Células solares industriales de silicio

- Feb 05, 2021-

Fuente: www.intechopen.com/books/solar-cells/industrial-silicon-solar-cells



Por Mehul C. Raval y Sukumar Madugula Reddy


Enviado: 4 de octubre de 2018 Revisado: 29 de enero de 2019 Publicado: 15 de mayo de 2019


DOI: 10.5772 / intechopen.84817



Abstracto


El capítulo presentará tecnologías industriales de fabricación de células solares de silicio con su estado actual. Se discutirán y compararán las estructuras comerciales de células solares de tipo py de alta eficiencia de tipo n para que el lector pueda obtener una ventaja en las células solares industriales. Se presenta una breve descripción general de varios pasos del proceso, desde el texturizado hasta la metalización serigrafiada. Los procesos de texturizado para obleas de silicio monocristalino y multicristalino se han revisado con los últimos procesos. Se ha presentado una descripción general de los procesos térmicos de difusión y deposición del revestimiento antirreflectante. El proceso de serigrafía bien establecido para la metalización de células solares se introduce con el paso de cocción rápida para sinterizar los contactos. Se introducen las pruebas intravenosas de células solares con varios parámetros para la caracterización de células solares. También se analizan los últimos desarrollos en varios procesos y fabricación de equipos junto con las tendencias futuras esperadas.


Palabras clave


  • silicio

  • células solares

  • fabricación

  • multicristalino

  • monocristalino

  • texturizado


Información del capítulo y del autor


1. Introducción


La energía fotovoltaica es una importante fuente de energía renovable que ha crecido rápidamente de 8 GW en 2007 a 400 GW en 2017 [1]. Junto con la creciente demanda, el coste del sistema fotovoltaico también se ha reducido significativamente de 35,7 $ / Wpin 1980 a 0,34 $ / Wpin 2017, acelerando su adopción [2]. El silicio (Si), que es un material importante de la industria de la microelectrónica, también ha sido el material a granel de las células solares ampliamente utilizado desde la década de 1950 con una cuota de mercado de>: 90% [2]. El capítulo presentará los pasos típicos para la fabricación de células solares de silicio comerciales. En las secciones 2 y 3 se presentará una breve historia de las células solares y una descripción general del tipo de sustratos de silicio junto con las diferentes arquitecturas de las células solares. Posteriormente, en las secciones se describirán los pasos de química húmeda y alta temperatura utilizados en la fabricación 4 y 5. La Sección 6 discutirá sobre el proceso de metalización junto con los parámetros de caracterización típicos de las células solares comerciales. Finalmente, la hoja de ruta futura y las tendencias esperadas se discutirán en la sección final.


2. Evolución de las células solares


El 'efecto fotovoltaico' significa literalmente la generación de un voltaje al exponerse a la luz. El fenómeno fue observado por primera vez por el físico francés Edmund Becquerel en una celda electroquímica en 1839, mientras que los científicos británicos WGAdams y REDay lo observaron en un dispositivo de estado sólido hecho de selenio en 1876 [3]. Desde la década de 1950 en adelante, hubo un rápido progreso en el rendimiento de las células solares comerciales de< 1%="" a=""> 23% [2] y el silicio ha sido el "caballo de batalla" de la industria fotovoltaica desde entonces. La evolución de las células solares de silicio se muestra en la Figura 1.


Figura 1: Evolución de las células solares de silicio. (a) 1941: celda solar reportada con unión crecida, (b) 1954: unión pn de celda solar formada con difusión de dopante, (c) 1970: celda violeta con campo de superficie posterior de aluminio, (d) 1974: celda negra con superficie de textura química [3].


Las primeras células solares de silicio demostradas por Russell Ohl de Bell Laboratories durante la década de 1940 se basaron en uniones naturales formadas a partir de la segregación de impurezas durante el proceso de recristalización [3]. Las células tenían una eficiencia de< 1%="" debido="" a="" la="" falta="" de="" control="" sobre="" la="" ubicación="" de="" la="" unión="" y="" la="" calidad="" del="" material="" de="" silicio.="" la="" nomenclatura="" para="" nombrar="" las="" regiones="" (tipo="" p:="" lado="" que="" es="" iluminación="" y="" tipo="" n:="" otro="" lado)="" dada="" por="" ohl="" se="" utiliza="" desde="" entonces="" para="" las="" convenciones="" de="" denominación="" de="" células="">


Durante la década de 1950, se produjo un rápido desarrollo en el proceso de difusión a alta temperatura de dopantes en silicio. Person, Fuller y Chaplin de Bell Laboratories demostraron una celda solar de 4.5% de eficiencia con dopaje a base de litio, que mejoró a 6% con difusión de boro. La célula solar tenía una estructura 'envolvente' (Figura 1 (b)) con ambos contactos en la parte posterior para evitar pérdidas por sombreado, pero condujo a pérdidas resistivas más altas debido a la estructura envolvente. Para 1960, la estructura celular evolucionó a como se muestra enFigura 1 (c). Dado que la aplicación fue para exploraciones espaciales, se utilizó un sustrato de alta resistividad de 10Ω cm para tener la máxima resistencia a la radiación. Se utilizaron contactos evaporados al vacío en ambos lados, mientras que se utilizó un revestimiento de monóxido de silicio como revestimiento antirreflectante (ARC) en el lado frontal (FS) [3].

A principios de la década de 1970, se descubrió que el aluminio sinterizado en la parte posterior mejoraba el rendimiento de la celda al formar una interfaz muy dopada conocida como 'campo de superficie posterior (Al-BSF)' y la eliminación de las impurezas [3]. El Al-BSF reduce la recombinación de los portadores en la parte posterior y, por lo tanto, mejora el voltaje y la respuesta espectral de longitud de onda larga. La implementación de dedos más finos y estrechamente espaciados redujo el requisito de dopaje de la unión y eliminó la capa muerta. Un ARCO de dióxido de titanio (TiOx) y su grosor se seleccionó para reducir la reflexión para longitudes de onda más cortas y dio una apariencia violeta a las células solares. Se realizó una mejora adicional texturizando las obleas usando grabado anisotrópico de las obleas (100) para exponer las superficies (111). La textura condujo a una mejor captura de luz y dio a las células una apariencia de terciopelo oscuro. La arquitectura celular mejorada se muestra enFigura 1 (d). En 1976, Rittner y Arndt demostraron células solares terrestres con eficiencias cercanas al 17% [3].

