CON ÓXIDO DE SILICIO 3 1 Introducción
3.3. Adaptación del proceso PERC a substratos multicristalinos
3.3.3. Pasivación de la cara trasera con óxido húmedo
Haciendo una breve revisión de los resultados obtenidos, hemos llegado a obtener células con altas eficiencias evitando el paso de difusión de aluminio (BSF) y pasivando la cara trasera de las células con óxido de silicio. Los resultados encontrados en el punto anterior nos muestra que dicha capa pasivadora de óxido no es lo suficientemente gruesa como para evitar
posibles perforaciones de la misma por el aluminio durante su evaporación y tras el paso de recocido. Por este motivo se realizó una nueva tanda en la que se utilizó el óxido crecido durante la oxidación inicial para definir el área activa de la célula solar, de 300 nm de espesor aproximadamente, para pasivar la cara trasera de la misma. Con el fin de tener una capa gruesa con la menor carga térmica posible, parte de este óxido se crece en un ambiente húmedo. Se han publicado velocidades de recombinación superficial en torno a los 350 cm/s en células de mc-Si realizadas de esta forma, dando como resultado la célula de mayor eficiencia fabricada sobre un substrato de mc-Si hasta la fecha [14]. Por lo tanto, se esperan alcanzar pasivaciones apropiadas con las que obtener altas eficiencias.
A grandes rasgos, los pasos seguidos para realizar esta nueva tanda aparecen en la figura 3.12.
Figura 3.12: Nuevo proceso PERC realizado pasivando la cara trasera con óxido húmedo. Otro cambio introducido en esta tanda consiste en reducir el espesor de la capa de aluminio evaporada para realizar el contacto trasero. Este pasa a ser de 300 nm en lugar de los 1000 nm que se evaporaron en las tandas anteriores, pues parece suficiente para hacer contacto y se reduce el peligro de perforación del óxido, hecho ya comentado en el apartado anterior.
Fueron utilizados tres substratos distintos. La tabla 3.13 muestra sus características.
Substrato Resistividad ( cm) Espesor ( m)
FZ Si 0,2 300
mc-Si Bayer 0,7 350
mc-Si Photowatt 0,5 300
Tabla 3.13: Principales características de los materiales utilizados para el proceso PERC con óxido húmedo.
En esta ocasión también se encontró mucha similitud entre las características eléctricas de las células solares obtenidas con substratos de la misma procedencia. La tabla 3.14 muestra los mejores resultados medidos, antes y después de depositar la capa antirreflectante.
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Substrato Jsc
(mA/cm2) Voc (mV) FF Capa AR ηηηη(%)
FZ 31,80 648 0,82 NO 17,0 Bayer 25.88 622 0,79 NO 12,8 Photowatt 25.80 624 0,81 NO 13,1 FZ 35,50 653 0,81 SI 18,8 Bayer 33,30 632 0,80 SI 16,8 Photowatt 33,00 632 0,81 SI 16,9
Tabla 3.14: Resultado de las mejores células solares de mc-Si obtenidas con el proceso tipo PERC con óxido húmedo.
Los altos valores encontrados para el factor de forma ponen de manifiesto que el efecto sobre la resistencia serie de los contactos traseros puntuales es mínimo.
Las curvas J – V asociadas a dichas células aparecen en la figura 3.13.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 100 200 300 400 500 600 700 V (mV) J (m A /c m 2 ) FZ mc-Si P mc-Si B
Figura 3.13: Curvas J – V de las mejores células solares obtenidas con el proceso PERC realizado con óxido húmedo para substratos tipo FZ y de mc-Si de Photowatt y Bayer.
Utilizando una oblea de test de la casa Photowatt, los tiempos de vida medidos al iniciar la tanda y al final de la misma son respectivamente de 20 y 36 µs para n = 1015 cm-3. El tiempo de vida final es similar a los obtenidos en los apartados anteriores, ya que no se ha introducido ningún cambio en los pasos térmicos a lo largo de la tanda.
Mediante un análisis de las curvas de iluminación podremos obtener más información asociada a la célula. La tabla 3.15 muestra estos resultados.
