Análise de processos de limpeza e difusão na fabricação de células solares

Abstract

The research of more efficient devices leads to high purity, defect free and, consequently, expensive semiconductor materials. The industry searches for cost effective solar cells, i. e., devices with a good ratio of production cost to conversion efficiency, to become more competitive. Silicon wafers of lower quality could be used to reduce the cost, but wet chemical cleaning processes and gettering mechanisms have to be implemented. The purpose of this work is to analyze chemical cleanings and to evaluate the effect of phosphorus gettering in monocrystalline silicon wafers utilized on solar cell manufacturing. Alternative techniques to the complete RCA cleaning process were analyzed with less steps to compose the cleaning process. Cleaning CR2 was the best sequence, attaining carrier lifetime improvements of 175 %, with an average value of 100 μs. Phosphorus diffusion was carried out by using phosphorus oxychloride (POCl3) as dopant source, at temperatures from 800 ºC to 900 ºC and time of 15, 30 and 45 min. Sheet resistance and minority carrier lifetime were measured, allowing the evaluation of surface passivation and P-gettering. Most of diffusion processes lead to efficient gettering, but the highest lifetime was encountered for processes at 900 ºC. In that case, carrier lifetime increases from 41 μs to 900 μs.

A busca por dispositivos mais eficientes faz com que a pesquisa com semicondutores utilize materiais cada vez mais puros, com menos defeitos e, consequentemente, mais caros. A indústria de células solares busca dispositivos que tenham uma boa razão entre custo de produção e eficiência de conversão para se tornar mais competitiva comercialmente. Para reduzir o custo, podem ser usadas lâminas de silício de menor qualidade, mas processos de limpeza superficial e de remoção e neutralização de impurezas (gettering), devem ser implementados. O objetivo geral deste trabalho é analisar limpezas químicas e os efeitos gerados pelo gettering de fósforo em lâminas de silício monocristalino utilizadas na fabricação de células solares. Foram analisadas limpezas alternativas à RCA completa, diminuindo o número de passos. Observou-se que a limpeza tipo A produziram os melhores resultados comparados às limpezas do tipo B. Destas, a que mais se destacou foi a limpeza CR2, alcançando um aumento no tempo de vida dos portadores minoritários de 175 %, com valor médio final de 101 μs. Utilizando o processo de limpeza desenvolvido, realizaram-se difusões de fósforo a partir do POCl3 (oxicloreto de fósforo), para temperaturas de 800 °C a 900 °C com tempos entre 15 minutos e 45 minutos. Foram realizadas medidas de resistência de folha e do tempo de vida dos portadores minoritários, o qual possibilitou avaliar a passivação superficial e os efeitos do gettering por fósforo. A maioria dos processos de difusão produziu um gettering eficiente e os melhores valores de tempo de vida foram obtidos para processos a 900 °C, sendo que este parâmetro aumentou em média de 41 μs para 900 μs.