La célula solar de emisor pasivado (PESC) alcanzó un hito del 20% de eficiencia en 1984-1986. El área de contacto metal / silicio fue de solo 0.3% en las células PESC, mientras que un ARC de doble capa de ZnS / MgF2se utilizó en ambas estructuras celulares. En 1994, se demostró una celda de difusión local posterior con emisor pasivado (PERL) con una eficiencia del 24% [3]. En comparación con la celda PESC, la celda PERL tenía pirámides invertidas en FS para una mejor captura de luz y pasivación basada en óxido en ambos lados. La capa de pasivación de óxido en la parte posterior también mejoró la reflectancia interna de la longitud de onda larga y, por lo tanto, la respuesta del espectro.

Además de las arquitecturas de células solares en evolución, también ha habido un desarrollo continuo en el dominio de la fabricación en términos de mayor rendimiento, pasos de proceso mejorados y costos reducidos. En la siguiente sección se ofrece una breve descripción general de la fabricación de sustratos de Si y varios tipos de células solares.


3. Tecnologías comerciales de células solares de silicio


El Si es el segundo material más abundante en la tierra después del oxígeno y se ha utilizado ampliamente en la industria de los semiconductores. El silicio de grado metalúrgico (Mg-Si) de 98% de pureza se obtiene calentando cuarzo (SiO2) con carbono a altas temperaturas de 1.500-2.000 [4]. El Mg-Si se purifica aún más para obtener trozos de silicio de grado solar con una pureza del 99,99%. Los trozos de Si de grado solar refinado se procesan posteriormente para obtener formas monocristalinas y multicristalinas de lingotes de Si, que son una gran masa de silicio. En el Si monocristalino, los átomos están dispuestos en la misma orientación cristalina en todo el material. Para las células solares, se prefiere la orientación (100), ya que se puede texturizar fácilmente para reducir la reflexión de la superficie [5]. El Si multicristalino, como sugiere el nombre, tiene varios granos de material de Si con diferentes orientaciones, a diferencia de los sustratos monocristalinos. El material monocristalino tiene una mayor vida útil del portador minoritario en comparación con el Si multicristalino y, por lo tanto, una mayor eficiencia de las células solares para una tecnología de células solares determinada.


El método de Czochralski (Cz) para fabricar lingotes de Si monocristalinos se ilustra en la Figura 2 (a). El silicio fundido de alta pureza con dopante se mantiene por encima del punto de fusión y luego se extrae un cristal semilla a una velocidad muy lenta para obtener un lingote de hasta 300 mm de diámetro y 2 m de longitud [6]. El silicio fundido se puede dopar con dopantes de tipo p o de tipo n para obtener el tipo específico de lingote de Si monocristalino de hasta 200 kg [2]. Las obleas aserradas de los lingotes tienen bordes circulares y, por lo tanto, la forma se llama 'cuadrado psuedo'. Los lingotes de silicio multicristalino se fabrican fundiendo Si de alta pureza y cristalizándolos en un gran crisol mediante un proceso de solidificación direccional [7], como se muestra en la Figura 2 (b). El proceso no tiene una orientación de cristal de referencia como el proceso Cz y, por lo tanto, forma material de silicio de diferentes orientaciones. Actualmente, los lingotes de Si multicristalino pesan> 800 kg [2] que luego se cortan en ladrillos y las obleas se cortan aún más.


El tamaño actual de las obleas monocristalinas y multicristalinas para la fabricación de células solares es de 6 pulgadas x 6 pulgadas. El área de las obleas monocristalinas será un poco menor debido a la forma pseudo-cuadrada. El material base más utilizado para fabricar células solares son los sustratos de Si tipo p dopados con boro. Los sustratos de Si de tipo N también se utilizan para fabricar células solares de alta eficiencia, pero tienen desafíos técnicos adicionales como obtener un dopado uniforme a lo largo del lingote en comparación con los sustratos de tipo p.


Figura 2: Ilustración de (a) proceso Cz para lingotes monocristalinos y (b) proceso de solidificación direccional para lingotes multicristalinos.


En la Figura 3 se muestra una clasificación amplia de diferentes tipos de células solares junto con rangos de eficiencia. La tecnología estándar de campo de superficie posterior de aluminio (Al-BSF) es una de las tecnologías de células solares más comunes dado su proceso de fabricación relativamente simple. Se basa en la deposición completa de Al en el lado posterior (RS) mediante el proceso de serigrafía y la formación de p + BSF, que ayuda a repeler los electrones del lado posterior del sustrato de tipo py mejorar el rendimiento de la celda. El flujo de fabricación de las células solares de Al-BSF se muestra en la Figura 4. El diseño estándar de las células solares comerciales es con FS de patrón de rejilla y contactos RS de área completa.


Figura 3. Amplia clasificación de diferentes tipos de células solares.


Figura 4: Flujo de fabricación de células solares de Al-BSF.


La celda solar de contacto posterior del emisor pasivado (PERC) mejora la arquitectura Al-BSF mediante la adición de una capa de pasivación en la parte posterior para mejorar la pasivación y la reflexión interna en la parte posterior. El óxido de aluminio es un material adecuado para la pasivación de RS con eficiencias medias de células solares cercanas al 21% obtenidas en producción [8]. Una línea de células solares Al-BSF existente se puede actualizar al proceso PERC mediante dos herramientas adicionales (deposición de la capa de pasivación RS y láser para la apertura de contactos localizados en el RS).


