducı ci´ n de banda prohibida as´ como la degeneraci´ n de Fermi y o ı o la recombinaci´ n Auger sobre el comportamiento de las celo das solares [3–5,7,8], y luego estos efectos se incorporaron en un programa de computadora desarrollado en lenguaje Pascal, cuya pantalla de entrada de datos se ilustra en la Fig. 6. En la Ref. [9] se da una explicaci´ n cuantitativa sobre los moo delos y el m´ todo de soluci´ n de las ecuaciones de transporte e o que permiti´ desarrollar el programa mencionado. o En este programa se dan como datos de entrada la concentraci´ n de boro en la base (Nb ), la concentraci´ n superfio o cial de f´ sforo (Ns ), la profundidad de uni´ n (xj ), el espesor o o del substrato (W) y las velocidades de recombinaci´ n en las o superficies del emisor (Se ) y de la base (Sb ) respectivamente. Todos estos par´ metros pueden modificarse variando los a procesos tecnol´ gicos de fabricaci´ n. o o Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı ´ ˜´ DISENO OPTIMO Y REALIZACION DE CELDAS SOLARES. . . 435 F IGURA 5. Distribuciones Gaussianas que aproximadamente se obtienen despu´ s de procesos de difusi´ n t´picos en silicio. La cone oı centraci´ n en x = 0 es lo que llamamos la concentraci´ n superfio o cial de f´ sforo en el emisor (Ns ). La profundidad del emisor (xj ) o corresponde al punto donde las concentraciones de f´ sforo y de o boro en la base (Nb ) son iguales. F IGURA 6. Pantalla de entrada de datos del programa de simulaci´ n de celdas solares de silicio que permite el dise˜ o de la estruco n ´ tura y los procesos optimos. En la Fig. 7 se muestran algunos resultados del programa de simulaci´ n, variando uno de los par´ metros y fijano a do los dem´ s. Se puede ver claramente que, en celdas solaa res con superficies pasivadas, hay una concentraci´ n de boro o ´ ´ optima en la base alrededor de 2.5 x 1017 atomos/cm3 que corresponde a una resistividad para obleas de silicio tipo p de aproximadamente 0.1 ohm-cm. Tambi´ n puede verse que pae ra concentraciones superficiales de f´ sforo arriba de 2 x 1019 o ´ atomos/cm3 la eficiencia de conversi´ n se reduce significatio vamente. Sin embargo, disminuir aun m´ s este valor puede a traer como consecuencia un fuerte incremento de la resistividad de hoja en el emisor, la cual determina a la resistencia serie asociada con la celda solar, y por ello consideraremos que ´ ´ un valor optimo est´ entre 1 x 1019 y 3 x 1019 atomos/cm3 . a ´ Este valor optimo tambi´ n depender´ de la profundidad de e a uni´ n elegida, pues la resistividad de hoja esperada es funo ci´ n de este par´ metro. Puede verse que al aumentar la proo a fundidad de uni´ n tiende a reducirse la eficiencia de la celda, o pero hacer una uni´ n muy delgada (menor a 0.3 µm) puede o causar que haya problemas de uniones en cortocircuito, y por eso no es conveniente realizar celdas con emisores poco profundos en un ambiente industrial. Esto puede hacerse a nivel de laboratorio, pero no en celdas que se pretendan realizar en un ambiente de producci´ n. Por eso, la pasivaci´ n superficial o o es muy importante, pues en este caso la dependencia de la eficiencia al aumentar el espesor del emisor es mucho menor respecto a lo que puede tenerse cuando hay una alta velocidad de recombinaci´ n superficial en el emisor de la celda. o Los resultados mostrados justifican la llamada estructura de emisor selectivo. Para hacer eficiente a una celda de silicio debemos tener en el emisor concentraciones superficiales de f´ sforo muy bajas (1 a 3 x 1019 cm−3 ). Estas concentrao ciones de impurezas causar´an resistividades espec´ficas de ı ı contacto muy altas al depositar los dedos met´ licos [3]. Es a decir, debajo de los contactos se requieren concentraciones superficiales de f´ sforo arriba de 1 x 1020 cm−3 , de forma o que esta resistividad de contacto no sea tan alta y no determine el valor de las p´ rdidas por resistencia. Es por ello que e en la porci´ n activa del emisor debemos tener bajas conceno traciones superficiales, mientras que debajo de los contactos debemos lograr altas concentraciones superficiales de f´ sfoo ro. Desafortunadamente esto implica 2 procesos de difusi´ n o y un proceso de enmascaramiento para definir las diferentes regiones sobre el emisor. Con base en todo lo anterior podemos concluir que el dise˜ o de nuestra celda solar quedar´a con los siguientes n ı par´ metros de fabricaci´ n: resistividad de substrato de 0.1 a a o 0.3 ohm-cm tipo p, espesor del sustrato entre 250 y 300 µm; concentraci´ n superficial de f´ sforo activo en el emisor de 2 x o o o 1019 cm−3 , con una profundidad de uni´ n de 0.5 µm; superficie del emisor pasivada, de manera que tengamos velocidad de recombinaci´ n en el emisor menor a 1000 cm/s. Debajo de o los contactos, la concentraci´ n superficial de f´ sforo ser´ de o o a ı 2 x 1020 cm−3 para tener resistividades espec´ficas de contacto, con metales tales como n´quel que se utilizar´ n para ı a los dedos del enrejado colector de la fotocorriente, menores a e a 10−4 ohm-cm2 . El campo el´ ctrico posterior se har´ aleando aluminio al silicio, de forma que se alcancen concentraciones ´ de atomos de aluminio mayores a 1019 cm−3 en la parte posterior. De esta manera, la velocidad de recombinaci´ n efectio va en la parte posterior de la base tambi´ n ser´ menor a 1000 e a cm/s. N´ tese la importancia de contar con un programa de sio mulaci´ n como el que se ha descrito, ya que en caso de que o en condiciones de producci´ n no puedan ocurrir algunos de o los par´ metros deseados, se podr´ calcular lo que podr´amos a a ı esperar al poner valores m´ s realistas. Igualmente, en los moa delos usados (tiempo de vida y movilidad) podemos tomar en consideraci´ n la calidad de las obleas de silicio, ya que noro ´ malmente estas no son crecidas por la t´ cnica de zona flotante e (alta calidad) con el objeto de reducir costos de producci´ n. o ´ Todo esto podr´a implicar una nueva resistividad optima para ı el substrato, diferente a la que hemos obtenido anteriormente. Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı 436 A. MORALES-ACEVEDO F IGURA 7. Eficiencia de conversi´ n de celdas solares de silicio con diferentes valores para los par´ metros de fabricaci´ n, en funci´ n de (A) o a o o Nb , (B) Ns , (C) xj , y (D) Se . Para finalizar esta secci´ n, debe mencionarse que el proo grama descrito predice muy bien las eficiencias reportadas por M. Green [1], cuando se usan los par´ metros de fabricaa ´ ci´ n utilizados por el para hacer celdas solares tipo PERL de o alta eficiencia (Fig. 1). As´, nuestro programa predice alredeı dor de 25 % de eficiencia usando profundidades de uni´ n de o ´ emisor de 0.2 µm, como el utilizo para hacer sus celdas sola´ res de laboratorio sobre substratos optimos. Este valor puede compararse con lo obtenido en la pr´ ctica por Green y su grua po (24.7 %). ˜ 2.2. Diseno del enrejado colector de corriente y de la capa antireflejante. Para tener completo el dise˜ o de una celda solar es necesario n optimizar las dimensiones del enrejado as´ como la capa anı tirreflejante (sencilla o doble). Lo que se busca en este caso es minimizar las p´ rdidas por resistencia serie, as´ como las e ı ´ p´ rdidas opticas asociadas al sombreado por el enrejado y las e ´ debidas al desacople optico del silicio con el aire. Sobre el emisor, es necesario un enrejado que permita colectar la foto-corriente y al mismo tiempo el flujo de la radiaci´ n solar hac´a el silicio, donde ocurrir´ el fen´ meno fotoo ı a o voltaico en s´. Es decir, el contacto de colecci´ n de corriente ı o no puede ser sobre toda la superficie porque entonces no podr´a fluir la radiaci´ n hacia el silicio y no ocurrir´a el efecto ı o ı fotovoltaico, a menos que la capa de metal fuese muy del´ gada. As´, el enrejado causar´ una p´ rdida optica porque, en ı a e donde haya metal, la radiaci´ n incidente se reflejar´ totalo a ´ mente. Por lo tanto, uno desear´a que el area cubierta por el ı ´ enrejado fuese m´nima. Sin embargo, reducir el area de los ı a dedos del enrejado causar´ que la potencia disipada por efecto Joule en la resistencia de contacto asociada se incremente. Por otro lado, la corriente generada por la luz tendr´ que cira cular lateralmente a trav´ s de una secci´ n transversal muy pee o que˜ a, hacia los dedos en el emisor, causando tambi´ n una aln e Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı ´ ˜´ DISENO OPTIMO Y REALIZACION DE CELDAS SOLARES. . . 437 ta resistencia serie y las p´ rdidas correspondientes, por lo que e aumentar la separaci´ n entre dedos del enrejado har´a m´ s o ı a grave este problema aunque ayudar´a a reducir la p´ rdida por ı e sombreado (pues habr´a un menor n´ mero de dedos en una ı u cierta distancia). Es decir, hay que tomar en cuenta que existen compromisos relacionados con las dimensiones (ancho y espesor) de los dedos y su separaci´ n. Incluso, la profundidad o de uni´ n tambi´ n juega un papel importante en relaci´ n a las o e o p´ rdidas por resistencia serie, ya que a menor profundidad de e uni´ n mayor ser´ la resistencia de hoja en el emisor y mayor o a ser´ la p´ rdida resistiva asociada al flujo lateral de corriente a e en la regi´ n difundida. Pero vimos anteriormente que reduo cir la profundidad de uni´ n ayudar´a a aumentar la eficieno ı cia de la celda al aumentarse la fotocorriente generada bajo iluminaci´ n. En otras palabras, hay que optimizar todos los o par´ metros mencionados, con el objeto de que satisfaciendo a estos compromisos se logre el m´nimo de p´ rdidas. ı e Precisamente esto es lo que logramos mediante otro programa de computadora, a partir del cual obtenemos las di´ mensiones optimas de los dedos y su separaci´ n, dados vao rios par´ metros tecnol´ gicos, tales como resistividad de hoja a o en el emisor, resistividad de contacto y resistividad del metal a utilizar para los dedos, la raz´ n de aspecto (relaci´ n de o o ancho a espesor) de los dedos, as´ como la dimensi´ n de la ı o ´ celda (entre mayor sea el area, mayores ser´ n las p´ rdidas a e por resistencia serie). Igualmente es necesario establecer la corriente y el voltaje de operaci´ n (en el punto de m´ xima o a potencia) de la celda. En lo que sigue asumiremos celdas so´ lares cuadradas de lado Lc = 2 cm, es decir area de 4 cm2 , y un enrejado con dedos rectangulares. El programa desarrollado por el autor, que se describe en la referencia [2], se basa en establecer las ecuaciones para las p´ rdidas asociadas al flujo lateral de corriente hacia los dee dos, a la resistencia de contacto entre el silicio y los dedos met´ licos, al flujo de corriente en los dedos y al sombreado a de la luz por los dedos mismos, en funci´ n de los par´ metros o a tecnol´ gicos antes mencionados. Se obtiene as´ una expreo ı si´ n para la p´ rdida total en funci´ n de 2 variables (ancho o e o de los dedos y separaci´ n entre ellos), a partir de la cual, al o derivar parcialmente e igualar a cero para obtener el m´niı mo, se obtiene una ecuaci´ n no lineal que puede resolverse o num´ ricamente (usando el m´ todo de Newton-Raphson). Por e e limitaciones de espacio, los detalles pueden verse en [2] y en las referencias all´ citadas. ı De esta manera, como ejemplo, podemos tener los siguientes par´ metros t´picos de una celda solar de alta eficiena ı cia, como la dise˜ ada previamente: n Jm = 0.035 A/cm2 ρhe = 300 ohm-cm ρc = 1 × 10−4 ohm-cm2 V m = 0 .6 V ρm = 1 × 10−5 ohm-cm N = 20, ancho a espesor) de los dedos determinada por la tecnolog´a ı ´ a usar para su obtenci´ n. En este caso, los valores optimos o para las dimensiones de los dedos y su separaci´ n son: o Ancho = 39µm, Espesor = 2µm, Separaci´ n = 875µm, o con lo cual se tiene dise˜ ada tanto la estructura de la celda n como las dimensiones del enrejado colector de corriente. Estas dimensiones son realizables en ambientes industriales con tecnolog´as apropiadas. ı Nos resta dise˜ ar la capa antirreflejante, la cual puede ser n simple, o mejor a´ n una doble capa. Para ello, tambi´ n reu e currimos a desarrollar un programa de computadora general ´ que es util para calcular la reflectancia en el caso de N capas sobre un sustrato de silicio. Para cada capa se asume transmitancia de 100 % y un ´ndice de refracci´ n constante en el ı o rango de longitudes de onda del espectro solar, pero se toman en cuenta las reflexiones m´ ltiples asociadas al desacou ´ ple optico entre capas para las diferentes longitudes de onda. A partir de los datos de ´ndice de refracci´ n y el espesor de ı o N-1 capas, se calcula la reflectancia, y se promedia tomando en cuenta la distribuci´ n fot´ nica sobre todo el espectro o o solar (AM 1.5), en funci´ n del espesor de la capa restante. o De esta manera, se puede desplegar en pantalla c´ mo var´a o ı la reflectancia promedio en funci´ n del espesor de la capa en o cuesti´ n y r´ pidamente se determina qu´ espesor es el que o a e nos dar´ la m´nima reflectancia promedio. Se puede obtener a ı ´ as´ el espesor optimo para todas las capas. Por supuesto, m´ s ı a de 2 capas ser´an demasiadas debido al mayor costo que estas ı implicar´an. ı Por ejemplo, en el caso de una sola capa sobre silicio ya es conocido que el material