Formação das Malhas Metálicas em Lâminas Finas

A metalização é um passo importante na fabricação de células solares, que pode limitar a eficiência e determinar o custo do processamento das mesmas. A tecnologia de deposição da malha metálica nas células solares deve ser compatível com a concentração de impurezas na superfície do emissor e com a profundidade da junção p-n.

Para formar a malha metálica podem ser utilizadas as técnicas de fotolitografia combinada com a evaporação de metais em vácuo, a deposição química sem eletrodos (electroless) e a serigrafia. As técnicas de fotolitografia e

electroless necessitam muito tempo e são caras quando comparadas à serigrafia. No

Na grande maioria das células de silício atualmente comercializadas a serigrafia é utilizada para depositar uma pasta de prata e/ou alumínio sobre as faces da lâmina. De forma geral, a técnica se caracteriza pela deposição de uma pasta contendo um material condutor, geralmente prata e alumínio, sobre um substrato, sendo posteriormente realizado o processo de queima sob ambiente controlado para produzir o contato. O desenho a ser formado sobre a lâmina é definido por uma máscara formada por fios de aço inoxidável ou de poliéster. Esta técnica é de relativo baixo custo, produzindo linhas metálicas da ordem de 100 μm de largura, porém criando impedimentos quanto ao desenho de uma célula solar ótima, como por exemplo, a necessidade de uma alta concentração de dopantes em superfície [76,77].

Os fatores que afetam a qualidade da malha de metalização, relativo ao processo de serigrafia são: a viscosidade da pasta, a área de serigrafia, a tensão na tela, a velocidade do rodo e a distância entre a lâmina e a tela [70]. Estes dois últimos fatores são críticos quando se utilizam lâminas finas, pois seus parâmetros devem ser adequados devido ao elevado risco de quebra das lâminas. A malha metálica em uma célula solar deve ter baixa resistência de contato com o silício, boa resolução da trilha, boa soldabilidade e baixo custo. Um dos inconvenientes da serigrafia é o elevado custo das pastas metálicas [78].

A serigrafia é considerada uma técnica econômica para fabricação de células solares por ser rápida. O alto custo das pastas é compensado pela alta produtividade. A prata penetra em torno de 0,3 μm na lâmina de silício. Consequentemente, uma junção de aproximadamente 0,6 μm de profundidade é realizada para impedir que a prata alcance a base e provoque um curto-circuito. Ao mesmo tempo, é necessária uma concentração superficial de fósforo de 1020 átomos/cm3 a 1021 átomos/cm3 a fim de obter uma baixa resistência de contato e um elevado fator de forma [75].

A composição da pasta e as condições de queima também são fatores importantes. A composição da pasta, devido à viscosidade, influencia na definição das trilhas, na resistividade do composto metálico final, e juntamente com outros fatores característicos da dopagem, afetam a resistência de contato. Esta resistência

é bastante variável em função da pasta e do processo de queima [7,75]. Durante a queima a alta temperatura, os componentes da pasta interagem com a superfície da lâmina. O óxido, a camada de filme antirreflexo ou outras películas presentes na superfície podem dissolver-se em alguns componentes da pasta, o que permite realizar o contato com a lâmina de silício através dos mesmos. Se a queima for mais agressiva (maior temperatura e/ou maior tempo), a pasta pode perfurar a junção, originando correntes de fuga. Sob resfriamento, o Si contido na pasta cristaliza epitaxialmente e parte das partículas de Ag e/ou Al dissolvidas na pasta, que estão incrustadas na superfície do Si, formam o contato direto com o emissor [7,46,75].

Segundo Sheoran et al. [3], por apresentarem menor massa, as lâminas finas variam de temperatura com maior rapidez, sendo necessária a adequação dos perfis de queima das pastas metálicas para diferentes espessuras. Para demonstrar tal necessidade, desenvolveram uma pesquisa em que compararam o desempenho de células solares monofaciais, com diferentes espessuras, metalizadas por serigrafia e com adaptação dos perfis da temperatura de queima. Foram fabricadas células solares de Si-FZ, com área de 4 cm² , espessuras de 115, 150, 175, 225 e 280 μm e metalização por serigrafia com pasta de Al na face posterior e pasta de prata na face frontal. Foram realizados ajustes nos parâmetros de impressão baseados na espessura de cada lâmina.

A Figura 2.19 mostra o efeito da espessura da lâmina no pico da temperatura ótima de queima da pasta metálica. Para realizar as medidas apresentadas, os pesquisadores utilizaram um sensor de temperatura para medir a temperatura de pico na superfície da lâmina durante o ciclo de queima.

Ao observar a Figura 2.19 nota-se que a temperatura de pico da queima para as lâminas com espessura de 115 μm é, aproximadamente, 70 ºC superior ao de lâminas de 280 μm de espessura. Esta variação é um dado significativo que pode acarretar em problemas de contato metálico e perda no desempenho da célula solar [3] se o processo não for otimizado. Isto pode ser verificado na Figura 2.20, que compara a eficiência de células solares com diferentes espessuras que tiveram o seu perfil de queima da pasta metálica otimizado, com a eficiência de células solares que não sofreram otimização do perfil de queima da pasta metálica.

Figura 2.19. Temperatura de queima da pasta metálica para lâminas com espessuras diferentes [3].

Figura 2.20. Eficiência da célula solar em função da espessura com otimização e não otimização dos perfis de temperatura de queima da pasta metálica [3].

Esta comparação revela a diminuição no desempenho das células solares que não tiveram os perfis de queima otimizados para cada espessura. Com o ajuste, nas temperaturas de queima da pasta metálica, específico para cada espessura, as células solares desenvolvidas por Sheoran et al. [3] em substrato de Si-FZ alcançaram eficiências de, aproximadamente, 17,4 % para 280 μm de espessura e 16,2 % para as células solares com 115 μm de espessura.

Perfil de queima otimizado Perfil de queima não otimizado

Espessura da célula solar (µm)

Eficiência (%)

Espessura da célula solar (µm)

Temperatura máxima de

3. DESENVOLVIMENTO DOS PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE