PT1706908E - Processo de produção para células solares empilhadas compreendendo camadas de silício micro cristalino - Google Patents
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Description
DESCRIÇÃO
PROCESSO DE PRODUÇÃO PARA CÉLULAS SOLARES DE SILÍCIO EMPILHADAS COMPREENDENDO CAMADAS DE SILÍCIO MICROCRISTALINO O invento refere-se a um processo para produção de células solares microcristalinas de silício (pc-Si), principalmente de (pc-Si:H)p-i-n, bem como a células solares empilhadas de (a-Si:H) amorfo e silício microcristalino numa estrutura p-i-n/p-i-n. 0 invento refere-se, também a um dispositivo para execução do processo de produção.
Situação da Técnica
Segundo a actual situação da Técnica as células solares pc-Si:H, bem como as células solares a-Si:H/pc-si:H são produzidas, normalmente, em instalações multi-câmaras de plasma CVD. A vantagem neste processo PECVD (=plasma enhanced Chemical vapor deposition) é ser evitada regularmente uma contaminação da camada de absorção intrínseca (camada i) através de arrastamento de boro de paredes do reactor e da superfície de eléctrodo da camada p antes produzida. Os processos multi-câmaras são desvantajosos em perda de tempo, logo de custo intensivo. A produção em processos de câmara simples pode, em princípio, ser concretizada, embora estes tenham, em regra, sido executados até agora só com métodos dispendiosos, como por exemplo, com um tratamento de plasma ou com a separação intervalada dos substratos a revestir. Estes métodos de produção foram, até ao presente, pouco apropriados para uma produção industrial. 1
Os processos de câmara simples, que podem prescindir destes processos dispendiosos são conhecidos há muito para produção de células solares amorfas [1]. Em EP 1 041 646 AI é conhecida a estrutura p-i-n microcristalina de uma célula solar produzida num processo de câmara simples. Para produção de células solares pc-si:H são, em contrapartida, necessárias diluições de hidrogénio muito elevadas que se verificaram como especialmente criticas relativamente à problemática de arrastamento. Os plasmas H2 são normalmente muito reactivos e apresentam caracteristicas corrosivas [2]. A produção de células solares pc-Si:H pelo processo de câmara simples foi apresentada em 2003 na "World Conference of Photovoltaic Energy Conversion" em Osaka, Japão. Ali foi publicado que num reactor de câmara simples comercial, que até agora tinha sido utilizado para produção de módulos solares a-Si:H, a partir de agora foram produzidas células solares pc-Si:H pelo processo de câmara simples [3]. Como parâmetros do processo foram referidos a utilização de um substrato Sn02, deposição RF-PECVD a 13,56 MHz e silano altamente diluido com hidrogénio como gás de reacção. Foi aplicado um eléctrodo 12"xl5" para revestimento simultâneo de respectivamente quatro substratos 12"xl5". Do revestimento simultâneo foi possível com vantagem compensar a taxa de crescimento muito lenta para o silício pc. A temperatura do substrato situava-se em 200°C. Para controlo de qualidade das camadas produzidas foram medidas as curvas de tensão do fluxo luminoso (I-V), as curvas de tensão da corrente de obscuridade (I-V) espectral (QE) . Foi conseguido um rendimento de ca. 5% numa superfície de 0,146 cm2. Como origem para inomogeneidades extremas foi referida uma insuficiente distribuição de gás na utilização de potências HF mais elevadas. 2 A actual situação da Técnica para células solares pc-Si:H, bem como elas presentemente podem ser produzidas pelo processo de multi-câmaras, está muito longe de concretização nos processos de câmara simples antes referidos, no que se refere ao rendimento e homogeneidade conseguidos.
Objectivo e solução 0 objectivo do invento é disponibilizar um processo simples de custos aceitáveis e apropriado para aplicação industrial na produção de células solares empilhadas com camadas pc-Si:H. 0 objectivo do invento será alcançado com um processo com a globalidade das caracteristicas em conformidade com a reivindicação principal. Formas de execução vantajosas localizam-se nas reivindicações secundárias.
Objecto do invento 0 processo de acordo com o invento para produção de células solares empilhadas completo num processo de câmara simples provoca, principalmente, deposições homogéneas de grande superfície, que se reflectem claramente em rendimentos particularmente mais elevados, do que até agora foram conseguidos com processos de câmara simples. 0 processo vence também o problema da desvantajosa contaminação de boro nas camadas intrínsecas de silício pc.