apropiado es aquel que tenga un ´ndice de refracci´ n de n = 1.9 cuando la celda est´ bajo aire ı o e ´ y de n = 2.4 cuando est´ bajo vidrio. Los espesores optimos e respectivos, tomando en cuenta todo el espectro solar, son aproximadamente de 84 a 87 nm y de 67 a 69 nm, respectivamente. Dos materiales con los ´ndices apropiados ser´an ı ı ´ nitruro de silicio (n = 1.9) y oxido de titanio (n = 2.4). Sobre las capas simples anteriores podr´amos colocar una ı ´ segunda capa, por ejemplo de oxido de silicio (SiO2 ), cuyo ´ndice de refracci´ n es de 1.45. Los espesores optimos de ni´ ı o ´ truro de silicio y de oxido de titanio cambian en este caso. As´, suponiendo celdas solares operando bajo aire, los espeı ´ ´ sores optimos para la doble capa de nitruro de silicio - oxido de silicio ser´an de 69 a 72 nm de nitruro de silicio y de 57 ı ´ a 59 nm de oxido de silicio. En el caso de una doble capa ´ ´ ´ de oxido de titanio - oxido de silicio, los espesores optimos ´ ser´an de 63 a 65 nm de oxido de titanio y aproximadamente ı ´ 99 a 102 nm de oxido de silicio [20]. As´, finalmente el dise˜ o de las celdas solares esta comı n pleto y ahora podemos pasar a explicar el trabajo experimental realizado tratando de lograr procesos de bajo costo que en donde Jm es la densidad de corriente esperada en el punto de m´ xima potencia, Vm es el voltaje en el punto de m´ xia a ma potencia, ρhe es la resistividad de hoja en el emisor, ρm es la resistividad del metal de los dedos, ρc es la resistividad espec´fica de contacto y N es la raz´ n de aspecto (relaci´ n de ı o o Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı 438 A. MORALES-ACEVEDO permitan obtener celdas solares de alta eficiencia, como hemos dise˜ ado con las herramientas computacionales descrin tas anteriormente. 3. Realizaci´ n experimental de las celdas solao res de silicio T´picamente las obleas de silicio disponibles en la industria ı son fabricadas por la t´ cnica Czochralski, de manera que los e tiempos de vida y movilidad de los electrones y huecos son mucho menores que los que se tienen en obleas de alta calidad (crecidas por la t´ cnica de zonaflotante). Igualmente, e el rango de resistividades de menor costo depende de la demanda y por ello ser´ n mas baratas las obleas de 2-5 ohm-cm a que las de 0.1-0.3 ohm-cm como desear´amos. Por ello, el diı se˜ o optimo tendr´ que cambiarse tomando en cuenta estos n´ a aspectos. Es aqu´ donde se vuelve importante contar con los ı programas de dise˜ o mencionados anteriormente, pues los n ´ par´ metros optimos cambiar´ n en funci´ n de las caracter´stia a o ı cas de las obleas y de las restricciones impuestas por las condiciones industriales de fabricaci´ n o la tecnolog´a utilizada o ı para fabricar las celdas solares. Independientemente de lo anterior, es importante lograr lo siguiente: Emisor con baja concentraci´ n superficial de o f´ sforo (1-3 x 1019 cm−3 ), baja velocidad de recombinao ci´ n superficial en el emisor (100 cm/s o menos) y un campo o el´ ctrico posterior efectivo (sin efectos degradantes debidos e a las altas concentraciones de aluminio). Igualmente, debe reducirse al m´nimo la reflectancia mediante una capa antireı flejante simple o doble. En lo que sigue mostraremos los estudios que hemos realizado en este sentido, sin pretender todav´a la mayor eficienı cia, tomando en cuenta que el ambiente de nuestros laboratorios son equivalentes a los que habr´a en una planta industrial. ı Mostraremos que algunos procesos, como la aleaci´ n de aluo minio podr´an aprovecharse para recuperar la calidad de las ı obleas al extraer impurezas met´ licas del volumen activo de a la celda hacia una regi´ n de la misma en que son inactivas o (superficie posterior). A este tipo de procesos se les llama gettering de impurezas met´ licas. Igualmente, al depositar una a ´ doble capa antirreflejante (´ xido de titanio - oxido de silicio) o usamos una tecnolog´a simple que no requiere de sistemas ı de vac´o u hornos de alta temperatura, como describiremos ı m´ s adelante. Todos estos procesos los pretendemos integrar a completamente en el futuro cercano, redise˜ ando y tomando n en cuenta condiciones reales de fabricaci´ n, para as´ obtener o ı celdas solares de silicio con emisor selectivo de nivel industrial. 3.1. Pasivaci´ n del emisor de celdas solares mediante cao pas de nitruro de silicio obtenidas por medio de un plasma (PECVD) de SiH4 -NH3 a baja temperatura. La pasivaci´ n del emisor, es decir, la reducci´ n de la veloo o cidad de recombinaci´ n superficial en el emisor es de vital o importancia. Por un lado, ayuda a incrementar la eficiencia de conversi´ n, y por otro permite aumentar la profundidad o de uni´ n a valores que mejoren la eficiencia de producci´ n o o (yield) en un ambiente industrial, ya que no se degradar´ tan a r´ pidamente la eficiencia de conversi´ n misma. Esto puede a o lograrse depositando una capa de alta calidad diel´ ctrica en e la superficie del emisor de silicio. Usualmente se ha utilizado ´ oxido de silicio crecido en ox´geno seco a altas temperatuı ras. Sin embargo, las altas temperaturas pueden causar degradaci´ n de la oblea de silicio tanto por esfuerzo t´ rmicos o e como por la posible difusi´ n r´ pida de impurezas met´ licas oa a en el ambiente. Por ello, lograr la pasivaci´ n superficial a bao jas temperaturas es importante. Es esto lo que se propuso al depositar capas de nitruro de silicio (SiN:H) en fase vapor ayudado por plasma (PECVD) a partir de la mezcla de SiH4 NH3 [15,16,18]. El dep´ sito de la capa de SiN:H se hizo en un sistema o convencional de PECVD (placas paralelas a una frecuencia de 13.56 MHz) a una temperatura de 250 ◦ C en el substrato, tanto sobre obleas de silicio como sobre estructura de celdas solares n+ – p – p+, como las discutidas anteriormente. Adem´ s, tambi´ n fue necesario preparar estructuras MIS a e (metal aislante semiconductor) para determinar la densidad de estados a la mitad de la banda prohibida en la superficie del silicio [15,18]. El estudio se complement´ con medicioo nes de recombinaci´ n superficial mediante la t´ cnica de foo e toac´ stica como se describe en la Ref. [16]. El par´ metro que u a se vari´ fue la relaci´ n R de presiones parciales de SiH4 /NH3 . o o Algunos de los resultados pueden verse en la Fig. 8. Puede verse ah´ la concentraci´ n de enlaces Si-H y Nı o H (haciendo mediciones con un espectrofot´ metro FT-IR), y o c´ mo se correlaciona con el ´ndice de refracci´ n de la cao ı o pa (medido con un elips´ metro a una sola longitud de ono da), el ancho de la banda prohibida (determinado a partir de mediciones de reflectancia y transmitancia con un espectrofot´ metro en el rango visible) y con la densidad de estados o a la mitad de la banda prohibida (medido por capacitanciavoltaje a alta frecuencia), todo en funci´ n de la relaci´ n de o o presiones parciales de SiH4 /NH3 . A partir de los espectros de reflectancia y transmitancia se obtuvo la reflectancia promedio (Rav ) y la transmitancia promedio Tav en todo el espectro solar AM 1.5, de forma que pudimos definir una figura de m´ rito F como e F (R ) = Tav (R)[1 − Rav (R)] , NSS (R) (1) en donde Nss es la densidad de estados a la mitad de la banda prohibida en la superficie del silicio. La figura de m´ rito e F(R) se muestra en la Fig. 9. As´ pudimos establecer las conı ´ diciones optimas de dep´ sito para el valor de R en el cual se o obtiene el m´ ximo para la figura de m´ rito F. Esto ocurre para a e la raz´ n R = 0.32, aproximadamente. o Para confirmar este resultado tambi´ n se realizaron celdas e solares con capas de SiN:H depositadas con diversos valores de R, y se midi´ la eficiencia cu´ ntica interna (IQE) de las o a celdas solares (usando un monocromador) como se muestra en la Fig. 10. En esta figura puede verse que para R = 1 se Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı ´ ˜´ DISENO OPTIMO Y REALIZACION DE CELDAS SOLARES. . . 439 F IGURA 8. Diversas propiedades de las capas de SiN:H obtenidas por PECVD en funci´ n de la relaci´ n de presiones parciales de SiH4 /NH3 . o o (A) Concentraci´ n de enlaces Si-H y N-H; (B) ´ o Indice de refracci´ n: (C) Ancho de banda prohibida y (D) densidad de estados a la mitad de o banda prohibida en la superficie del silicio. F IGURA 10. Respuesta espectral relativa de las celdas solares con capa de SiN en funci´ n de R. o F IGURA 9. Figura de m´ rito de las capas de SiN en funci´ n de R. e o tiene la menor respuesta en el rango de longitud de onda corta, seguido del valor R = 6/65. Para los valores intermedios de R (15/65 y 25/65) se obtiene la mayor eficiencia cu´ ntica a en este rango de longitud de onda, lo cual indica claramente una menor velocidad de recombinaci´ n superficial en el emio Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı 440 A. MORALES-ACEVEDO ´ sor que en los casos anteriores. Es decir, el optimo de R esta entre 15/65 y 25/65, de forma que R = 0.32 es posiblemente ´ el optimo, como hab´amos obtenido a partir de la definici´ n ı o de la figura de m´ rito mostrada en la Fig. 9. e N´ tese que la tecnolog´a de dep´ sito en fase vapor ayuo ı o dado por plasma es ampliamente utilizada en la industria y permite obtener dichas capas a 250◦ C, como se pretende pa´ ra evitar los esfuerzos t´ rmicos y la difusi´ n de atomos de e o metales, por lo que es una tecnolog´a adecuada para lograr ı emisores pasivados a bajas temperaturas y compatible con otros procesos industriales para fabricar celdas solares de silicio. 3.2. Formaci´ n del campo el´ ctrico posterior y getteo e ring de impurezas met´ licas por medio del recocia do apropiado de aluminio en la regi´ n p+ de celdas o solares de silicio. La evaporaci´ n de aluminio y su aleaci´ n al silicio a o o temperaturas mayores que la temperatura eut´ ctica del Ale Si (570◦ C) es un proceso muy importante, porque causa la formaci´ n de una regi´ n p+ en la parte posterior de la celda, o o con lo cual se resuelve el problema para formar un buen con´ tacto ohmico (por ejemplo, con n´quel), y al mismo tiempo se ı genera un campo el´ ctrico que refleja a los portadores minoe ritarios hacia la uni´ n. Es decir, la velocidad de recombinao ci´ n efectiva en la superficie posterior es mucho menor que o si no hubiese la regi´ n p+ mencionada. Por eso, este proceso o es muy importante, y normalmente se realiza a temperaturas alrededor de 600◦ C. La regi´ n donde hay alta concentraci´ n de aluminio o o ´ est´ muy esforzada debido a que los atomos de aluminio pera turban fuertemente a la red cristalina de silicio. Esto puede ayudar a que sea una regi´ n de sumidero para otras impureo zas met´ licas, por lo que se aprovecha esta caracter´stica paa ı ra atraer impurezas indeseables desde el volumen de la celda hacia la regi´ n superficial, donde aquellas se vuelven inactio vas el´ ctricamente. A este fen´ meno se le llama gettering de e o ´ impurezas met´ licas. Con la hip´ tesis de que los atomos de a o impurezas met´ licas tienen que transportarse desde la regi´ n a o de la uni´ n hasta la superficie posterior, se decidi´ intentar o o el proceso de recocido del aluminio a mayores temperaturas (800◦ C) que las tradicionales, como veremos a continuaci´ n. o Para probar lo anterior [17,19] se fabricaron 3 grupos de celdas solares con emisor pasivado (con capa pasivante de SiN como se describi´ en la Sec. 3.1). A las celdas del grupo o llamado 07N no se les evapor´ aluminio, y no requiri´ ning´ n o o u tratamiento t´ rmico. Este grupo fue el de referencia. A aquee llas del grupo 05N se les evapor´ 1 µm de aluminio, y luego o se recocieron a 600◦ C durante 10 minutos en gas forming (H2 /N2 ). A las celdas del grupo 03N se les evapor´ 1 µm o de espesor de aluminio y luego se recocieron a 800◦ C durante 40 minutos en gas forming. A todas las obleas se les midi´ la curva corriente-voltaje bajo iluminaci´ n (mediante o o un sistema de adquisici´ n de datos desarrollado en nuestro o laboratorio, conjuntamente con un programa para extraer los par´ metros, descritos en [6, 11]). Los resultados se dan en la a Tabla I. Adem´ s, usando un monocromador, a las celdas solares a se les midi´ la respuesta espectral relativa como se ilustra en o la Fig. 11. Posteriormente, se ampli´ el estudio para detero minar el efecto del tiempo de tratamiento y se vari´ desde 0 o hasta 120 minutos, obteniendo los resultados que se muestran en la Fig. 12 para el incremento de densidad de corriente de corto circuito e incremento del voltaje de circuito abierto en funci´ n del tiempo de tratamiento. o El conjunto de resultados de la Tabla I, y las Figs. 11 y 12 son bastante significativos, pues ilustran claramente el beneficio del tratamiento t´ rmico a 800◦ C despu´ s de haber evae e TABLA I. Resultados obtenidos para los diferentes grupos de celdas solares fabricadas. Celdas 03N 05N 07N Jsc (mA/cm2 ) 29.65 25.67 23.70 Voc (mV) 620 600 578 F. F. ( % ) 69.3 68.7 62.0 η ( %) 12.7 10.5 8.5 F IGURA 11. Respuesta espectral relativa de las celdas solares para los diversos grupos fabricados. F IGURA 12. Incrementos relativos de Jsc y Voc en funci´ n del reo cocido a 800 ◦ C en gas forming. Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı ´ ˜´ DISENO OPTIMO Y REALIZACION DE CELDAS SOLARES. . . 