Substrato Resistividad ( cm) J01
(10-13 A/cm2) (10-8 A/cmJ02 2) Rs ( cm2) Gp (1/ cm2)
FZ 0,2 3,3 0 0,675 0
Bayer 0,7 6,0 1,17 0,612 0
Photowatt 0,5 6,2 1,46 0,568 0
Tabla 3.15: Ajuste de las curvas de iluminación de las células PERC realizadas con óxido húmedo.
Cabe señalar que todos los valores encontrados están dentro de lo esperado para este tipo de células. De ahí las buenas características eléctricas y altas eficiencias alcanzadas.
Las reflectividades medidas asociadas a las tres células anteriores se muestran en la figura 3.14, en la que se constata la mejor respuesta al texturado del material monocristalino.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 300 500 700 900 1100 1300 Long onda (nm) R ef le ct iv id ad FZ Bayer Photowatt
Figura 3.14: Reflectividades medidas en las mejores células PERC con óxido húmedo Un punto importante de esta tanda consiste en demostrar que el óxido pasivador de la cara trasera es lo suficientemente grueso como para impedir la perforación del mismo por parte del aluminio evaporado para conseguir el contacto trasero. Esto puede confirmarse si la reflectividad interna de la cara posterior es mayor que la obtenida en el caso de una célula con contacto trasero continuo (que está en torno al 65% para la célula de P/Al obtenida en el capítulo 2 de esta Tesis).
La tabla 3.16 muestra estos resultados derivados del ajuste. Substrato Reflectividad
frontal interna Reflectividad interna de la cara trasera
FZ 86% 85%
Bayer 86% 82%
Photowatt 86% 84%
Tabla 3.16: Parámetros relacionados con el atrapamiento de la luz para las células PERC con óxido húmedo.
Atendiendo a las reflectividades internas obtenidas para la cara trasera, parece que la capa de óxido ha sufrido pocas perforaciones tras la evaporación del contacto trasero. Otro punto que nos puede confirmar la existencia de una capa pasivadora de óxido de silicio en la cara trasera de las células es a partir de la velocidad de recombinación en dicha cara. Esto lo podremos confirmar tras un ajuste de la curva asociada a la eficiencia cuántica interna. La figura 3.15 muestra los resultados de esta medida.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Long. onda (nm) IQ E FZ Bayer Photowatt
Figura 3.15: Eficiencia cuántica interna de las células PERC realizadas con óxido húmedo. Analizando dicha gráfica con el programa PC1D, se ha obtenido velocidades de recombinación superficial frontal en torno a los 3000 cm/s para la muestra monocristalina y de 5000 cm/s para las multicristalinas. Ambos valores son algo superiores al obtenido para la mejor célula PERC obtenida con el proceso modificado.
En cuanto a los tiempos de vida, estos están en torno a los 30 s y los 22 s según si la muestra es mono o multicristalina respectivamente, el cual es inferior al medido en la oblea de test. Esto se atribuye a que el nivel de inyección utilizado en las simulaciones es inferior al considerado en nuestro caso para las medidas realizadas en el laboratorio y, en el caso de las muestras multicristalinas, a la falta de uniformidad en las características de las mismas según la procedencia de las mismas dentro del lingote de silicio.
Finalmente, el valor de mayor interés para nosotros es el de la velocidad de recombinación efectiva en la cara trasera, siendo de unos 5000 cm/s si la muestra es monocristalina y de unos 7000 cm/s si es multicristalina. Por lo tanto, se ha conseguido una disminución en este valor con respecto al obtenido para la célula de P/Al (105 cm/s), lo que demuestra que la capa de óxido de silicio está pasivando la cara trasera de la célula solar. Nuevamente, debido a los bajos tiempos de vida obtenidos, el beneficio obtenido por la disminución de la velocidad de recombinación es inferior al esperado.
Resumiendo los resultados de este apartado podemos concluir que, para pasivar la cara trasera de las células solares, el uso de un óxido húmedo de mayor espesor que el empleado en los puntos anteriores nos asegura una disminución en la velocidad de recombinación en dicha cara a la vez que evita el ser perforado por el aluminio presente en el contacto posterior. Se alcanzaron eficiencias en torno al 16,8% con distintos substratos de mc-Si, reflectividades internas superiores al 80% y velocidades de recombinación superficiales efectivas de unos 7000 cm/s. Si bien estas medidas no han sido contrastadas en laboratorios externos, sí que nos dan una idea del potencial asociado a este proceso.