BR102012021507A2 - Pilot plant for production of photovoltaic modules with national technology - Google Patents
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Abstract
Planta piloto para produção de módulos fotovoltaicos com tecnologia nacional. A presente invenção proporciona um processo de limpeza química superficial para lâminas de silício cristalino texturadas adaptado a partir de um processo de limpeza química padrão chamado rca. No processo da invenção, a limpeza química compreende um ataque isotrópico em cp4, seguida da imersão das lâminas de silício na solução rca-2. O ataque planar aumenta o gettering química e não alter a estrutura das micropirâmides, pois o tempo de imersão é controlado e curto, preferecialmente apenas 10 segundos. Dentre outras vantagens técnicas, o processo da invenção proporciona aumento de ao menos 175% no tempo de vida dos portadores minoritários e redução no tempo de processamento de aproximadamente 9 minutos.Pilot plant for the production of photovoltaic modules with national technology. The present invention provides a surface chemical cleaning process for textured crystalline silicon blades adapted from a standard chemical cleaning process called rca. In the process of the invention, chemical cleaning comprises an isotropic attack on cp4, followed by the immersion of the silicon slides in the rca-2 solution. The planar attack increases chemical gettering and does not alter the structure of the micropiramids, as the immersion time is controlled and short, preferably only 10 seconds. Among other technical advantages, the process of the invention provides at least 175% increase in the life span of minority carriers and a reduction in processing time of approximately 9 minutes.
Description
Relatório Descritivo de Patente de Invenção Planta Piloto para produção de módulos fotovoltaicos com TECNOLOGIA NACIONALInventory Patent Report Pilot Plant for Production of Photovoltaic Modules with NATIONAL TECHNOLOGY
Campo da Invenção A presente invenção é relacionada ao tratamento de limpeza em solução química de lâminas de silício texturadas, as quais podem ser utilizadas para a fabricação de células solares ou de dispositivos semicondutores. Uma das inovações principais da presente invenção está na finalidade do uso (aumento de gettering químico por meio de ataque químico isotrópico nas superfícies das lâminas de silício texturadas, isto é, com micropirâmides na superfície e na sequência das soluções utilizadas. No processo da invenção, a etapa de limpeza química compreende em submeter as lâminas de silício a um ataque isotrópico rápido em solução CP4, seguida da solução RCA-2. O ataque planar aumenta o gettering químico e não altera a estrutura das micropirâmides, pois o tempo de imersão é controlado e curto, preferencialmente apenas 10 segundos. Dentre outras vantagens técnicas, o processo da invenção proporciona aumento da ordem de 175% no tempo de vida dos portadores minoritários, redução no tempo de processamento da ordem de aproximadamente 9 minutos e não requer equipamentos caros. A presente invenção se situa nos campos da engenharia elétrica e química.Field of the Invention The present invention relates to the chemical solution cleaning treatment of textured silicon sheets which can be used for the manufacture of solar cells or semiconductor devices. One of the main innovations of the present invention is the purpose of use (increase of chemical gettering by isotropic chemical attack on the surfaces of textured silicon sheets, i.e. with micropiramids on the surface and following the solutions used. In the process of the invention, The chemical cleaning step involves subjecting the silicon slides to a rapid isotropic attack on CP4 solution, followed by the RCA-2 solution.The planar attack increases chemical gettering and does not alter the structure of the micropiramids because the immersion time is controlled. and short, preferably only 10 seconds Among other technical advantages, the process of the invention provides for a 175% increase in the lifetime of minority carriers, a reduction in processing time of approximately 9 minutes and does not require expensive equipment. The present invention is in the fields of electrical and chemical engineering.
Antecedentes da Invenção As células solares também são denominadas de células fotovoltaicas e são dispositivos capazes de converter diretamente energia solar em energia elétrica. Como não geram resíduos durante o processo de conversão são consideradas produção de energia limpa, sendo objetivo de estudo ao redor do mundo. Comercialmente a tecnologia dominante é a de células de silício cristalino, que são processadas em lâminas de silício. Nesta área, o desenvolvimento tecnológico está focado no aumento da eficiência das células solares ou na redução do custo de fabricação. Um processo típico de fabricação de células solares em silício cristalino consiste em: (i) texturação das superfícies das lâminas de silício, (ii) limpeza química das lâminas de silício texturadas, (iii) difusão de fósforo (iv) ataque de óxidos, (v) deposição do filme antirreflexo, (vi) deposição e queima das pastas de alumínio e de prata/alumínio e (vii) isolamento da junção pn nas bordas. Para melhorar a remoção de impurezas, tecnologias têm sido empregadas nas etapas da fabricação, como, por exemplo, na limpeza química. A limpeza mais comumente utilizada em lâminas de silício com texturação é a limpeza química padrão RCA, que consiste de (i) limpeza na solução RCA-1 (NH4OH + H2O2 + H20) a fim de remover os contaminantes orgânicos e (ii) limpeza na solução RCA-2 (HCI + H202 + H20) a fim de remover os contaminantes iônicos e metálicos. Outras soluções com ácido sulfúrico também são utilizadas como por exemplo a solução “piranha” (H2S04 + H202 + H20). A solução CP4 (HNO3 + CH3COOH + HF) é utilizada em lâminas de silício sem textura (sem micropirâmides na superfície), pois ataca a mesma. O principal diferencial da invenção em relação a estes métodos é a eficácia em relação ao gettering químico, onde se verificou o aumento do tempo de vida dos portadores minoritários. Este resultado contribui para o aumento da eficiência das células solares. Além disso, o tempo de processamento é reduzido.Background of the Invention Solar cells are also called photovoltaic cells and are devices capable of directly