Poderia mostrar-se que por meio de PECVD a 13,56 MHz, podem ser produzidas superfícies homogéneas pc-Si:H até 30x30 cm2 e que com isto se conseguem rendimentos elevados em células solares de camadas finas. O regime de deposição é caracterizado pela utilização de uma elevada pressão de 3
Esta combinação é deposição e elevadas potências HF. responsável por elevados níveis de deposição, simultaneamente, com boa qualidade de material. 0 processo de câmara simples de acordo com o invento baseia-se neste método. 0 processo para produção de camadas homogéneas de silício pc sobre um substrato, principalmente para as camadas i e p para uma célula solar com o auxílio de plasma CVD a 13,56 MHz é executado num regime de deposição, o qual pode ser caracterizado através dos parâmetros apresentados a seguir. Adicionalmente é apresentada uma área de janela de processo, a qual é válida como especialmente apropriada para a situação actual da ciência. Esta janela de processo pode também ser ampliada, por exemplo, se forem preferidas frequências mais elevadas para deposição. Para este caso a janela de processo ampliar-se-ia, se necessário, para pressões inferiores, bem como para maiores concentrações de silano.
Parâmetros de processo para a camada de absorvedor pc-Si:H (camada i):
Parâmetros Processo multi- câmaras conhecido Exemplo de execução para processo de câmara simples Janela aceite de processo para processo de câmara simples Distância de eléctrodos 10 mm 12,5 mm 5 até 15 mm Distribuição de gás Cabeça de chuveiro, 9 mm de trama, 3 fases distribuição de gás Cabeça de chuveiro, 9 mm de trama, 3 fases distribuição de gás Cabeça de chuveiro, trama < distância de eléctrodos Fluxo de gás H2 2,4 sccm/cm2 (24 1,4 sccm/cm2 (14 >0,3sccm/cm2 (>3 4 sim/m2 ) sim/m2) sim/m2 para homogeneidade Fluxo de gás SiH4 0,02 sccm/cm2 (0,2 sim/m2) 0,02 sccm/cm2 (0,2 sim/m2 ) 0,01-3 sccm/cm2 (0,1— 3 0 sim/m2 ) Pressão do processo 13 hPa 10,4 hPa 3 até 50 hPa Temperatura do substrato 150°C 150 °C 50 - 220°C Potência HF 0,35 W/cm2 0,35 W/cm2 0,2-2 W/cm2
Parâmetros do processo para a camada p pc-Si:H A camada p pc-Si será produzida análoga à camada i num regime de deposição sob utilização de elevada pressão de deposição e elevada potência HF. A concentração de silano terá uma regulação inferior em comparação com a camada i e comporta, por exemplo, 0,004 scc/cm2 (0,04 sim/m2 ) e 1,43 sccm/cm2 H2 (14,3 sim/m2 ) .
No processo de acordo com o invento é, normalmente, processada uma frequência de excitação de plasma de 13,56 MHz, embora sejam possíveis outras frequências de excitação, em especial mais elevadas, como por exemplo, 27 ou 40,5MHz (n-vezes 13,56 MHz).
Opcionalmente podem também ser aplicadas camadas adicionais na produção de células solares com camadas de silício microcristalinas. A utilização de uma camada adicional com diluição de H2 mais elevada na superfície limite de p/i provoca com vantagem mais uma redução na problemática de arrastamento. 5
Parâmetros de processo para uma camada suplementar opcional de pc-Si:H: Uma camada pc-Si:H apropriada pode ser produzida como a camada p pc-Si:H e a camada i num regime de deposição sob utilização de elevada pressão de deposição e elevada potência HF. A concentração de silano ou o fluxo de silano é regulada, neste caso, tão elevada como para a camada p pc-Si:H, embora a camada adicional seja intrínseca, o que significa que seja depositada sem a adição de gás dopante. 0 modo de actuação de uma célula solar é em regra tanto melhor, quanto mais nítida for a transição da camada p para a camada i, ou seja a área em que têm lugar as recombinações. Normalmente na deposição da camada i para uma camada P altamente dopada verificam-se arrastamentos, onde o boro penetra na camada i. Constatou-se que também pode ser vantajoso, primeiro uma camada adicional pouco dopada de 5 até 100 nm, na qual se verifica uma fraca dopagem de boro na ordem de l*10i7 até l*10ie átomos/cm3, ser aplicada na camada p altamente dopada e só depois depositar a camada i. Assim, os arrastamentos de boro são, com vantagem, claramente mais reduzidos e a formada sequência de camadas é, em regra, reprodutível. O dispositivo adequado para execução do processo de acordo com o invento apresenta, para além de um equipamento PECVD habitual, um eléctrodo de cabeça de duche optimizado, que é responsável por uma distribuição homogénea de gás e sua condução, assim como, para acoplamento da potência HF. Com isto são possíveis principalmente revestimentos homogéneos de grandes superfícies. As fases de distribuição são determinadas pelos valores de condutância no regime de deposição.
Parte de descrição especial 6
Seguidamente será descrito mais pormenorizadamente o objecto do invento com o auxilio de Figuras e exemplos de execução, sem gue com isso seja limitado o objecto do invento.
