Tesis:
Defect engineering strategies for solar grade silicon and their optimization by predictive simulation.
- Autor: HOFSTETTER, Jasmin
- Título: Defect engineering strategies for solar grade silicon and their optimization by predictive simulation.
- Fecha: 2011
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/6102/
- Director/a 1º: CAÑIZO NADAL, Carlos del
- Director/a 2º: LELIEVRE, Jean François
- Resumen: Para hacer frente a la reciente escasez de Si ultrapuro debido al crecimiento exponencial del mercado fotovoltaico (PV), las instituciones de I +D y los productores de silicio comenzaron a desarrollar y aplicar nuevos procesos de purificación del silicio para aplicaciones fotovoltaicas. El denominado silicio de calidad solar (SoG-Si) requiere niveles de pureza menores a las del Si de calidad electrónica y por lo tanto, da margen para la reducción del coste de la energía solar fotovoltaica. Sin embargo, hasta la fecha no existen especificaciones estandarizadas de SoG-Si y la adaptación del proceso de fabricación de células solares a materiales de Si de menor calidad sigue siendo un reto para los fabricantes de células solares. En esta tesis las concentraciones aceptables de diferentes impurezas metálicas representativas se calculan en diferentes etapas de la cadena de producción de la célula solar: en el dispositivo final, en la oblea de Si multicristalino (mc) y en el Si de partida. A lo largo de la cadena de producción, se supone que las concentraciones de impurezas son alteradas por un gettering durante la difusión de P (PDG), parte del procesamiento de célula solar, y por la segregación sólido-líquido durante el crecimiento del lingote. Se muestra que la principal reducción de las concentraciones totales de impurezas se consigue durante la cristalización mientras que el PDG permite sobre todo la reducción de átomos metálicos intersticiales que forman defectos de alta recombinación. Además, se muestra que las impurezas rápidas como Fe y Cu pueden estar presentes en el silicio de partida en concentraciones mucho más altas que las impurezas lentas como Cr y Ti. Fe es una de las impurezas metálicas más abundante y perjudicial en Si. Además de su presencia en materiales de partida de menor calidad, una considerable contaminación por Fe tiene lugar durante el crecimiento del lingote mc-Si a través de la difusión desde las paredes del crisol. Más del 50 % de las obleas de mc-Si vienen de las regiones del borde del lingote, de modo que una reducción efectiva del Fe durante el procesamiento de la célula solar es esencial para lograr altas eficiencias de conversión en obleas de mc-Si. Por ello en esta tesis se desarrolla un modelo para simular la cinética de los defectos de Fe durante el procesamiento de la célula solar y para predecir su eficiencia a partir de la concentración y distribución de Fe en obleas mc-Si. El modelo Impurity-to-Efficiency (I2E) es validado por la simulación de experimentos realizados en obleas de diferentes alturas de un lingote mc-Si intencionadamente contaminado con Fe. La distribución del Fe precipitado en estas obleas se mide por medio de la microscopía de fluorescencia de rayos X y se utiliza como parámetro de entrada para las simulaciones, junto con concentraciones de Fe total e intersticial publicadas para este material. Los tiempos de vida de electrones antes y después del procesado y la eficiencia de célula se calculan para un perfil de tiempo y temperatura industrial estándar de PDG. En las regiones del lingote donde los defectos de Fe son los principales limitantes del rendimiento se logra una buena coherencia entre los resultados experimentales y la simulación. Posteriormente, el modelo I2E validado se utiliza para estudiar la eficacia de diferentes esquemas de gettering en la reducción del Fe intersticial en obleas de mc-Si de diferentes contenidos y distribuciones de Fe. Se muestra que un PDG extendido, que consiste en la difusión de P a altas temperaturas seguida por un enfriamiento lento a temperatura ambiente (TA) o por un recocido a baja temperatura (LTA), disminuye las concentraciones de Fei en mayor medida que lo consigue un PDG estándar. Durante un PDG extendido la extracción de Fei a la capa sumidero de P domina a la reducción por gettering interno debida a fenómenos como el de la precipitación de Fei a precipitados de FeSi2. También se muestra que, cuando PDG es seguido por LTA, existe una temperatura óptima de recocido para cualquier tiempo de proceso dado. Por último, los resultados teóricos obtenidos mediante simulaciones se ponen a prueba experimentalmente. En un primer experimento, diferentes conjuntos de obleas vecinas de mc-Si tipo p se someten a un recocido a alta temperatura seguido por un enfriamiento rápido o lento a TA en diferentes ambientes gaseosos (N2, O2 o POCl3). Antes y después del procesado, se miden el tiempo de vida de electrones y la concentración de Fei en cada oblea. Se observa que durante un PDG extendido se consiguen mayores tiempos de vida y menores concentraciones de Fei frente a un PDG estándar. Además, los experimentos confirman que realmente la extracción de Fei a la capa sumidero de P es el efecto dominante frente al gettering interno. En un segundo experimento, diferentes conjuntos de obleas vecinas mc-Si se someten a diferentes pasos cortos de LTA después del PDG. En estas obleas, el aumento de tiempo de vida y la reducción de Fei predichos por las simulaciones no se pueden reproducir con los experimentos. Cartografías de tiempo de vida revelan grandes áreas de alta densidad de dislocaciones (DL) que inhiben la extracción eficaz de Fei y que limitan los tiempos de vida de los electrones. Sin embargo, en algunas de las obleas investigadas se observa un aumento del tiempo de vida dentro de algunos granos en comparación con PDG estándar. Por lo tanto, se espera que en obleas de mc-Si con bajas densidades de DL, un tratamiento corto de LTA a temperatura óptima conduzca a una mejora de tiempo de vida considerable. Es un tratamiento fácil de implementar en la cadena industrial de proceso y tiene el potencial de conducir a un aumento de la eficiencia de célula solar de hasta un 0,4 % absoluto.