converting solar energy into electrical energy. As they do not generate waste during the conversion process, they are considered clean energy production, being the objective of study around the world. Commercially the dominant technology is crystalline silicon cells, which are processed into silicon sheets. In this area, technological development is focused on increasing the efficiency of solar cells or reducing manufacturing costs. A typical crystalline silicon solar cell manufacturing process consists of: (i) texturing the surfaces of silicon sheets, (ii) chemical cleaning of textured silicon sheets, (iii) phosphorus diffusion (iv) oxide attack, ( v) deposition of the anti-reflective film, (vi) deposition and burning of aluminum and silver / aluminum pastes and (vii) isolation of the pn junction at the edges. To improve the removal of impurities, technologies have been employed in the manufacturing steps, such as chemical cleaning. The most commonly used cleaning on textured silicon slides is standard RCA chemical cleaning, which consists of (i) cleaning the RCA-1 solution (NH4OH + H2O2 + H20) to remove organic contaminants and (ii) cleaning the RCA-2 solution (HCI + H202 + H20) to remove ionic and metallic contaminants. Other sulfuric acid solutions are also used as for example the "piranha" solution (H2SO4 + H2O + H2O). The CP4 solution (HNO3 + CH3COOH + HF) is used on silicon blades without texture (without micropiramids on the surface) as it attacks the same. The main differential of the invention in relation to these methods is the effectiveness in relation to chemical gettering, where the life span of minority carriers has been increased. This result contributes to the increased efficiency of solar cells. In addition, processing time is reduced.
No âmbito patentário, foram localizados alguns documentos apenas parcialmente relevantes, descritos a seguir. O documento US 6,158,445 revela um método de limpeza de lâminas semicondutoras compreendendo as etapas de: colocar as lâminas em um tanque para limpeza e submeter as lâminas a uma ou mais soluções de limpeza altamente diluídas (as soluções podem compreender hidróxido de amônia, peróxido de hidrogênio, água deionizada, surfactante, ácido fluorídrico e ácido clorídrico) e aplicar energia megassônica a solução. A presente invenção difere deste documento pelo documento apresentado por tratar de um processo que compreende o uso de surfactante e energia megassônica nas soluções químicas, enquanto a presente invenção não necessita de energia megassônica para realização da limpeza, uma vez que a mesma compreende aumento de getteríng químico em lâminas de silício texturadas pelo uso de ataque químico em CP4 e limpeza em RCA-2. O documento US 2011/0028000 revela um método de ataque seletivo de um filme contendo silício depositado em um substrato de silício. O referido método consiste em criar uma camada densificada de filme contendo silício e mergulhar o substrato de silício em uma solução de NH4F e HF na proporção de 6:1 a 100:1, a uma faixa de temperatura entre 20 °C e 50 °C e por um tempo variando de 30 segundos a 5 minutos, de forma que ocorre a remoção de 55% a 95%, em peso, da camada densificada. A presente invenção difere deste documento, dentre outras razões técnicas, pelo fato de não atuar em configurações estruturais e sim na etapa de limpeza química do processo, com aumento de getteríng químico. O documento US 2011/0111548 revela um método de preparação de uma célula solar. O objetivo do referido método é obter uma superfície texturada mais homogênea e uniforme no substrato de silício. Tal método consiste em: a) aplicar água deionizada ozonizada na superfície do substrato de silício para remoção dos contaminantes da superfície, gerando assim uma superfície pré-limpa; b) aplicar uma solução de hidróxido de sódio (ou hidróxido de potássio, de alta concentração) na superfície pré-limpa para remover os danos físicos causados pelo processo de corte, gerando uma superfície preparada; c) aplicar uma segunda solução alcalina, para a texturação da superfície, gerando uma superfície texturada. A presente invenção difere deste documento, por tratar de limpeza química após o processo de texturação, obtendo um aumento do tempo de vida dos portadores minoritários nas lâminas de silício maior que o obtido com a limpeza padrão RCA. Também se difere pelo fato de tratar de métodos de pré-limpeza visando a texturação e por ter como objetivo uma redução na reflexão da radiação na superfície do substrato cristalino de silício e não uma otimização do processo de limpeza química. O documento US 2009/0280597 revela um método de formação de textura na superfície do substrato de silício. Essas rugosidades são obtidas imergindo o substrato por um período de tempo em uma solução alcalina que contém um aditivo, onde as rugosidades formadas possuem uma profundidade entre 1 pm e 10 pm. Ou então imergindo o substrato por um período de tempo em uma solução de pré-limpeza de ácido fluorídrico, depois o imergindo em uma solução alcalina com aditivo de modificação de superfície e posteriormente mergulhando em uma solução de pós-limpeza de ácido hidrofluorídrico ou hidroclorídrico. Ou ainda, para superfícies de silício cristalinas do tipo n pode-se usar uma solução de pré-limpeza de ácido fluorídrico, posteriormente uma solução de hidróxido de potássio e polietilenoglicol e uma pós-limpeza de ácido clorídrico ou fluorídrico. O referido método promove rugosidades com profundidade entre 3 pm e 8 pm. A presente invenção difere deste documento, dentre outras razões técnicas, por apresentar uma alteração na limpeza química enquanto esse documento apresenta meios de texturação das superfícies das lâminas de silício e pré- e pós-limpeza. Também pelo fato de usar uma limpeza substituindo a solução RCA1 pela solução CP4. O documento US 2003/0069151 revela um método de preparação da superfície de substrato de silício para posteriores etapas da fabricação. A referida preparação consiste numa remoção de impurezas metálicas usando uma limpeza química para isso. Tal método reduz o custo e diminui o tempo do processo, consistindo na imersão em solução com H2S04e H2O2 para remoção dos contaminantes orgânicos e formação de uma película de óxido e posterior lavagem com solução de NH4F, HCI e H20 para remoção dos contaminantes metálicos e do óxido formado. Por fim, uma etapa de secagem com álcool isopropílico (IPA). A presente invenção difere deste documento, dentre outras razões técnicas, por apresentar a substituição da solução RCA1 por CP4 e manter RCA2 enquanto este documento propõe outras soluções químicas com H2S04:H202 e NH4F, HCI e H20 com posterior secagem por IPA. O documento US 5,853,491 revela um método de redução da concentração de contaminantes metálicos da superfície das lâminas de substrato de silício, principalmente os metais com fortes ligações químicas. O referido método consiste num aprimoramento da seqüência de limpeza química RCA no qual a solução RCA-1 é complementada por uma concentração pre- determinada de um agente de construção de complexos, selecionado no grupo dos EDTAs (ácido etilenodiamintetracético) ou DEQUEST (fosfatos com cadeias orgânicas contendo os grupos funcionais aminas). A presente invenção difere deste documento, dentre outras razões técnicas, por apresentar uma substituição da solução RCA1 por uma solução de ataque químico CP4 e não a adição de compostos a solução RCA1.In the patent area, some only partially relevant documents were described, described below. US 6,158,445 discloses a method of cleaning semiconductor slides comprising the steps of: placing the slides in a cleaning tank and subjecting the slides to one or more highly diluted cleaning solutions (the solutions may comprise ammonium hydroxide, hydrogen peroxide , deionized water, surfactant, hydrofluoric acid and hydrochloric acid) and apply megassonic energy to the solution. The present invention differs from this document in that it relates to a process comprising the use of surfactant and megassonic energy in chemical solutions, whereas the present invention does not require megassonic energy to perform cleaning, since it comprises increase of gettering. on silicon blades textured by the use of chemical attack on CP4 and cleaning on RCA-2. US 2011/0028000 discloses a selective etching method of a silicon-containing film deposited on a silicon substrate. Said method consists of creating a densified silicon-containing film layer and dipping the silicon substrate in a 6: 1 to 100: 1 NH4F and HF solution at a temperature range between 20 ° C and 50 ° C. and for a time ranging from 30 seconds to 5 minutes, so that 55% to 95% by weight of the densified layer is removed. The present invention differs from this document, among other technical reasons, in that it does not work in structural configurations but rather in the chemical cleaning step of the process, with increase of chemical getter. US 2011/0111548 discloses a method of preparing a solar cell. The objective of this method is to obtain a more homogeneous and uniform textured surface in the silicon substrate. Such a method consists of: (a) applying ozonated deionized water to the surface of the silicon substrate to remove surface contaminants, thereby generating a pre-cleaned surface; b) apply a solution of sodium hydroxide (or high concentration potassium hydroxide) to the pre-cleaned surface to remove physical damage caused by the cutting process, generating a prepared surface; c) apply a second alkaline solution for surface texturing to generate a textured surface. The present invention differs from this document in that it deals with chemical cleaning after the texturing process, obtaining a longer lifetime of minority carriers on silicon sheets than that obtained with standard RCA cleaning. It also differs in that it deals with pre-cleaning methods aimed at texturing and aims at reducing radiation reflection on the surface of the crystalline silicon substrate and not optimizing the chemical cleaning process. US 2009/0280597 discloses a method of texture formation on the surface of the silicon substrate. These roughnesses are obtained by immersing the substrate for a period of time in an alkaline solution containing an additive, where the roughnesses formed have a depth between 1 pm and 10 pm. Or by soaking the substrate for a period of time in a hydrofluoric acid pre-cleaning solution, then immersing it in an alkaline solution with surface modification additive and then dipping in a hydrofluoric or hydrochloric acid post-cleaning solution. Or, for type n crystalline silicon surfaces, a hydrofluoric acid pre-cleaning solution, then a potassium hydroxide and polyethylene glycol solution and a hydrochloric or hydrofluoric acid post-cleaning solution can be used. Said method promotes roughness with depth between 3 pm and 8 pm. The present invention differs from this document, among other technical reasons, in that it exhibits a change in chemical cleaning while that document provides means for texturing the surfaces of silicon sheets and pre- and post-cleaning. Also by using a cleaning replacing solution RCA1 with solution CP4. US 2003/0069151 discloses a method of preparing the silicon substrate surface for later manufacturing steps. Said preparation consists in the removal of metallic impurities using a chemical cleaning for this. This method reduces the cost and shortens the process time by soaking in solution with H2SO4 and H2O2 to remove organic contaminants and forming an oxide film and then washing with NH4F, HCI and H20 solution to remove metallic contaminants and oxide formed. Finally, a drying step with isopropyl alcohol (IPA). The present invention differs from this document, among other technical reasons, in that it presents the substitution of the RCA1 solution with CP4 and maintains RCA2 while this document proposes other chemical solutions with H2SO4: H2O2 and NH4F, HCI and H2O with subsequent IPA drying. US 5,853,491 discloses a method of reducing the concentration of metal contaminants on the surface of silicon substrate slides, particularly metals with strong chemical bonds. Said method is an enhancement of the RCA chemical cleaning sequence in which the RCA-1 solution is supplemented by a predetermined concentration of a complex building agent selected from the group of EDTAs (ethylenediamine tetraacetic acid) or DEQUEST (chain phosphates). containing amine functional groups). The present invention differs from this document, among other technical reasons, in that it presents a replacement of the RCA1 solution with a CP4 chemical etching solution and not the addition of compounds to the RCA1 solution.
Como indicado anteriormente, a limpeza mais comumente utilizada é a limpeza química padrão RCA, que consiste de: (i) limpeza com a solução RCA- 1 (NH4OH + H202 + H20) a fim de remover os contaminantes orgânicos; (ii) limpeza com a solução RCA-2 (HCI + H2O2 + H20) a fim de remover os contaminantes iônicos e metálicos. A presente invenção difere desta, dentre outras razões técnicas, por substituir a solução RCA1 por um ataque químico isotrópico CP4, fazendo assim com que o processo de limpeza seja mais eficiente, mais rápido e com custos menores do que o padrão.As indicated above, the most commonly used cleaning is RCA standard chemical cleaning which consists of: (i) cleaning with RCA-1 solution (NH4OH + H202 + H20) to remove organic contaminants; (ii) cleaning with RCA-2 solution (HCI + H2O2 + H20) to remove ionic and metallic contaminants. The present invention differs from this, among other technical reasons, by replacing the RCA1 solution with an isotropic chemical attack CP4, thus making the cleaning process more efficient, faster and at lower costs than standard.
Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.From what can be inferred from the researched literature, no documents were found anticipating or suggesting the teachings of the present invention, so that the solution proposed here has novelty and inventive activity in the state of the art.
Sumário da Invenção Em processos de fabricação de células solares são realizadas limpezas químicas superficiais antes dos processos a alta temperatura. A invenção apresenta um método mais eficaz para a limpeza química de lâminas de silício cristalino com texturação, resultando no aumento do gettering químico.SUMMARY OF THE INVENTION In solar cell manufacturing processes surface chemical cleaning is performed prior to high temperature processes. The invention provides a more effective method for chemical cleaning of textured crystalline silicon sheets resulting in increased chemical gettering.
Consequentemente, o aumento do gettering químico, isto é, o aumento do tempo de vida dos portadores minoritários, contribui para o aumento da eficiência de células solares. A limpeza química mais utilizada para a fabricação de células solares é a RCA e é constituída de duas soluções químicas: RCA-1 e RCA-2. Na invenção, a limpeza química é constituída do ataque isotrópico em solução CP4 com ácido acético, seguida da solução RCA-2. O ataque planar não altera a estrutura das micropirâmides nas superfícies das lâminas de silício, pois o tempo de imersão é controlado e curto. A imersão das lâminas de silício na solução CP4 é realizada na temperatura ambiente enquanto que a solução RCA-2 é implementada na temperatura preferencial de 80 °C. Uma das inovações principais da presente invenção está na finalidade do uso (aumento de gettering químico por meio de ataque químico isotrópico nas superfícies das lâminas de silício texturadas, isto é, com micropirâmides na superfície) e na sequência das soluções utilizadas.Consequently, the increase in chemical gettering, that is, the increase in the life span of minority carriers, contributes to the increase in solar cell efficiency. The most commonly used chemical cleaner for solar cell manufacturing is RCA and consists of two chemical solutions: RCA-1 and RCA-2. In the invention, chemical cleaning consists of isotropic attack in CP4 solution with acetic acid, followed by RCA-2 solution. The planar attack does not alter the structure of the micropiramids on the surfaces of the silicon blades because the immersion time is controlled and short. Immersion of the silicon slides in the CP4 solution is performed at room temperature while the RCA-2 solution is implemented at the preferred temperature of 80 ° C. One of the main innovations of the present invention is the purpose of the use (increase of chemical gettering by isotropic chemical attack on the surfaces of textured silicon blades, i.e. with micropiramids on the surface) and following the solutions used.
Na limpeza química proposta pela presente invenção, com o ataque isotrópico da superfície em solução CP4 aumenta-se o gettering químico, sem alterar as micropirâmides, devido ao tempo de imersão controlado, preferencialmente de 10 segundos. Com a sequência de limpeza química proposta, o aumento do tempo de vida dos portadores minoritários é da ordem de 175 %. Com a limpeza RCA (RCA1 + RCA2), o aumento do tempo de vida dos portadores minoritários é da ordem de 15 %. Outra vantagem é a redução no tempo de processamento, preferencialmente da ordem de 9 minutos.In the chemical cleaning proposed by the present invention, the isotropic attack of the surface in CP4 solution increases the chemical gettering, without altering the micropiramids, due to the controlled immersion time, preferably 10 seconds. With the proposed chemical cleaning sequence, the increase in the life of minority carriers is of the order of 175%. With RCA cleaning (RCA1 + RCA2), the increase in the life of minority carriers is around 15%. Another advantage is the reduction in processing time, preferably on the order of 9 minutes.
Os benefícios e vantagens decorrentes do diferencial da invenção são: (i) aumento do gettering químico, sem alterar as micropirâmides previamente formadas, (ii) aumento do tempo de vida dos portadores minoritários da ordem de 175 %, frente ao aumento de 15 % obtido com a solução padrão RCA (RCA1 + RCA2) e (iii) redução no tempo de processamento da ordem de 9 minutos.The benefits and advantages arising from the differential of the invention are: (i) increase in chemical gettering, without altering the previously formed micropiramids, (ii) increase in the life span of minority carriers of the order of 175%, compared to the 15% increase obtained. with RCA standard solution (RCA1 + RCA2) and (iii) reduction in processing time by 9 minutes.
Em uma realização preferencial, o processo da invenção compreende: a) ataque isotrópico rápido em CP4 (solução com ácidos); b) lavagem em água deionizada; c) limpeza com a solução RCA2 e d) lavagem em água deionizada.In a preferred embodiment, the process of the invention comprises: a) rapid isotropic attack on CP4 (acid solution); b) washing in deionized water; c) cleaning with RCA2 solution and d) washing in deionized water.
Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serão descritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir.These and other objects of the invention will be immediately appreciated by those skilled in the art and companies having an interest in the segment, and will be described in sufficient detail for reproduction in the following description.
Descrição Detalhada da Invenção Um dos objetivos principais da invenção é melhorar a etapa de limpeza no processo de fabricação de células solares processadas em lâminas de silício cristalino. Na invenção proposta, com primeiramente o ataque isotrópico da superfície em solução CP4 e em seguida imersão em solução RCA-2, aumenta-se o gettering químico, sem alterar as micropirâmides na superfície das lâminas de silício. Com a sequência de limpezas químicas propostas, o aumento do tempo de vida dos portadores minoritários é da ordem de 175 %. A imersão das lâminas de silício na solução CP4 é realizada na temperatura ambiente durante um tempo preferencialmente de 10 s, sem necessidade de equipamentos com sistema de aquecimento. A imersão das lâminas de silício na solução RCA-2 é realizada em temperatura da ordem de 80 °C. A solução CP4 é constituída de ácido nítrico, ácido acético e ácido fluorídrico e ataca apenas alguns micrometros da superfície exposta, extraindo impurezas superficiais. Com a solução RCA-2, extraem-se impurezas da superfície e cria-se óxido na superfície.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION One of the main objects of the invention is to improve the cleaning step in the process of manufacturing crystalline silicon-processed solar cells. In the proposed invention, with first isotropic attack of the surface in CP4 solution and then immersion in RCA-2 solution, chemical gettering is increased without altering the micropiramides on the surface of the silicon slides. As a result of the proposed chemical cleaning, the minority carriers' lifetime increase is of 175%. The immersion of the silicon slides in the CP4 solution is performed at room temperature for a time preferably of 10 s, without the need for heating system equipment. Immersion of the silicon slides in the RCA-2 solution is performed at a temperature of about 80 ° C. The CP4 solution consists of nitric acid, acetic acid and hydrofluoric acid and attacks only a few micrometres of the exposed surface, extracting surface impurities. With the RCA-2 solution, impurities are extracted from the surface and oxide is created on the surface.
Preferencialmente, o processo da presente invenção compreende: a) ataque isotrópico rápido em solução CP4; b) lavagem em água deionizada; c) limpeza com a solução RCA-2; e d) lavagem em água deionizada.Preferably, the process of the present invention comprises: a) rapid isotropic attack on CP4 solution; b) washing in deionized water; c) cleaning with RCA-2 solution; and d) washing in deionized water.
Ataque isotrópico CP4 De acordo com a presente invenção compreende-se por ataque isotrópico CP4 o tratamento em solução de ácido nítrico, ácido acético e ácido fluorídrico e tem por finalidade a remoção de apenas as primeiras camadas atômicas superficiais na lâmina de silício com superfície com textura. A intenção é criar um óxido e removê-lo, novamente, “limpando” a superfície e extraindo as primeiras camadas contaminadas da lâmina. O ataque em CP4 é utilizado usualmente para lâminas de silício “as cut”, com a finalidade de reduzir a espessura das mesmas, pois é um ataque rápido e inclusive é utilizado para deixar as superfícies do silício lisas, sem rugosidade ou texturas.CP4 isotropic attack According to the present invention, CP4 isotropic attack is the treatment in solution of nitric acid, acetic acid and hydrofluoric acid and is intended to remove only the first surface atomic layers on the textured surface silicon slide . The intention is to create an oxide and remove it again by “cleaning” the surface and extracting the first contaminated layers from the blade. CP4 etching is usually used for as-cut silicon blades to reduce their thickness as it is a quick etching and is even used to make silicon surfaces smooth, without roughness or textures.
Em uma realização preferencial, a mistura compreende 7,7:3,6:1 (HN03.CH3C00H.HF). Em uma realização preferencial, o ataque é realizado na temperatura ambiente por uma faixa de tempo de 5 segundos a 10 segundos. Posteriormente ao ataque, a lâmina é lavada com água deionizada.In a preferred embodiment, the mixture comprises 7.7: 3.6: 1 (HNO3.CH3 COH.HF). In a preferred embodiment, the attack is performed at room temperature for a time range of 5 seconds to 10 seconds. After the attack, the blade is washed with deionized water.
Lavagem em água deionizada Compreende-se por água deionizada a água obtida por processo de osmose reversa e subsequente passagem por filtros de troca iônica para atingir resistividade elétrica de aproximadamente 18,2 MQ.cm. É uma substância pura e é normalmente utilizada em laboratórios e indústrias de alta tecnologia.Deionized Water Washing Deionized water is understood to be water obtained by reverse osmosis process and subsequent passage through ion exchange filters to achieve electrical resistivity of approximately 18.2 MQ.cm. It is a pure substance and is commonly used in high tech industries and laboratories.
Limpeza com a solução RCA-2 De acordo com a presente invenção compreende-se por limpeza química RCA-2 o procedimento de remoção de íons metálicos das lâminas de silício em solução de ácido clorídrico, água oxigenada e água deionizada. No processo oxida-se o silício. A solução química RCA-2 compreende HCI:H202:H20 (água deionizada), preferencialmente na proporção 1:1:5 respectivamente, em uma temperatura preferencialmente de 80 °C, por um tempo de cerca de 10 minutos. Por fim, enxáguam-se as lâminas de silício com água deionizada, a fim de garantir que nenhum resíduo permaneça na superfície da lamina.Cleaning with RCA-2 Solution According to the present invention, chemical cleaning RCA-2 is understood as the procedure for removing metal ions from silicon slides in solution of hydrochloric acid, hydrogen peroxide and deionized water. In the process the silicon is oxidized. The RCA-2 chemical solution comprises HCl: H2 O2: H2 O (deionized water), preferably in the ratio 1: 1: 5 respectively, at a temperature preferably of 80 ° C for a time of about 10 minutes. Finally, rinse the silicon slides with deionized water to ensure that no residue remains on the blade surface.
Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar uma das várias maneiras de se realizar a invenção, contudo, sem limitar o escopo da mesma.The examples shown herein are intended solely to exemplify one of several ways of carrying out the invention, however, without limiting the scope thereof.
Exemplo. Realização Preferencial A presente invenção proporciona um aumento do tempo de vida dos portadores minoritários da ordem de 175%, em contraste com a sequência de limpezas RCA-1 e RCA-2, que proporciona aumento do tempo de vida dos portadores minoritários da ordem de 15%. A presente invenção proporciona também a redução no tempo de processamento da ordem de 9 minutos. A imersão das lâminas de silício na solução CP4 é realizada na temperatura ambiente e a solução RCA-2 é implementada a 80°C, necessitando de um equipamento com sistema de aquecimento.Example. Preferred Embodiment The present invention provides an increase in the lifetime of minority carriers of the order of 175%, in contrast to the RCA-1 and RCA-2 cleaning sequence which provides an increase in the lifetime of minority carriers of the order of 15%. %. The present invention also provides a reduction in processing time of the order of 9 minutes. Immersion of the silicon slides in the CP4 solution is performed at room temperature and the RCA-2 solution is implemented at 80 ° C, requiring equipment with a heating system.
Tendo em vista o objetivo de obter uma superfície limpa em lâminas de silício cristalino texturadas para posterior processamento em alta temperatura (preferencialmente entre 600 °C e 1000 °C), é necessária a remoção de impurezas superficiais. O objetivo desta etapa é apresentar os resultados da avaliação e comparação das limpezas químicas padrão e com modificações com limpezas químicas propostas, inclusive a relativa a esta invenção.In order to obtain a clean surface on textured crystalline silicon sheets for further processing at high temperature (preferably between 600 ° C and 1000 ° C), the removal of surface impurities is required. The aim of this step is to present the results of the evaluation and comparison of standard and modified chemical cleaning with proposed chemical cleaning, including that relating to this invention.
Para os experimentos, utilizaram-se lâminas de silício monocristalino crescido pelo método Czochralski, tipo p (dopado com boro), com resistividade entre 8-14 Q.cm, <100> e texturadas. As lâminas foram clivadas em amostras com tamanho de 20 mm x 20 mm. Para avaliar cada limpeza, foram empregadas 10 amostras.For the experiments, we used monocrystalline silicon slides grown by the Czochralski method, type p (boron doped), with resistivity between 8-14 Q.cm, <100> and textured. The slides were cleaved in samples with a size of 20 mm x 20 mm. To evaluate each cleaning, 10 samples were used.
Foram avaliadas as limpezas mais comuns na fabricação de células solares, citadas anteriormente, para produtos químicos de qualidade para análise (PA). As limpezas utilizadas foram as seguintes: RCA-1 _ NH40H:H202: H20-di (1:1:5) RCA-2 _ HCI:H202: H20-di (1:1:5) Etch-1 _ HN03:HF: H20-di (150:0,5:15) Etch-2 _ HN03:HF: H20-di (15:2:5) CP4_ HN03:CH3C00H:HF (7,7:3,6:1) HF 10 % HF-L1 _ H20-di:HF:HCI (35:15:2) O tempo de vida dos portadores minoritários nas lâminas de silício foi o parâmetro medido para comparar os resultados de cada processo de limpeza.The most common cleaning of solar cells mentioned above for quality chemical analysis (PA) were evaluated. The cleanings used were as follows: RCA-1-NH40H: H202: H2 O-di (1: 1: 5) RCA-2-HCl: H202: H20-di (1: 1: 5) Etch-1-HNO3: HF : H 2 O -d (150: 0.5: 15) Etch-2 HNO 3: HF: H 2 O -d (15: 2: 5) CP 4 HNO 3: CH 3 COH: HF (7,7: 3,6: 1) HF 10 % HF-L1 _ H20-di: HF: HCI (35: 15: 2) The life span of minority carriers on silicon slides was the measured parameter to compare the results of each cleaning process.
As medições foram realizadas antes e após cada processo da seguinte forma: lavagem em água deionizada corrente por 1 minuto e 30 segundos, seguida da remoção de óxido com ataque em ácido fluorídrico (HF 10 %) e lavagem em hhO-di corrente por 30 s. Após estes procedimentos foi medido o tempo de vida dos portadores minoritários, denominado de tempo de vida inicial (τ0). A continuação, as lâminas de silício foram submetidas aos processos de limpeza química como segue: lavagem em H20-di corrente por 30 s, processo de limpeza química, lavagem em H^O-di corrente por 1 minuto e 30 segundos e medição do tempo de vida (Tf). A medição do tempo de vida foi realizada com a lâmina imersa em HF 48 % para passivar a superfície e medir este parâmetro no volume da amostra. Os resultados para as diferentes soluções químicas e combinações de soluções para a limpeza das lâminas de silício são mostrados na Tabela 1.Measurements were performed before and after each process as follows: washing in running deionized water for 1 minute and 30 seconds, followed by removal of hydrofluoric acid etching (10% HF) and washing in running hhO-di for 30 s. . After these procedures, the life span of minority carriers was measured, called initial life span (τ0). Afterwards, the silicon slides were subjected to chemical cleaning processes as follows: H20 -dial wash for 30 s, chemical cleaning process, H20 -dive wash for 1 minute and 30 seconds and time measurement of life (Tf). The lifetime measurement was performed with the 48% HF immersed slide to passivate the surface and measure this parameter in the sample volume. Results for the different chemical solutions and combinations of solutions for cleaning the silicon slides are shown in Table 1.
Constatou-se que a remoção ou permanência do óxido após os processos RCA praticamente não influenciou o tempo de vida dos portadores minoritários. Uma hipótese para os resultados encontrados é que após o ataque em HF a amostra torna-se hidrofóbica e isto faz com que a adesão de partículas seja aumentada na superfície exposta. Por exemplo, estando, por algum motivo, a concentração metálica acima de um dado valor máximo na solução, haverá novamente contaminação superficial e conseqüente degradação no tempo de vida. Isso vale para os casos nos quais haverá um passo térmico posterior, pois as impurezas depositadas no óxido, em sua grande maioria, poderão penetrar no volume e causar uma degradação no tempo de vida dos minoritários durante os processos de alta temperatura. Os bons resultados obtidos estão baseados na remoção das camadas mais externas, contaminadas, de forma a apresentar uma nova superfície limpa e oxidada. Isso é possível pela ação da solução HNO3/HF. Neste tipo de ataque a superfície oxidada e as impurezas aderidas no óxido são removidos pelo HF, que dissolve o S1O2 existente, deixando uma superfície limpa. Ο HNO3 serve como agente oxidante de íons livres presentes, dificultando uma ligação destes com o silício. A solução etch-back 1 revela um aumento do tempo de vida dos portadores que tende a crescer com o tempo de imersão das amostras na solução. O melhor resultado neste caso ocorre com o uso da solução etch-back 2, com um aumento no valor do tempo de vida dos minoritários superior a 100 %. Para a solução etch-back 2, combinada com HF-L1, não se observa um melhor resultado no valor do tempo de vida dos portadores minoritários.It was found that the removal or permanence of oxide after the RCA processes practically did not influence the life span of minority carriers. One hypothesis for the results is that after the HF attack the sample becomes hydrophobic and this causes particle adhesion to be increased on the exposed surface. For example, if for some reason the metal concentration exceeds a given maximum value in the solution, there will again be surface contamination and consequent degradation in the lifetime. This is true for cases where there will be a subsequent thermal step, as most of the impurities deposited in the oxide may penetrate the volume and cause a degradation in the life of minorities during high temperature processes. The good results obtained are based on the removal of the outer contaminated layers to present a new clean and oxidized surface. This is made possible by the action of the HNO3 / HF solution. In this type of attack the oxidized surface and impurities adhered to the oxide are removed by HF, which dissolves the existing S1O2, leaving a clean surface. NO HNO3 serves as an oxidizing agent for free ions present, making it difficult to bond them with silicon. The etch-back solution 1 reveals an increase in carrier life that tends to grow with the immersion time of the samples in the solution. The best result in this case is with the etch-back 2 solution, with an increase in the lifetime value of minority shareholders of over 100%. For the etch-back 2 solution, combined with HF-L1, there is no better result in the lifetime value of minority carriers.