Las tres arquitecturas de celdas restantes son principalmente tecnologías de mayor eficiencia basadas en sustratos de Si de tipo n. La célula solar de heterounión a-Si tiene capas de a-Si en el FS y RS del sustrato de Si tipo n para formar 'heterouniones' a diferencia de la unión pn convencional basada en difusión de alta temperatura. Esta tecnología permite el procesamiento a temperaturas más bajas, pero es muy sensible a la calidad de las interfaces de la superficie. La célula solar de heterounión basada en a-Si fue fabricada comercialmente por Sanyo Electric, que ahora es absorbida por Panasonic [9]. En el diseño de celda solar de contacto posterior interdigitado (IBC), ambos contactos están presentes en la parte posterior eliminando las pérdidas de sombreado de contacto FS. Normalmente, para las células solares IBC, la unión también se ubicará en la parte posterior. Uno de los primeros fabricantes de células solares IBC tipo n de alta eficiencia es SunPower Corporation [10]. Las células bifaciales, como su nombre indica, pueden capturar la luz de ambos lados de las células solares. Esto implica que la parte trasera también tiene contactos en forma de cuadrícula para permitir la recolección de luz. Un ejemplo de la tecnología bifacial es la celda solar BiSON desarrollada y comercializada por ISC, Konstanz [11]. Cabe señalar que la clasificación indicada no es una lista exhaustiva de varios otros tipos de arquitecturas de células solares que se encuentran en fase R& D, cerca de la comercialización o que ya se están fabricando. Las secciones siguientes ofrecerán una descripción general de los pasos del proceso para la fabricación de células solares de Al-BSF.


4. Procesos de química húmeda para la fabricación de células solares


El tratamiento basado en química húmeda es un paso importante en el procesamiento de células solares para la eliminación de daños por sierra (SDR) para las obleas cortadas, texturizado de la superficie para aumentar la absorción de la radiación solar entrante y aislamiento de bordes después del proceso de difusión. Como se discutió en la sección anterior, existen principalmente obleas de silicio monocristalinas y multicristalinas utilizadas para la fabricación de células solares. El procesamiento basado en química húmeda para los respectivos tipos de obleas se discutirá a continuación.

4.1 Texturizado de obleas de silicio monocristalino

Como se indicó en la Sección 2, el desarrollo de las células solares comenzó principalmente con obleas monocristalinas y, por lo tanto, empleó métodos bien establecidos del dominio de la microelectrónica. El grabado anisotrópico alcalino basado en KOH / NaOH se utiliza para el texturizado piramidal de obleas monocristalinas. Una oblea monocristalina recién cortada tiene una reflectancia promedio ponderada de> 30% (sobre la longitud de onda de 300–1,200 nm) que se reduce a 11–12% después del proceso de texturizado. La morfología típica de una superficie de textura alcalina se muestra en la Figura 5. La solución de grabado anisotrópico graba la superficie (100) de las obleas para exponer las caras (111) que tienen una mayor densidad de átomos de silicio y, por lo tanto, una velocidad de grabado más lenta en comparación con ( 100) caras. Esto da como resultado la formación de estructuras piramidales aleatorias que forman un ángulo de 54,7 ° con respecto a la superficie de la oblea.


Figura 5: Morfología superficial típica de una oblea monocristalina de textura alcalina.

Los parámetros típicos para el proceso de texturizado alcalino se muestran en la Tabla 1. Cabe señalar que los valores de varios parámetros son indicativos y no deben tomarse como absolutos, ya que hay una variedad de fabricantes de aditivos en el mercado. El alcohol isopropílico (IPA) se usó inicialmente como aditivo en la solución de texturización, que no participa en la reacción de grabado, pero actúa como un agente humectante para mejorar la homogeneidad del proceso de texturización al evitar que las burbujas de H2 (generadas durante la reacción) se adhieran a la superficie de silicio [12]. Sin embargo, en 2010, el IPA fue reemplazado gradualmente por aditivos alternativos debido a inconvenientes como la concentración inestable ya que la temperatura del baño está cerca del punto de ebullición del IPA (82,4 ° C), altos costos, alto consumo, peligros para la salud y explosividad [12]. Muchos grupos han publicado trabajos de desarrollo para reemplazar el IPA con aditivos alternativos para superar las desventajas del IPA, aumentar la ventana del proceso y reducir la reflectancia de la superficie [12,13,14,15,16]. Los aditivos también reducen el tiempo de procesamiento a< 10="" minutos="" y="" aumentan="" la="" vida="" del="" baño="" a=""> 100 corridas.


Proceso

KOH / IPA

KOH / aditivo




KOH (%)

3

GG lt; 3

IPA (%)

6

Aditivo (%)

GG lt; 2

Temperatura de proceso [° C]

GG gt; 80

70–100

Tamaño de la pirámide [μm]

5–12

2–7

Tiempo de proceso [min]

30–40

5–10

Contenido orgánico [wt%]

4–10

GG lt; 1,0

Punto de ebullición [° C]

83

GG gt; 100

Duración del baño

GG lt; 15

GG gt; 100

Tabla 1.Parámetros de proceso para texturizado alcalino basado en IPA y basado en aditivos de obleas monocristalinas.


El proceso de texturizado de las obleas monocristalinas se realiza típicamente en un 'lote', lo que implica que las obleas se cargan en un portador con ranuras para contener las obleas (100 ranuras en un portador) y luego el lote se procesa secuencialmente en baños para texturizado, limpieza, pasos de tratamiento para eliminar los residuos orgánicos y la contaminación por metales y secado de las obleas procesadas. Los soportes suelen estar recubiertos con PVDF, que tiene una muy buena resistencia a diversos productos químicos, abrasión y desgaste mecánico. En la Figura 6 se muestra un portador típico para el manejo de obleas monocristalinas. La herramienta de texturizado por lotes tiene baños dedicados para cada paso con tanques de dosificación para los químicos usados ​​en el baño. La herramienta procesa muchos soportes simultáneamente y puede alcanzar un rendimiento de> 6.000 obleas / h con el procesamiento de cuatro soportes al mismo tiempo.


Figura 6: Transportadores para cargar obleas en la herramienta por lotes. Fuente: RCT solutions GmbH.

4.2 Texturizado de obleas de silicio multicristalino

Las obleas multicristalinas ofrecen una ventaja de costes en comparación con las obleas monocristalinas y, por lo tanto, se han adoptado más ampliamente. Sin embargo, la química alcalina utilizada para texturizar obleas monocristalinas no funciona bien para obleas multicristalinas debido a la presencia de diferentes orientaciones de grano. Se desarrolló una química ácida alternativa basada en HF y HNO3 para eliminar el daño de la sierra y texturizar las obleas multicristalinas simultáneamente [17,18]. El texturizado basado en solución ácida opera a temperaturas por debajo de la temperatura ambiente y, por lo tanto, conduce a una emisión de gas de reacción reducida, poca generación de calor, mayor estabilidad de la solución de grabado y mejor control de la velocidad de grabado [18]. En la Figura 7 se muestra una comparación del proceso de texturizado alcalino y ácido para obleas multicristalinas.


