BR102018008576A2 - processo de difusão de dopante tipo p e tipo n em lâminas de silício na mesma etapa térmica - Google Patents

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Abstract

processo de difusão de dopante tipo p e tipo n em lâminas de silício na mesma etapa térmica. a presente invenção apresenta um processo de difusão de dopantes para produção de células solares com a difusão de dopante p+ (boro, alumínio, gálio, etc.) e difusão de fósforo em lâminas de silício cristalino e recozimento na mesma etapa térmica, para diminuir as etapas e tempo de fabricação de células solares e, consequentemente, reduzir o custo de produção. a presente invenção se situa nos campos de dispositivos de conversão de energia solar, mais especificamente refere-se a células solares.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção
Processo de Difusão de Dopante Tipo P e Tipo N em Lâminas de
Silício na Mesma Etapa Térmica
Campo da Invenção [0001] A presente invenção apresenta um processo de produção de células solares monofaciais e bifaciais em lâminas de silício cristalino com difusão de dopante p+ (boro, alumínio, gálio, etc.), difusão de fósforo, e recozimento na mesma etapa térmica. A presente invenção se situa nos campos de dispositivos de conversão de energia solar, mais especificamente refere-se a células solares.
Antecedentes da Invenção [0002] A tecnologia padrão da indústria atual de células solares com estrutura n+pp+ está baseada na difusão de fósforo na face frontal (emissor) com POCl3 e na formação do campo retrodifusor (a região p+) com pasta de alumínio e difusão em forno de esteira. Esta célula solar apresenta abaulamento e pode quebrar durante a soldagem ou encapsulamento para formar o módulo fotovoltaico. outro tipo de dopante para formar a região p+ (emissor na estrutura p+nn+ ou campo retrodifusor na estrutura n+pp+) é o boro, que produz regiões p+ de melhor qualidade, que podem ser passivadas e são transparentes à radiação solar, sendo necessária esta característica em células solares bifaciais, fato que não ocorre quando o alumínio é usado como dopante. Em células solares com emissor frontal p+ com estrutura p+nn+, usase boro como dopante p+ porque esta região permanece transparente à radiação solar após o processo de difusão, fato que não ocorre quando o alumínio é usado como dopante. Em células solares n+pp+, o campo retrodifusor também pode ser formado pela difusão de boro e possibilita a passivação da superfície. A difusão de boro padrão é realizada em forno com tubo de quartzo com o dopante BBr3. Neste caso, para evitar a entrada de boro em ambas as faces da célula solar, é necessária a realização de oxidação,
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2/9 deposição de resina em uma face e ataque do óxido (com ácido fluorídrico tamponado) na face sem resina, isto é, na face em que será difundido o boro. Para proteger a face com boro da difusão de fósforo, outra oxidação é realizada, seguida de deposição de resina e ataque do óxido na face em que será depositado fósforo. A difusão do dopante tipo p, boro ou alumínio, pode ser realizada pela deposição por spin-on do líquido que contém o dopante e, após a secagem, a difusão de boro ou alumínio pode ser implementada em forno convencional. Com o uso desta técnica, também são necessários processos de oxidação para evitar a difusão do dopante na outra face da lâmina de silício.
[0003] Na busca pelo estado da técnica em literaturas científica e patentária, foram encontrados os seguintes documentos que tratam sobre o tema:
[0004] O documento patentário WO 2005076960 apresenta um método para produção de células solares de silício cristalino com contatos somente na face posterior, evitando a malha metálica na face frontal, reduzindo a reflexão da radiação solar na face frontal. Diferentemente da presente invenção, descreve que há maior concentração do dopante no contato e a célula solar necessita ser perfurada, formando buracos na mesma. É citada a difusão de fósforo e de boro em etapas independentes, além de oxidações.
[0005] Recart et al. em Large Area Thin BSF Solar Cells With Simultaneously Diffused Boron and Phosphorus Screen Printed Emitters revela um método de fabricação de células solares finas (105 pm), onde foi alcançada a eficiência de 11,6 %. A difusão de dopantes é realizada a partir da deposição por serigrafia de pastas contendo os dopantes fósforo e boro e a queima é realizada simultaneamente na mesma temperatura. É mencionada a técnica “co-firing” como o processo de queima das pastas com os dopantes em forno de esteira ao mesmo tempo que são realizadas as difusões. Entretanto, diferentemente a presente invenção está focada na deposição dos dopantes
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3/9 por spin-on e a difusão de ambos dopantes na mesma etapa térmica em forno com tubo de quartzo em diferentes temperaturas, além de um recozimento. [0006] O documento WO 2009064183 revela um método de fabricação de células solares de silício cristalino, compreendendo as etapas de prédifusão de fósforo na lâmina de silício, extração de silicatos de fósforo e ataque químico de uma das faces em solução com HNO3 e HF para remoção da camada tipo n e difusão de boro com a colocação das lâminas com a face dopada com fósforo de forma justapostas no forno de difusão para reduzir a entrada de boro na face previamente dopada com fósforo. Nesse processo térmico, o fósforo também continua sendo difundido. Diferentemente da presente invenção, para obter as regiões p+ e n+ de uma célula solar, dois passos térmicos de alta temperatura são realizados bem como um processo de extração da região n+ de uma face por ataque químico baseado em HNO3 e HF. [0007] Assim, 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.
Sumário da Invenção [0008] Dessa forma, a presente invenção tem por objetivo resolver os problemas constantes no estado da técnica a partir de um processo que permite que seja realizada, na mesma etapa térmica, a difusão de dopante p+, a difusão de fósforo, e o recozimento em lâminas de silício cristalino. O processo é realizado em um forno convencional com tubo de quartzo, por meio do controle dos gases oxigênio e nitrogênio, da temperatura e do tempo de processamento.
[0009] A presente invenção apresenta como vantagem a difusão dos dopantes nas lâminas de silício e o recozimento na mesma etapa térmica, reduzindo as etapas e o tempo do processamento, assim como reduzindo o uso de produtos químicos, diminuindo assim o custo de produção do processo de fabricação de células solares monofaciais e bifaciais.
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4/9 [0010] Em um objeto, a presente invenção apresenta um processo de difusão de dopante tipo p e tipo n em lâminas de silício na mesma etapa térmica, compreendendo as etapas:
etapa a, anterior a etapa térmica:
a1) deposição de dopante líquido tipo p pela técnica de spin-on em uma face da lâmina de silício;
etapa b, etapa térmica:
b1) difusão do dopante tipo p em forno de quartzo a alta temperatura;
b2) difusão do dopante tipo n a partir de fonte líquida ou gasosa a alta temperatura e b3) recozimento das lâminas de silício (annealing).
[0011] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta uma célula solar, obtida conforme o processo aqui definido.
[0012] Em um terceiro objeto, a presente invenção apresenta o uso de célula solar para produção de energia elétrica a partir da exposição da célula à radiação solar.
[0013] 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.
Breve Descrição das Figuras [0014] É apresentada a seguinte figura:
[0015] A Figura 1 mostra a comparação do (a) fluxograma do processo de fabricação de células solares convencional com o (b) fluxograma do processo com redução de etapas em alta temperatura e tratamento químico.
Descrição Detalhada da Invenção [0016] A Figura 1 apresenta dois diagramas de processos de fabricação de células solares: um convencional e o outro com a difusão de dopante tipo p e tipo n em lâminas de silício e recozimento na mesma etapa térmica. A etapa inicial de ambos os processos é o ataque anisotrópico ou texturação das
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5/9 superfícies das lâminas de silício com o objetivo de reduzir a reflexão da radiação solar. Depois da texturação, realiza-se uma limpeza química RCA (HCl:H2O2:H2O) para retirar contaminantes e deposita-se o dopante tipo p (boro, alumínio, gálio, etc.) por spin-on. Após a secagem, as lâminas são introduzidas em forno com tubo de quartzo e realiza-se o processo de difusão do dopante tipo p em alta temperatura (800 °C a 1100 °C). No processo de difusão convencional, representado na Figura 1a, após a difusão de boro, as lâminas são retiradas do forno, passam por limpeza química e são introduzidas novamente em um forno de quartzo para oxidação das superfícies em alta temperatura (800 °C a 1100 °C). A camada de óxido de silício formada terá a função de proteger a face dopada com elemento tipo p durante o seguinte processo de difusão do dopante tipo n. No processo convencional, as lâminas de silício passam por mais um processo de ataque de óxido com HF e limpeza química e são introduzidas em forno de tubo de quartzo para realização da difusão de fósforo (dopante tipo n) em alta temperatura, utilizando o POCl3 como fonte e, então, é realizado o recozimento. No processo de difusão proposto, representado na Figura 1b, a difusão de fósforo é realizada pelo método padrão da indústria com POCl3 na mesma etapa térmica que a difusão do dopante tipo p (boro, alumínio, gálio, etc). Na mesma etapa térmica, após a difusão dos dopantes, é realizado o recozimento no forno convencional com tubo de quartzo. Portanto, conforme mostra a Figura 1, seis etapas do processo não são realizadas ou são evitadas com a presente invenção. Com o controle dos gases oxigênio e nitrogênio, da temperatura e do tempo de processamento para cada etapa desenvolveu-se um processo no qual, a difusão do dopante tipo p (boro, alumínio, gálio, etc), a difusão de fósforo e o recozimento são realizados na mesma etapa térmica. Desta forma, evitam-se as oxidações (que podem degradar a lâmina de silício), limpezas químicas em ácido fluorídrico e RCA e tempo de processamento, reduzindo o custo de produção, principalmente de células solares de silício cristalino monofaciais ou bifaciais. Especificamente, deposita-se o dopante tipo p em uma das faces da
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6/9 lâmina de silício e após a inserção das lâminas no forno, primeiramente realizase a difusão do dopante tipo p, seguida da difusão de fósforo e recozimento. Na difusão do dopante tipo p forma-se um silicato que protege a face com o dopante tipo p da difusão de fósforo a partir de POCl3. A difusão de ambos dopantes e recozimento na mesma etapa térmica, foi otimizada experimentalmente. Conforme a Figura 1, após a difusão de boro e fósforo e recozimento, realiza-se a remoção dos silicatos de boro e fósforo e limpeza química. Depois da limpeza, pode-se realizar ou não a passivação das superfícies (opcional) e deposita-se o filme antirreflexo (AR). O contato elétrico em forma de malha é depositado por serigrafia em ambas as faces das lâminas de silício e realiza-se um processo térmico de queima das pastas metálicas de Ag, Ag/Al ou Al. Nesta etapa térmica a malha metálica perfura o filme AR, estabelecendo o contato elétrico entre metal e semicondutor. A última etapa do processo é o isolamento de bordas, quando um feixe laser cria um sulco na borda das células solares. Foram produzidas células solares com difusão de boro com eficiência de 16,1 %. Salienta-se que este processo é um processo industrial, facilmente transferido para a indústria atual.
[0017] Em um primeiro objeto, a presente invenção apresenta um processo de difusão de dopante tipo p e tipo n em lâminas de silício e recozimento na mesma etapa térmica, compreendendo as etapas: etapa a, anterior a etapa térmica:
a1) deposição de dopante líquido tipo p pela técnica de spin-on em uma face da lâmina de silício;
etapa b, etapa térmica:
b1) difusão do dopante tipo p em forno de alta temperatura;
b2) difusão do dopante tipo n a partir de fonte líquida ou gasosa a alta temperatura;
b3) recozimento das lâminas de silício (annealing).
[0018] Em uma concretização, as etapas b1 a b3 são realizadas em temperatura entre 800 °C e 1100 °C.
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7/9 [0019] Em uma concretização, as etapas bl a b3 são realizadas em um tempo entre 10 min a 90 minutos.
[0020] Em uma concretização, a etapa b1 é realizada no tempo de 20 min e temperatura de 950 °C.
[0021] Em uma concretização, a etapa b2 é realizada no tempo de 50 min e temperatura foi 845 °C.
[0022] Em uma concretização, a etapa b3 é realizada no tempo de 20 min e temperatura de 845 °C.
[0023] Em uma concretização, os gases utilizados nas etapas b1 a b3 são nitrogênio e/ou oxigênio.
[0024] Em uma concretização, a etapa b1 é realizada na presença de nitrogênio e oxigênio, sendo o oxigênio na proporção de 5 % a 50 %.
[0025] Em uma concretização, a etapa b2 é realizada na presença de nitrogênio, oxigênio e vapor de POCl3, sendo o oxigênio na proporção de 1 % a 20 % e o vapor de POCl3 na proporção de 0,1 % a 0,3 %.
[0026] Em uma concretização, a etapa b3 é realizada na presença de nitrogênio e oxigênio, sendo o oxigênio na proporção de 5 % a 50 %.
[0027] Em uma concretização, o dopante tipo p é boro, alumínio ou gálio ou outra impureza tipo p.
[0028] Em uma concretização, o dopante tipo n é fósforo.
[0029] Em uma concretização, a etapa térmica é realizada em um forno convencional com tubo de quartzo.
[0030] Em um segundo objeto, a presente invenção apresenta uma célula solar, obtida conforme o processo aqui definido.
[0031] Em um terceiro objeto, a presente invenção apresenta o uso de célula solar para produção de energia elétrica a partir da exposição da célula à radiação solar.