441 porado el aluminio. La eficiencia se incrementa desde 8.5 % hasta 12.7 % al comparar celdas solares sin y con 40 minutos de tratamiento en gas forming a 800◦ C. Es decir, una ganancia de casi 50 % en eficiencia de conversi´ n. En la Fig. 11 o puede verse que esto se debe en parte al incremento de la longitud de difusi´ n de los portadores minoritarios en la bao se de las celdas solares, ya que la respuesta espectral en el rango de longitudes de onda largas se mejora para las celdas tratadas a 800◦ C. Algo muy interesante es que al variar el tiempo de tratamiento, la densidad de corriente se incrementa hasta saturarse para tiempos mayores a una hora, mientras que el voltaje de circuito abierto podr´a seguir creciendo para tiempos mayoı res que 2 horas. Sin embargo, consideramos que un tiempo de recocido mayor ser´a impr´ ctico en condiciones industriaı a les y por ello no se exploraron tiempos de recocido mayores. De esta manera, hemos mostrado que hacer el recocido del aluminio evaporado para la regi´ n p+ de las celdas solares es o ben´ fico y causa incrementos apreciables de la eficiencia de e conversi´ n. o 3.3. Dep´ sito de capas antireflejantes dobles TiOx /SiOx o mediante spin-on de soluciones polimerizadas Para finalizar el conjunto de procesos a realizar para fabricar celdas solares de silicio industriales, se hizo un estudio para depositar una doble capa antirreflejante sobre silicio cristalino, usando una t´ cnica de bajo costo que no ree ´ quiri´ de sistemas de vac´o. Se decidi´ utilizar oxido de o ı o ´ titanio / oxido de silicio como la doble capa. Inicialmente se prepararon soluciones polim´ ricas (sol-gel) de (C4 H9 O)4 Ti e y TetraEtilOrtoSilicato (TEOS), respectivamente. Estas capas se depositaron por spin-on, es decir, depositando la soluci´ n polimerizada sobre la superficie del silicio y girando por o un tiempo controlado a cierta velocidad. Los detalles pueden ´ verse en la Ref. [20]. El ´ndice de refracci´ n del oxido de tiı o ´ tanio fue de 2.2, mientras que el del oxido de silicio fue de 1.43, por lo que mediante el programa descrito anteriormente ´ se determin´ que los espesores optimos en este caso eran de o ´ ´ cerca de 65 nm para oxido de titanio y de 100 nm para oxido de silicio. Para comprobar esto se decidi´ crecer 2 espesores o ´ de oxido de titanio (64.7 nm y 74 nm) y sobre estas capas se ´ vari´ el espesor del oxido de silicio. Los resultados para el o espectro de reflectancia pueden verse en la Fig. 13. N´ tese o que en este caso no se fabricaron celdas solares sino s´ lo se o depositaron las capas sobre obleas de silicio. Los valores de reflectancia espectral se promediaron tomando en cuenta el espectro solar AM 1.5 y se determin´ lo o que llamamos la reflectancia remanente promedio 1-R . El resultado fue que se obtuvo una mayor reflectancia remanen´ te promedio en el caso en que el oxido de titanio ten´a un ı ´ espesor de 64.7 nm y el oxido de silicio de 108.4 nm, com´ parado con el caso en que el oxido de titanio ten´a 74 nm y ı ´ el oxido de silicio era de 96.3 nm, los cuales correspond´an a ı los m´ ximos de 1-R en cada caso. La reflectancia remanena te para el primer conjunto de espesores fue mayor a 96 %, es decir, una p´ rdida por reflectancia, en el rango de longitudes e de onda del espectro solar, de menos de 4 % [20]. Mejorando el control de los espesores y el ´ndice de reı ´ fracci´ n de la capa de oxido de titanio podr´ n obtenerse aun o a mejores resultados, con una p´ rdida menor a 3 %, de acuerdo e ˜ a los c´ lculos realizados por medio del programa de diseno a de la capa antirreflejante. Lo importante es que estos resultados se han obtenido depositando ambas capas mediante una tecnolog´a de preparaci´ n simple y sin requerir alg´ n equipo ı o u de vac´o. ı Para finalizar, y como ejemplo, en la Fig. 14 se muestra la fotograf´a de una celda solar fabricada, con tecnolog´a de ı ı bajo costo, en los laboratorios de lo que fue la planta piloto de celdas solares del CINVESTAV-IPN. La coloraci´ n azul o oscuro que presenta la celda solar bajo luz solar se debe a la capa antirreflejante en la superficie de la fotocelda. ´ F IGURA 13. Espectro de Reflectancia para las bi-capas antireflejantes fabricadas en este trabajo como una funcion del espesor de SiO2 . (A) 64.7 nm de TiO2 , y (B) 74 nm de TiO2 . Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı 442 A. MORALES-ACEVEDO degeneraci´ n de Fermi sobre la eficiencia de este tipo de celo das solares [3–5,7, 8,10,12,13]; se han generado herramientas de medici´ n y extracci´ n de los par´ metros de una celda o o a solar bajo iluminaci´ n [6,11]; se han desarrollado los prograo mas de computadora para dise˜ ar los dispositivos [2,9,20]; n se han realizado y caracterizado las celdas solares con emisor pasivado mediante una capa de SiN obtenida por PECVD a baja temperatura [15,16,18]; se han estudiado los efectos de recocido de aluminio aleado en la parte posterior de la celdas sobre la eficiencia de conversi´ n de las celdas solares [17,19] o y se han fabricado capas antirreflejantes dobles depositadas por spin-on [20], obteniendo p´ rdidas por reflectancia menoe res al 4 % en todo el espectro solar. Sin duda, debe continuarse con el trabajo descrito para la fabricaci´ n de celdas solares de silicio de alta eficiencia. o Entre los desarrollos, a corto plazo, se contempla la realizaci´ n de emisores selectivos con un solo paso de difusi´ n de o o f´ sforo, para lo cual ya estamos simulando los procesos que o permitir´ n lograrlo, de forma que se reduzcan los costos de a producci´ n industrial. o F IGURA 14. Fotograf´a de celda solar de silicio t´pica fabricada en ı ı el CINVESTAV-IPN. Agradecimientos El autor agradece la colaboraci´ n de varios estudiantes y o auxiliares de investigaci´ n que participaron directamente en o el desarrollo de este trabajo y que han sido coautores de varias de las publicaciones referidas, as´ como de todo el personal ı de la Secci´ n de Electr´ nica del Estado S´ lido del Deparo o o tamento de Ingenier´a El´ ctrica del CINVESTAV del IPN. ı e Igualmente, se agradece el financiamiento parcial por parte del CONACyT y de COSNET-SEP, en diversas etapas del proyecto. 4. Conclusi´ n o Se ha mostrado un trabajo completo que integra el dise˜ o de n celdas solares de silicio cristalino (con emisores pasivados), con diversos procesos tecnol´ gicos para su fabricaci´ n en un o o ambiente industrial. Se ha mostrado que para lograr esto se requiere de gran conocimiento de la f´sica y tecnolog´a de los ı ı semiconductores, as´ como de las celdas solares mismas. ı Se ha trabajado as´ en la teor´a de efectos tales como la ı ı recombinaci´ n Auger, la reducci´ n de banda prohibida y la o o 1. J. Zhao J, A. Wang, M. Green y F. Ferrazza, Appl. Phys. Lett. 73 (1998) 1991. 2. A. Morales-Acevedo, Solar Cells 14 (1985) 43. 3. A. Morales-Acevedo, J. Appl. Phys. 60 (1986) 815. 4. A. Morales-Acevedo, Solar Cells 22 (1987) 319. 5. A. Morales-Acevedo, J. Appl. Phys. 65 (1989) 2121. 6. A. Morales-Acevedo, Computers in Physics 3 (1989) 46. 7. A. Morales-Acevedo, Solar Cells 28 (1990)293. 8. A. Morales-Acevedo, J. Appl. Phys. 70 (1991) 3345. 9. A. Morales-Acevedo y H. Arizpe, Computers in Physics 7 (1993) 343. 10. A. Morales-Acevedo, Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 850. 11. G. Casados-Cruz y A. Morales-Acevedo, Computers in Physics 8 (4), 451 (1994). 12. A. Morales-Acevedo, Solid-State Electron 38 (1995) 2081. 13. A. Morales Acevedo, Rev. Mex. F´s. 42 (1996) 449. ı 14. A. Morales-Acevedo y G. Santana, 25th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Washington, D.C. (IEEE New York, 1996), p. 553. 15. G. Santana and A. Morales-Acevedo, 2nd World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, Austria (WIP, European Commission, Munchen, 1998), p. 2422. 16. . I. Riech et al., Semiconductor Science and Technology 14 (1999) 543. 17. A. Morales-Acevedo, G. Santana, A. Martel y L. Hern´ ndez, a Solid-State Electronics 43 (1999) 2075. 18. G. Santana y A. Morales-Acevedo, Solar Energy Materials and Solar Cells 60 (2000) 135. 19. G. Santana y A. Morales-Acevedo, Modern Physics Letters B 15 (2001) 601. 20. A. Morales-Acevedo, E. Luna-Arredondo y G. Santana, 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New Orleans, LA (IEEE, New York, 2002), p. 293. 21. A. Morales Acevedo, LA ELECTRICIDAD QUE VIENE DEL SOL: UNA FUENTE DE ENERGIA LIMPIA, (Grupo Editorial Iberoam´ rica, M´ xico, D. F. 1996). e e Rev. Mex. F´s. 50 (5) (2004) 431–442 ı ...
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This note was uploaded on 05/17/2011 for the course PHYSICS 123 taught by Professor Hayes during the Spring '07 term at Harvard.

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