Figura 7: Comparación de texturado alcalino y ácido para obleas multicristalinas. Las curvas de reflectancia después de la deposición de SiNx: H también se muestran a modo de comparación [17].


El proceso de texturizado ácido de la oblea multicristalina se puede realizar en un tiempo significativamente reducido en comparación con el proceso de texturizado alcalino y, por lo tanto, se puede implementar en una configuración 'en línea' en la que las obleas pasan a través de rodillos sumergidos en el baño de grabado. En la Figura 8 se muestra una imagen representativa de un proceso en línea junto con el típico proceso de texturizado ácido. Para una configuración de cinco carriles, la herramienta en línea puede tener un rendimiento de hasta 4.000 obleas / h. Es importante tener en cuenta que la superficie de la oblea hacia abajo en la solución de grabado tiene mejor textura que la parte superior y es el "lado soleado" para su posterior procesamiento. El proceso de texturizado ácido conduce a la formación de silicio poroso en la superficie texturizada que absorbe la luz y también aumenta la recombinación de la superficie [18]. Por lo tanto, el silicio poroso se elimina utilizando una solución alcalina diluida. Posteriormente, se realiza una limpieza ácida (HF + HCl) para eliminar los óxidos y la contaminación por metales de las superficies de las obleas.


Figura 8. (a) Proceso en línea representativo con cinco carriles y (b) flujo de proceso de texturizado ácido para obleas multicristalinas.


Es importante señalar que el proceso de texturizado ácido discutido anteriormente es adecuado para las obleas multicristalinas aserradas con alambre en suspensión (SWS). En los últimos años, el proceso de aserrado con hilo de diamante (DWS) ha sustituido al corte con hilo de lechada debido a las ventajas económicas y del proceso [19]. El daño por sierra de las obleas multicristalinas SWS es mayor que el de las obleas DWS, que tienen profundas ranuras rectas y una superficie mucho más lisa que las obleas aserradas con alambre de lechada [19]. El daño de la sierra de las obleas SWS juega un papel importante para iniciar el proceso de texturizado, lo que no ocurre con las obleas DWS.


Se han propuesto varios métodos para texturizar obleas multicristalinas DWS y se resumen en la Tabla 2 [20]. Al ajustar los diversos métodos, se puede obtener una reflectancia cercana al 0% y, por lo tanto, el término "silicio negro" se ha utilizado para el proceso de texturizado de obleas multicristalinas DWS. RIE fue el primer método para fabricar silicio negro y utiliza hexafluoruro de azufre (SF6) para reaccionar con Si y gases como Cl2 y O2 para pasivar y limitar la reacción [20]. Recientemente, se han demostrado células solares comerciales multi PERC con una eficiencia media del 21,3% con un proceso de texturizado basado en RIE [21]. Sin embargo, dado que RIE es un proceso basado en vacío, el rendimiento es bajo en comparación con un proceso en línea típico y también se requiere un preprocesamiento y posprocesamiento adicional para eliminar el daño de la sierra y el daño debido al bombardeo de iones, respectivamente. Se ha implementado una variante del método RIE que no requiere vacío ni plasma en una herramienta comercial [22].


Método

Reactivos

Máscara

Catalizador

Reflectancia mínima (%)






Grabado de iones reactivos (RIE)

SF6/O2, SF6/ Cl2/O2, SF6/O2/ CH4

Ninguna

Ninguna

4.0

Implante de iones por inmersión en plasma (PIII)

SF6/O2

Ninguna

Ninguna

1.8

Irradiación láser

CCl4, C2Cl3F3, SF6, Cl2, N2, aire

Ninguna

Ninguna

2.5

Grabado con plasma

SF6

Nanopartículas de ag

Ninguna

4.2

Grabado químico asistido por metales (MACE)

AgNO3/ HF / HNO3

Ninguna

Ag, Au

0.3

Grabado electroquímico

HF, EtOH, H2O

Ninguna

Ninguna

GG lt; 5,0

Cuadro 2. Diversos métodos para texturizar obleas multicristalinas aserradas con hilo de diamante [20].


Uno de los enfoques para texturizar obleas multicristalinas DWS es mejorar la química existente basada en texturas ácidas con aditivos [23, 24, 25]. Este enfoque puede tener potencialmente un CoO más bajo en comparación con el enfoque basado en MACE [23]. Se ha demostrado que la reflectancia de este enfoque basado en aditivos es similar a la solución de isotexturización convencional con una eficiencia de célula solar del 18,7% para la estructura basada en Al-BSF [24].


El texturizado basado en MACE es similar al método de grabado ácido convencional con un paso adicional de deposición catalítica de metal. El flujo del proceso consta de SDR, deposición de metal catalizador, grabado químico y postratamiento. Se han obtenido eficiencias del 19,2% para células comerciales de Al-BSF múltiples utilizando un proceso de texturización MACE de tipo discontinuo [26]. Se ha demostrado que la herramienta comercial basada en MACE de tipo en línea tiene la posibilidad de ajustar la reflectancia en el rango de 12 a 23% y obtener una eficiencia media para la estructura de Al-BSF y PERC de 18,8 y 20,2%, respectivamente [27]. En la Figura 9 se muestran imágenes representativas de superficies texturizadas basadas en el proceso MACE. El costo de propiedad (CoO) del proceso MACE en línea es potencialmente menor en comparación con el proceso MACE basado en lotes, con la posibilidad de reducirlo aún más reciclando Ag del baño de texturización [27].


Figura 9. Obleas múltiples DWS texturizadas MACE, (a) superficie con Ravg=12% y (b) superficie con Ravg=22% [27].


4.3 Aislamiento de bordes basado en química húmeda

La región emisora ​​de una célula solar se fabrica mediante un proceso de difusión a alta temperatura (que se analizará en las secciones siguientes). Durante el proceso de difusión, se deposita vidrio de silicato de fósforo (PSG) sobre la oblea, que debe eliminarse antes de la deposición de la capa de ARC. Como se muestra en la Figura 10, después del paso de difusión, la región de tipo n también está presente en los bordes y la parte posterior de la oblea. La capa de tipo n en los bordes y la parte posterior provocará un cortocircuito en el emisor con el sustrato base y, por lo tanto, es importante grabar estas regiones y aislar el emisor en el FS del sustrato base como se muestra en la Figura 10 (c).


Figura 10: Procesamiento de la oblea de silicio después de la difusión y el aislamiento de los bordes (a) Oblea de silicio texturizada, (b) Oblea de silicio difusa, (c) Oblea de silicio difusa después del aislamiento de los bordes.


El proceso de aislamiento de bordes se puede realizar de manera en línea similar al proceso de texturizado discutido en la sección anterior. La excepción en este caso es que el producto químico debe grabar solo la parte posterior y los bordes sin interactuar con el FS. En la Figura 11 se muestra una imagen representativa del proceso de aislamiento de bordes. Es importante notar que los rodillos están presentes solo en el lado inferior para evitar cualquier contacto de la solución de grabado con el lado frontal. Los pasos siguientes después del grabado RS son similares a los de la máquina de texturizado en línea.


Figura 11: Imagen representativa de una celda solar en un baño de aislamiento de bordes en línea.


5. Procesos térmicos para la fabricación de células solares


Los procesos de alta temperatura forman una parte vital de la fabricación de células solares. Ejemplos de tales procesos son la formación de la unión pn por difusión, el disparo de contactos serigrafiados, la activación de capas de pasivación de la superficie o los defectos inducidos por el proceso de recocido. La sección vislumbra la física básica del proceso de difusión del emisor y la deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD).

5.1 Difusión del emisor

La difusión del emisor es uno de los pasos térmicos cruciales en la fabricación de células solares industriales. El emisor de tipo n de las células solares de silicio de tipo p cristalinas está formado por difusión de fósforo (P). En el proceso de difusión, las obleas de Si se envían a un horno y se exponen a 800–900 ° C a cloruro de fosforilo (POCl3) y O2, lo que da como resultado la deposición de PSG en las superficies de las obleas de Si. Este paso se denomina pre-deposición, donde el PSG [28] actúa como una fuente de dopantes de fósforo (P) para difundir en la oblea de Si. El siguiente paso es el drive-in, donde se desconecta el suministro de gases dopantes y P de la capa de PSG se difunde más en la oblea de Si. Hannes et al. [29] ilustra para la viabilidad óptima del proceso para aplicaciones fotovoltaicas, deben considerarse tres efectos diferentes. En primer lugar, la in-difusión de P del PSG y su presencia en estados eléctricamente activos e inactivos en la oblea de Si, lo que aumenta la recombinación Shockley-Read-Hall (SRH). En segundo lugar, la captación de impurezas en la capa de Si hacia la capa de PSG. Finalmente, la formación de contacto del metal con el emisor de Si dopado con P extrae la energía generada.


El proceso de difusión se cuantifica mediante la resistencia de la hoja, que depende de la profundidad de la unión pn y del perfil de concentración de P. La resistencia de la hoja tiene unidades de Ω / cm (comúnmente medido como Ω / □) y se mide usando un sistema de sonda de cuatro puntos. La definición de resistencia de la hoja se ilustra en la Ec. (1).


R=ρlA=ρlWD=ρD=ρsábanaE1

donde R=resistencia de una sección rectangular (Ω); ρ=resistividad (Ω cm); l=longitud de la sección rectangular (cm); A=área de la sección rectangular (cm2); W=ancho de la sección rectangular (cm ); D=profundidad de la sección rectangular (cm) y ρsheet=resistencia para la profundidad dada (D) cuando l=W (Ω / □).


Los primeros valores de resistencia de la lámina emisora ​​eran 30-60Ω / □ con profundidades de unión pn de>, 400 nm y alta concentración de superficie de P. Con mejoras en la pasta de contacto de plata (Ag) del lado frontal, la resistencia de la hoja emisora ​​ahora está en el rango de 90-110Ω / □ con una profundidad de unión de alrededor de 300 nm y una concentración de superficie de P más baja. El cambio a una mayor resistencia de la hoja permite capturar más luz en el espectro UV y azul, al tiempo que reduce la recombinación de la superficie para mejorar el Voc. Cabe señalar que el proceso de difusión ocurre en el FS (directamente expuesto a los gases) y también en los bordes y RS. Si no se lleva a cabo el proceso de aislamiento del borde (como se explica en la Sección 4.3), el emisor sufrirá un cortocircuito con el sustrato.


La Figura 12 muestra el proceso de difusión de POCl3 en un sistema de tubo de cuarzo cerrado. El POCl3 es una fuente de líquido que se suministra al tubo de proceso burbujeándolo con un gas portador N2. MezclandoO2con el POCl3, habrá un crecimiento epitaxial de la capa de PSG como se indica en Eq. (2) [30].


Figura 12. (a) Representación esquemática del proceso de difusión por lotes y (b) imagen representativa de un equipo de difusión por lotes. Fuente: centrotherm GmbH.


4POCl3+3O22P2O5PSG+6Cl2E2

En la superficie de Si,2P2O5se reduce a fósforo elemental durante el paso de entrada como se muestra en la Ec. (3) [30].

2P2O5+5Si4P+5SiO2E3

El cloro, que es un subproducto durante la pre-deposición, limpia las obleas y el tubo de cuarzo formando complejos con metales. El PSG se utiliza como fuente para conducir los átomos de P hacia la superficie de Si. Durante el proceso de entrada, el POCl3 se apaga y solo se agrega O2 para formar una capa delgada de óxido debajo del PSG para mejorar la difusión de los átomos de P en la superficie del Si.

Dentro del tubo de difusión hay cinco zonas de calentamiento como se ilustra en la Figura 13. Las zonas son:

  • Zona de carga (LZ): área desde donde se cargan las obleas en el tubo.

  • Zona de carga central (CLZ): área entre la zona de carga y la zona central.

  • Zona central (CZ): área central del tubo.

  • Zona central de gas (CGZ): área entre la zona central y la zona de gas.

  • Zona de gas (GZ): área desde donde los gases salen a través del escape.


Figura 13.Zonas de calentamiento dentro del tubo de difusión.


Normalmente, las temperaturas de cada zona de calentamiento se ajustan para obtener la misma resistencia de la hoja emisora ​​para todas las obleas del barco.