Exemplos - concretizações [0032] Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar uma das inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo
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8/9 sem limitar, o escopo da mesma. O processo para fabricação de células solares em lâminas de silício crescido pela técnica Czochralski (Si-Cz) está esquematizado na Figura 1. Inicialmente, as lâminas de silício foram texturadas em uma solução de KOH e álcool isopropílico. Na sequência, as lâminas de SiCz foram submetidas à limpeza química RCA. Após a preparação das superfícies da lâmina, o líquido contendo boro PBF20, da Filmtronics, foi depositado por spin-on e, após a secagem, as lâminas foram introduzidas no forno com tubo de quartzo para a difusão de boro que formou o campo retrodifusor p+. Na mesma etapa térmica, foi realizada a difusão de fósforo e o recozimento. Para realizar a oxidação seca para passivar as duas superfícies da lâmina de Si, foi necessário atacar os silicatos de boro e de fósforo formados durante as difusões e foi realizada mais uma limpeza química RCA. Depois da oxidação para passivação, o filme antirreflexo de TiO2 com espessura de 60 nm foi depositado na face frontal por evaporação com feixe de elétrons. O último passo foi a deposição dos contatos elétricos por serigrafia. Para formar a malha metálica na face frontal, utilizou-se a pasta de prata PV17F, da Dupont. Na face posterior, formou-se também uma malha metálica com a pasta de alumínio PV381, da Dupont. Após a secagem das pastas metálicas no forno de esteira, foi implementado o processo de queima das pastas em uma única etapa térmica e realizado o isolamento das bordas com radiação laser. As células solares fabricadas foram caracterizadas por meio da medição da corrente elétrica em função da tensão aplicada (curva I-V) com auxílio de um simulador solar, sob condições padrão de medição: temperatura da célula solar de 25 °C, irradiância de 1000 W/m2 e espectro AM1,5G. Para otimizar o processo variou-se a temperatura (de 845 °C a 980 °C) e o tempo (de 5 minutos a 50 minutos) de difusão de boro no forno com tubo de quartzo, a temperatura (de 840 °C a 990 °C) e a velocidade da esteira (de 150 cm/min a 320 cm/min) do processo de queima das pastas metálicas no forno de esteira bem como avaliou-se a influência das pastas de metalização de alumínio (PV381), de alumínio e prata (PV3N1) e de alumínio e prata (PV51G) para
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9/9 formar a malha metálica na face posterior das células solares. Após a otimização destas etapas, foram fabricadas células solares com eficiência de até 16,1 % para a temperatura de difusão de boro de 950 °C, durante 20 minutos, difusão de fósforo na temperatura de 845 °C durante 50 minutos e recozimento na mesma temperatura durante 20 minutos. A malha metálica na face posterior foi formada com a pasta de alumínio PV381. A temperatura e a velocidade de esteira no processo de queima das pastas metálicas foi de 860 °C e de 300 cm/min, respectivamente.

Claims (15)

  1. Reivindicações
    1. Processo de difusão de dopante tipo p e tipo n em lâminas de silício e recozimento caracterizado por ser na mesma etapa térmica, por compreendendo as etapas:
    - etapa a, anterior a etapa térmica:
    a1) deposição de dopante líquido tipo p pela técnica de spin-on em uma face da lâmina de silício;
    - etapa b, etapa térmica:
    b1) difusão do dopante tipo p em forno de alta temperatura;
    b2) difusão do dopante tipo n a partir de fonte líquida ou gasosa a alta temperatura e b3) recozimento das lâminas de silício (annealing).
  2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelas etapas b1 a b3 serem realizadas em temperatura entre 800 °C e 1100 °C.
  3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado pelas etapas b1 a b3 serem realizadas em um tempo entre 10 min a 90 minutos.
  4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado pelo fato da etapa b1 ser realizada no tempo de 20 min e temperatura de 950 °C.
  5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado pelo fato da etapa b2 ser realizada no tempo de 50 min e temperatura de 845 °C.
  6. 6. Processo de acordo com a reivindicação 3 caracterizado pelo fato da etapa b3 ser realizada no tempo de 20 min e temperatura de 845 °C.
  7. 7. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos gases utilizados nas etapas b1 a b3 serem nitrogênio e oxigênio.
  8. 8. Processo de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelo fato da etapa b1 ser realizada na presença de nitrogênio e oxigênio, sendo o oxigênio na proporção de 5 % a 50 %.
  9. 9. Processo de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelo fato da etapa b2 ser realizada na presença de nitrogênio, oxigênio e vapor de POCl3,
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    2/2 sendo o oxigênio na proporção de 1 % a 20 % e o vapor de POCl3 na proporção de 0,1 % a 0,3 %.
  10. 10. Processo de acordo com a reivindicação 7 caracterizado pelo fato da etapa b3 ser realizada na presença de nitrogênio e oxigênio, sendo o oxigênio na proporção de 5 % a 50 %.
  11. 11. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dopante tipo p ser boro, alumínio ou gálio.
  12. 12. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dopante tipo n ser fósforo.
  13. 13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pela etapa térmica ser realizada em um forno convencional com tubo de quartzo.
  14. 14. Célula solar, caracterizada por ser obtida conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13.
  15. 15. Uso de célula solar obtida conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado por ser na produção de energia elétrica a partir da exposição da célula à radiação solar.
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