Foram produzidos módulos de células solares pc-Si:H com um rendimento de até 7,7% com uma superfície de abertura (superfície efectiva aplicada) de 64 cm2 e módulos αεί :H/pc-Si:H com rendimentos até 10,6% com uma superfície de abertura de, igualmente 64 cm2 com o processo de câmara simples. Estes valores correspondem à situação da Técnica, como ela é indicada para processos conhecidos de multi-câmaras. Os parâmetros para o processo de câmara simples de acordo com o invento podem ser obtidos da tabela anterior. Como substrato foi aplicado ZnO texturado. A quota de deposição comportou cerca de 30 nm/min. As espessuras das camadas Si comportavam menos de 2 pm. Como contacto foi aplicado ZnO/Ag. Para controlo da potência das células solares produzidas foi efectuada a medição (STC) normalizada (AM 1,5, 100mW/cm2, 25°C). O processo de câmara simples de acordo com o invento é, assim, especialmente adequado para produção industrial de células solares para grandes superfícies. Um escalonamento elevado do processo para tamanhos de superfícies de lxl m ou maiores não representa, em regra, qualquer problema.
As Figuras mostram:
Figura 1 A curva de tensão da corrente de um módulo pc-Si:H ligado em série com uma superfície de abertura de 64 cm2, produzido pelo processo PECVD de câmara simples de acordo com o invento. 7
Figura 2 A curva de tensão da corrente de módulos a-Si:H/pc— Si:H com uma superfície de abertura de 64 cm2, igualmente produzidos pelo processo PECVD de câmara simples de acordo com o invento.
Uma camada adicional suplementar na superfície p/i crítica limite, em combinação com o referido regime de deposição dá, normalmente, lugar a rendimentos elevados na produção de células solares pc-Si:H por um processo de câmara simples e oferece a vantagem das características poderem regularmente ser ajustadas reprodutíveis. Além disso, constatou-se que a transição n/p na produção de células solares α-Si:H/pc-Si:H neste regime de deposição também pode ser igualmente produzida com elevado rendimento. As células solares amorfas dentro das células solares α-Si:H/pc-Si:H também podem ser produzidas na área limite de p/i, igualmente sob utilização de uma camada adicional.
Literatura referida no requerimento da patente: [1] A.E. Delahoy, F.B.Ellis, Jr., E. Eser, S. Gau, H.Volltrauer, Z. Kiss, 6th.E. C. Photovoltaic Energy
Conf., London, (1984), 670 [2] R. Platz, D. Fischer, S. Dubail, A. Shah, Sol.
Energy Mat. and Sol. Cells 46 (1997) 157 [3] Y.-M.Li, J.A. Anna Selvan, L.Li, R.A Levy, A.E.
Delahoy, Proceedings of 3rd World Conf. on Photovoltaic
Energy Conv., Japan (2003) vol 2, 1788-1791.
Lisboa, 22 de Dezembro de 2011. 8
Claims (11)
- REIVINDICAÇÕES 1 - Processo para produção de células solares empilhadas de silício amorfo (a-Si:H) e microcristalino pc-Si:H, compreendendo duas sequências de camada p-i-n com o auxílio de um processo PE-CVD, caracterizado por - todas as camadas das sequências de camadas p-i-n serem depositadas num processo de câmara simples e de resto na deposição da camada i microcristalina: - a distância de eléctrodos compreender entre 5 e 15 mm, - a distribuição de qás se processar através de uma admissão de gás do tipo de cabeça de chuveiro, que assegura uma distribuição homogénea do gás sobre o substrato, - ser regulado um fluxo de gás SiH4 entre 0,01 e 3 sccm/cm2 e um fluxo de gás H2 >0,3 sccm/cm2, - ser regulada uma pressão de processo entre 3 e 50 hPa, -ser regulada a temperatura de aquecimento para o substrato entre 50 e 280°C, - e a potência HF ser regulada entre 0,2 e 2 Watts/cm2 .
- 2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual a distância de eléctrodos comporta entre 10 e 15 mm.
- 3 - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, no qual a admissão de gás de cabeça de chuveiro apresenta uma trama, a qual é menor que a distância de eléctrodos seleccionada. 1
- 4 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, no qual é regulado um fluxo de gás H2 >0,3 até 30 sccm/cm2, principalmente >0,3 até 10 sccm/cm2.
- 5 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, no qual é regulado um fluxo de gás SiH4 entre 0,01 e 1 sccm/cm2.
- 6 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, no qual é regulada uma pressão de processo entre 8 e 15 hPa.
- 7 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, no qual é regulada uma temperatura de aquecimento para o substrato entre 80 e 180°C.
- 8 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, no qual, é depositada, pelo menos, uma camada de silício pc sobre um substrato com uma dimensão superior a 20x20 cm, principalmente superior a 30x30 cm.
- 9 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, no qual é utilizado um substrato ZnO texturado.
- 10 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, no qual uma camada adicional suplementar é depositada entre as camadas microcristalinas p e i.
- 11 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, no qual são revestidos de forma homogénea substratos de dimensões superiores a 30x30 cm, principalmente superiores a 50x50 cm e principalmente superiores a lxl m. 2 12 11, no plasma, - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a qual é seleccionada uma frequência de excitação de principalmente com um múltiplo de 13,56 MHz. Lisboa, 22 de Dezembro de 2011. 3
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