El entorno del proceso de difusión debe ser muy limpio y, por lo tanto, se utiliza material de cuarzo para los tubos. La limpieza de los tubos y el mantenimiento del área de carga también afectan los resultados del proceso. Dado que en la difusión en fase gaseosa no hay residuos en el tubo, se obtiene un proceso más limpio. Con una carga de medio paso en las condiciones de baja presión (LP) [31], se puede aumentar el rendimiento. Normalmente se cargan 1.000 obleas en un solo tubo y con cinco tubos de difusión en un sistema de difusión por lotes, se puede lograr un rendimiento de hasta 3.800 obleas / h para la fabricación de células solares.


En la producción comercial también se utilizó un sistema de difusión en línea en el que las obleas se transportan en una cinta con ácido fosfórico como fuente de dopantes P [32]. Sin embargo, en comparación con el proceso en línea, el proceso por lotes es más limpio, efectivo y eficiente. Para las células solares de tipo n o conceptos avanzados de células solares como PERT, la difusión por lotes de tipo p se basa en fuentes de dopantes de boro (B) como el tribromuro de boro (BBr3) [33,34].

5.2 Deposición de revestimiento antirreflectante (ARC)

Una superficie de Si desnudo refleja> 30% de la luz incidente. Como se discutió en la Sección 4, el proceso de texturizado mejora la captura de luz. Es deseable reducir aún más la reflectancia que se obtiene depositando una capa de ARC. El TiOx fue uno de los primeros materiales que se utilizó como capa ARC para células solares, sin embargo, dado que no podía proporcionar una pasivación superficial adecuada, finalmente fue reemplazado por SiNx: H [37]. El óxido de silicio crecido térmicamente (SiO2) también se empleó como material pasivador en las células de difusión local posterior del emisor pasivado que batían récords (PERL) [37]. El alto presupuesto térmico y el largo tiempo de proceso hicieron que la pasivación basada en SiO2 no fuera adecuada para la producción en masa de células solares [37]. En [37] se analiza una revisión completa de varios ARC y material pasivante para aplicaciones de células solares.


El proceso de deposición química en fase vapor mejorada por plasma (PECVD) es adecuado para depositar una capa ARC de SiNx: H que no solo reduce la reflexión sino que también pasiva el emisor de tipo n del lado frontal y el volumen, mejorando así la eficiencia de la célula solar [36, 37]. En la Figura 14 se muestra un esquema de un sistema PECVD tipo lote. Las obleas se cargan en un bote de grafito con los lados frontales uno frente al otro. Un plasma de RF basado en gases de proceso amoniaco (NH3) y silano (SiH4) que opera a una temperatura de 400–450 ° C deposita la capa de SiNx: H hidrogenado según Eq. (4) [35]. El hidrógeno incorporado en la película de SiNx: H se difunde en la masa durante el paso de cocción (discutido en la siguiente sección) y pasiva los enlaces colgantes para mejorar el rendimiento de la célula solar [36,37].


Figura 14. (a) Diagrama esquemático del proceso PECVD tipo lote para la deposición de SiNx: H y (b) bote de grafito para cargar obleas de Si en el horno PECVD.


3SiH4+2NH3+N2Si3N4+9H2E4

El índice de refracción (RI) de la película SiNx: H está controlado por la relación de SiH4 / NH3gas, mientras que el espesor depende de la duración de la deposición. El ARC basado en SiNx: H puede minimizar la reflexión para una sola longitud de onda y el grosor de la longitud de onda viene dado por [38],

t=λ04n1E5

donde t=espesor de la capa SiNx: H ARC, λ0=longitud de onda de la luz entrante yn1=índice de refracción de la capa SiNx: H.

Según la relación, el ARC también se denomina 'ARC de un cuarto de longitud de onda'. Para las células solares, el RI y el grosor se seleccionan para minimizar la reflexión a una longitud de onda de 600 nm, ya que es el pico del espectro solar. El espesor y el RI del ARC se seleccionan para ser la media geométrica de los materiales en cada lado, es decir, vidrio / aire y Si. El grosor típico del SiNx: H ARC es de 80 a 85 nm con un RI de 2,0 a 2,1, lo que le da a la célula solar un color de azul a azul violeta. En la Figura 15 (a) se muestra una imagen representativa de una celda solar multicristalina texturizada depositada con SiNx: H, mientras que en la Figura 15 (b) se muestra la variación del color SiNx: H en función de su espesor. Es importante notar que existe una dependencia de la textura de la superficie y el color del ARC para los parámetros de deposición dados. Existe una variedad de módulos solares donde el color de las células solares es más oscuro a diferencia del típico color azul. Una etapa típica de deposición de ARC en una línea de fabricación de células solares consta de dos sistemas PECVD, cada uno con cuatro tubos y un rendimiento de hasta 3500 obleas / h.


Figura 15. (a) Imagen representativa de la célula solar multicristalina recubierta de SiNx: H, (b) variación de la capa de SiNx: H en función de su espesor.


SiNx: H no es adecuado para la pasivación de Si de tipo p y, por lo tanto, se utilizan dieléctricos como Al2O3 para la pasivación de RS para arquitectura celular como las células PERC [8] o para emisores de tipo p en células solares de tipo n. Para las células solares PERC, la capa pasivante de Al2O3 está cubierta por SiNx: H para protegerla de la pasta de Al durante el proceso de cocción y también sirve como reflector interno para la luz de longitud de onda larga. Los sistemas comerciales basados ​​en PECVD y deposición de capa atómica (ALD) están disponibles para depositar Al2O3 con un rendimiento de hasta 4.800 obleas / h [39].


6. Metalización y caracterización de células solares


6.1 Metalización por serigrafía

El último paso de procesamiento para la fabricación de células solares es la metalización FS y RS para extraer la energía con pérdidas resistivas mínimas. Ag es un buen material de contacto para el emisor de tipo n, mientras que Al hace un muy buen contacto con el sustrato de tipo p. Se utiliza una combinación de pasta Ag / Al para imprimir pads en el RS para facilitar la interconexión de las células solares en un módulo. La serigrafía es un proceso simple, rápido y en constante evolución para la metalización de células solares.


En la Figura 16 se muestra una representación esquemática del proceso de serigrafía. Las pantallas tienen una malla de acero inoxidable recubierta de emulsión con aberturas según el patrón de metalización deseado como se ilustra en la Figura 17 (a). La pasta de metal se extiende sobre la pantalla a través de la inundación y el movimiento de la escobilla de goma que deposita la pasta en la celda solar según el patrón de la pantalla. Snap-off es la distancia entre la pantalla y la celda solar. La presión de la escobilla de goma y la distancia de desprendimiento son los parámetros críticos que determinan la colocación de la pasta y la geometría de los dedos Ag FS.


Figura 16. Ilustración del proceso de serigrafía para metalización de células solares.


Figura 17. (a) Pantalla de emulsión de malla con abertura para los dedos para impresión FS Ag [40] y (b) patrón de metalización FS representativo.

La pasta típica para las almohadillas RS de Ag / Al, RS Al y FS Ag es de 35 a 45 mg, 1,1 a 1,4 gy 100 a 120 mg, respectivamente, para una celda solar multicristalina de Al-BSF de 6 pulgadas. En la Figura 17 (b) se muestra un patrón ilustrativo de metalización de Ag FS. La apertura de los dedos Ag se ha reducido a menos de 30 μm, mientras que la aplicación de 5 barras colectoras se está adoptando cada vez más. Con tal parámetro de pantalla y una buena colocación de pasta, se debe obtener un FF consistente de> 80% para las células solares Al-BSF con una pérdida de sombreado óptico de<>

6.2 Secado y cocción rápida de pastas de metalización

Las pastas de metalización constan de polvo metálico, disolventes y aglutinantes orgánicos. En el caso de la pasta FS Ag, la pasta también contiene frita de vidrio mientras graba la capa de SiNx: H y hace contacto con el emisor de tipo n [41]. Las pastas metálicas se secan después de la impresión y finalmente se envían a un horno de cocción rápida para sinterizar y formar el contacto RS Al-BSF y FS Ag. Un ejemplo de un horno de combustión rápida de este tipo con el perfil de temperatura se muestra en la Figura 18. El proceso de sinterización de dedos FS Ag se ilustra en la Figura 19. Cuando la célula solar pasa a través del horno de combustión rápida, los aglutinantes orgánicos se queman, seguido de fusión de la frita de vidrio y finalmente la formación de cristalitos de Ag en contacto con el emisor de tipo n. El perfil de cocción debe ajustarse en función de los tipos específicos de pastas de metalización y el perfil de difusión del emisor. Por ejemplo, la temperatura máxima de encendido podría ser baja para no formar un buen contacto óhmico en el FS, mientras que una temperatura demasiado alta puede provocar la difusión de Ag a través de la unión y la derivación de la unión pn. En la Figura 20 se muestra una imagen de una celda solar completa multicristalina de Al-BSF.


Figura 18. (a) Ejemplo de un horno de cocción para sinterizar contactos metálicos y (b) perfil de temperatura ilustrativo de un horno de cocción. Fuente: centrotherm GmbH.


Figura 19.Ilustración del proceso de cocción. (a) quema de los aglutinantes orgánicos, (b) fusión de la frita de vidrio que ataca el SiNx: H y (c) formación de cristalitos de Ag en la interfaz del emisor.


Figura 20. (a) FS de una celda solar completa y (b) RS de una celda solar completa.

6.3 Metalización del lado frontal con base enchapado

El costo de varios factores en el procesamiento de células solares ha disminuido a lo largo de los años, mientras que la contribución del Ag frontal sigue siendo la más significativa [42]. Se ha realizado una cantidad significativa de trabajo para reemplazar el Ag por un metal alternativo como el cobre (Cu), que tiene un valor de conductividad muy cercano al de Ag y también ofrece una ventaja potencial significativa en los costos [43, 44]. El Cu tiene una alta difusividad y solubilidad en Si y, por lo tanto, se deposita una capa de barrera como el níquel (Ni) sobre el Si antes del recubrimiento de Cu [42]. El enchapado inducido por luz (LIP) que se deriva del enchapado convencional utiliza el efecto fotovoltaico de la luz para platear el metal deseado y tiene muchas ventajas en comparación con el enchapado convencional [43, 44].


La metalización del lado frontal basada en Ni-Cu requiere un paso adicional de modelado del ARC en el lado frontal a diferencia de la metalización basada en pasta Ag y, en la mayoría de los casos, también un paso adicional de sinterización de Ni para reducir la resistencia de contacto y tener una buena adhesión de la pila de metal [42 ]. Se ha demostrado que las células solares comerciales de mc-Si cortadas con DWS basadas en pilas chapadas en Ni-Cu-Ag tienen un ancho de dedo de 22 μm, una relación de aspecto cercana a 0,5 y una eficiencia similar a la de las células solares de referencia basadas en Ag serigrafiadas [45 ].


La mejora continua en las pastas Ag FS junto con la simplicidad, confiabilidad y alto rendimiento del proceso de serigrafía ha dificultado que la metalización basada en Ni-Cu compita con la metalización FS basada en Ag. Sin embargo, los conceptos de alta eficiencia de las células solares, como las células solares de heterounión bifacial, en las que el Cu se puede recubrir directamente con el óxido conductor transparente, el proceso de recubrimiento se simplifica y requiere una sola herramienta [39]. De manera similar, los conceptos de alta eficiencia que requieren una cantidad reducida de metal pueden lograr lo mismo utilizando la metalización basada en enchapado [42,46].

6.4 Ensayo IV y caracterización de células solares

El paso final es la prueba IV de las células solares completas según las condiciones de prueba estándar (STC), es decir, AM 1.5G, 1000W / m2 con un simulador solar Clase AAA. En la Figura 21 se muestra un ejemplo de sondeo FS de una celda solar. Los parámetros típicos obtenidos del probador IV se indican en la Tabla 3. Los probadores IV tienen muchos parámetros de caracterización que pueden ser útiles para el diagnóstico de defectos de la celda solar. En las Figuras 22 (a) - (c) se muestran la electroluminiscencia (EL) y la imagen infrarroja térmica representativa de una celda solar con algunos defectos. En la Figura 22 (a) se muestra una imagen EL de una buena celda solar con intensidad uniforme, mientras que para una celda solar en la que los dedos FS no se imprimen uniformemente, se puede ver un contraste más oscuro en la Figura 22 (b). ) muestra una imagen térmica de infrarrojos de una célula solar con una derivación localizada que se ha formado durante una de las etapas de procesamiento. Al final, las células solares se clasifican en diferentes contenedores de eficiencia según la clasificación seleccionada.



Figura 21. Sonda FS de medición IV para caracterización de células solares.


Parámetro

Comentarios



Vjefe(V)

Las buenas células solares mc-Si Al-BSF tienen un valor de> 0.635V

ICarolina del Sur(A)

Las buenas células solares mc-Si Al-BSF tienen un valor de> 9,0 A

FF (%)

Las buenas células solares mc-Si Al-BSF tienen un valor de> 80%

Eficiencia (%)

Las buenas células solares mc-Si Al-BSF tienen un valor de> 18,6%

Vmpp(V)

Voltaje correspondiente en el punto de máxima potencia

Impp(A)

Corriente correspondiente en el punto de máxima potencia

Rs(Ω)

Las buenas células solares mc-Si Al-BSF tienen un valor de< 1,5="">

Rsh(Ω)

Las buenas células solares mc-Si Al-BSF tienen un valor de> 100Ω

IRvdo(A)

La corriente inversa a un voltaje de −12 V debe ser< 0,5="" a="" para="" buenas="" células="">

Resistencia FS BB-BB (Ω)

Resistencia medida entre las BB del FS

Resistencia RS BB-BB (Ω)

Resistencia medida entre las BB del RS

Tabla 3 Parámetros para la caracterización de una celda solar obtenidos a partir de la medición de IV.


Figura 22. (a) imagen EL de una buena celda solar, (b) imagen EL de una celda solar con no uniformidad en la impresión digital de Ag y (c) imagen IR térmica de una celda solar que indica la presencia de derivaciones localizadas.


7. Tendencias futuras


DWS se ha convertido en el estándar para las obleas monocristalinas, mientras que se espera que tenga una cuota de mercado de> 80% para 2022 para las obleas multicristalinas [2]. Se espera que el SWS para obleas multicristalinas se elimine para ese momento. Con DWS, la pérdida de corte también se convertiría en< 80μm="" para="" 2022,="" lo="" que="" a="" su="" vez="" reduciría="" el="" consumo="" de="" poli-si="" por="" oblea="" por="" debajo="" de="" 15g.="" se="" espera="" que="" el="" diseño="" 3bb="" para="" contactos="" frontales="" se="" elimine="" gradualmente="" para="" 2020="" con="" una="" participación="" del="" 50%="" para="" el="" diseño="" 5bb.="" con="" las="" mejoras="" continuas="" en="" las="" pastas="" y="" cribas="" ag,="" se="" proyecta="" que="" el="" ancho="" del="" dedo="" fs="" se="" reducirá="" a="" 30="" μm="" para="" 2022.="" las="" herramientas="" de="" procesamiento="" químico="" húmedo="" han="" cruzado="" el="" rendimiento="" de="" 8,000="" obleas="" h="" en="" 2018="" y="" tocarían="" 9,000="" obleas="" h="" en="" 2020.="" equipos="" de="" procesamiento="" térmico="" han="" alcanzado="" un="" rendimiento="" de="" 5000="" obleas="" h="" en="" 2018="" y="" se="" espera="" que="" superen="" las="" 7,000="" obleas="" h="" para="" 2020.="" se="" espera="" que="" la="" sección="" de="" metalización="" y="" pruebas="" clasificación="" iv="" tenga="" un="" rendimiento="" de=""> 7,000 obleas / h para 2022.


Tecnología celular basada en Al-BSF que tiene una participación de mercado de> se espera que el 60% en 2018 se reduzca a< 20%="" para="" 2025.="" con="" más="" énfasis="" en="" los="" conceptos="" de="" células="" solares="" de="" alta="" eficiencia,="" se="" espera="" que="" la="" participación="" de="" la="" tecnología="" perc="" aumente="" sea="" ​​gg="" gt;="" 50%="" para="" 2022.="" se="" espera="" que="" la="" eficiencia="" de="" producción="" de="" mono="" perc="" sea=""> 22% para 2022, mientras que para multi PERC debería tocar el 21% al mismo tiempo. Un aspecto importante relacionado con el multi-PERC es la mitigación del problema basado en LeTID para minimizar la pérdida de eficiencia después de la instalación de los módulos en el campo. Células de Si HJ con eficiencias de> 22% en 2018 después de que se espera que alcance una eficiencia estable del 23% para 2020, con una cuota de mercado de alrededor del 10% para 2022. Células bifaciales de alta eficiencia con la ventaja adicional de aprovechar la radiación solar de Se espera que la parte trasera tenga una participación de mercado del 20% para 2022. Se espera que las células solares de contacto posterior de tipo N superen el 24% de eficiencia para 2020.



8. Conclusiones


Las células solares de Si se han convertido en una parte importante del dominio de las energías renovables en las últimas décadas con tecnologías de fabricación maduras. Las obleas multicristalinas de tipo P se han convertido en el soporte principal para la producción de células solares. Sin embargo, con una mayor eficiencia y costos de producción decrecientes, las células solares monocristalinas también han ganado una participación significativa y se espera que compitan estrechamente con las obleas multicristalinas en un futuro próximo. Para la tecnología estándar de Al-BSF, el 19 y el 20% se ha convertido en el punto de referencia para las células solares multicristalinas y monocristalinas, respectivamente. Las células mono-PERC y multi-PERC han alcanzado eficiencias estabilizadas de 21,5 y 20%, respectivamente. Además, PERC también proporciona un enfoque más simple para las células solares bifaciales al tener un patrón de cuadrícula en el RS en lugar del contacto de área completa. Las células solares bifaciales y de tipo ny de alta eficiencia tienen una cuota de mercado de< 10%,="" que="" se="" espera="" que="" aumente="" en="" el="" futuro.="" las="" tecnologías="" de="" fabricación="" han="" madurado="" considerablemente="" en="" los="" últimos="" años="" con="" nuevas="" mejoras="" para="" aumentar="" el="">


Expresiones de gratitud


Los autores desean agradecer a los colegas de RCT Solutions GmbH de quienes se han extraído algunos de los contenidos del capítulo. Mehul C.Raval desea agradecer a su colega Jim Zhou por las discusiones sobre la textura de silicio negro.