Um aumento significativo do tempo de vida dos portadores minoritários final foi obtido com a imersão das amostras em CP4 por 10 s. Um ataque com ácido fluorídrico após o CP4 (processo L) demonstrou uma melhora significativa com aumento de 70%, resultado que o HF apenas (processo O) não apresentou. O emprego da RCA-1 ou HF, após o CP4, resulta em um aumento do tempo de vida dos portadores superior a 130 %, com valor final da ordem de 80 ps. O melhor resultado ocorreu quando se utilizou a RCA-2 durante 10 minutos após o ataque CP4 durante 10 s. Neste caso, o tempo de vida médio dos minoritários final foi, em média, de 100 ps, com um aumento de 175%.A significant increase in the life of the final minority carriers was obtained by immersing the samples in CP4 for 10 s. An attack with hydrofluoric acid after CP4 (process L) showed a significant improvement with a 70% increase, a result that HF alone (process O) did not show. The use of RCA-1 or HF, after CP4, results in an increase of the lifetime of the carriers over 130%, with a final value of around 80 ps. The best result was when RCA-2 was used for 10 minutes after the CP4 attack for 10 sec. In this case, the average lifetime of the final minority shareholders averaged 100 ps, with an increase of 175%.
De forma a validar o procedimento de limpeza baseado em leve remoção superficial é necessário que as características da lâmina texturada sejam mantidas, ou pelo menos, tenha pouca modificação. Então, foram realizados testes para avaliar a estrutura piramidal e a reflexão média da amostra, visto que os processos de limpeza são isotrópicos e com alta capacidade de ataque.In order to validate the cleaning procedure based on slight surface removal it is necessary that the characteristics of the textured blade be maintained, or at least have little modification. Then, tests were performed to evaluate the pyramidal structure and the average reflection of the sample, since the cleaning processes are isotropic and with high attack capacity.
Conforme comentado anteriormente, verificou-se que em todos os processos os melhores resultados corresponderam às limpezas químicas CP4 + RCA-2 e etch-back 2, e optou-se por submeter uma amostra para cada um dos processos. Como referência empregou-se uma amostra submetida à limpeza padrão RCA completa. Mediu-se a refletância espectral com o espectrofotômetro Lambda 950, da Perkin Elmer, de 400 nm a 1050 nm, em cinco pontos das três amostras antes de realizar as limpezas e calculou-se a refletância média e o desvio padrão. O equipamento possui uma esfera integradora que é capaz de medir a refletância difusa oriunda da superfície irregular das amostras. Após os processos de limpeza, novamente mediu-se a refletância e avaliou-se a superfície no microscópio eletrônico de varredura (MEV), com visão superior e lateral da camada texturada. Um filme antirreflexo de Ti02 foi depositado sobre as lâminas e mediu-se novamente a refletância.As previously mentioned, it was found that in all processes the best results corresponded to the chemical cleaning CP4 + RCA-2 and etch-back 2, and it was decided to submit a sample for each process. As a reference, a sample subjected to complete RCA standard cleaning was employed. Spectral reflectance was measured with the Perkin Elmer Lambda 950 spectrophotometer from 400 nm to 1050 nm at five points of the three samples prior to cleaning and the average reflectance and standard deviation were calculated. The equipment has an integrating sphere that is able to measure diffuse reflectance from the uneven surface of the samples. After cleaning processes, the reflectance was again measured and the surface was evaluated in the scanning electron microscope (SEM), with superior and lateral view of the textured layer. An anti-reflective Ti02 film was deposited on the slides and the reflectance was measured again.
Na Tabela 2 apresentam-se os resultados. Inicialmente, os valores de refletância são similares para todas as amostras, mas após a aplicação da limpeza verificou-se um maior aumento da refletância após a limpeza etch 2.Table 2 presents the results. Initially, the reflectance values are similar for all samples, but after the application of cleaning there was a greater increase in reflectance after etch cleaning 2.
Também ocorreu um pequeno aumento após a limpeza CP4 + RCA-2. A amostra de referência foi medida antes e depois das limpezas para assegurar a repetibilidade do equipamento utilizado. Verificou-se claramente a impossibilidade de utilização da limpeza etch 2, pois esta dobra a refletância inicial da lâmina, fazendo com que mesmo após a deposição do filme antirreflexo, a refletância seja elevada. A superfície texturada das lâminas de silício foi atacada, principalmente na base das micropirâmides. Para a limpeza CP4 + RCA2 observou-se um pequeno incremento de 2,1 %, resultando numa diferença de apenas 0,6 % após a deposição do filme antirreflexo.There was also a slight increase after CP4 + RCA-2 cleaning. The reference sample was measured before and after cleaning to ensure repeatability of the equipment used. It was clearly verified the impossibility of using etch 2 cleaning, because it doubles the initial reflectance of the blade, making even after the deposition of the anti-reflective film, the reflectance is high. The textured surface of the silicon blades was attacked, mainly at the base of the micropiramids. For cleaning CP4 + RCA2 a small increase of 2.1% was observed, resulting in a difference of only 0.6% after the deposition of the anti-reflective film.
Tabela 2. Refletância média inicial após o processo de texturação (pmiciai). após a limpeza química (pumpeza) e após a deposição do filme antirreflexo (pumpeza- ar)· Concluiu-se que o processo de limpeza com a sequência CP4 + RCA- 2 resultou em um aumento significativo no tempo de vida dos minoritários, produzindo getteríng químico e que produz somente um pequeno aumento na refletância após a deposição do filme antirreflexo, podendo ser utilizado na fabricação de células solares.Table 2. Initial average reflectance after texturing process (pmiciai). after chemical cleaning (pumpeza) and after the deposition of the anti-reflective film (pumpeza-ar) · It was concluded that the cleaning process with the sequence CP4 + RCA-2 resulted in a significant increase in the minority life span, producing gettering. It produces only a small increase in reflectance after the deposition of the anti-reflective film and can be used in the manufacture of solar cells.
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