Fornos de Esteira

Os fornos de esteira (belt furnace) pertencem à família dos RTPs. A grande vantagem deste equipamento é a possibilidade de um processo térmico rápido de várias lâminas por ciclo. Estes fornos possuem uma esteira que permite com que as lâminas realizem o processo térmico em movimento. Desta forma, as lâminas são colocadas sobre uma esteira à temperatura ambiente e passam por uma câmara aquecida por lâmpadas que emitem na região da infravermelho e visível ou por resistores elétricos. As lâminas são resfriadas posteriormente e retiradas na outra extremidade do forno. Este tipo de forno recebe grande enfoque justamente pela capacidade que possui de tornar automatizado o processo térmico em uma linha de produção [28], [29]. Nota-se que o grau de pureza do ambiente de processamento é inferior aos que possuem uma câmara como um tubo de quartzo por exemplo. Estes fornos geralmente são empregados para a secagem das pastas e formação do contato metal-semicondutor na metalização por serigrafia [30].

A Figura 4.8 ilustra uma representação esquemática de um forno de esteira e a Figura 4.9 apresenta o forno de esteira instalado no Laboratório de Metais e Filmes do NT-Solar/PUCRS.

Em processos de difusão são utilizadas diferentes fontes de dopantes, como por exemplo, as pastas dopantes de fósforo já utilizadas a mais de 20 anos. As vantagens incluem a relativa facilidade de formação de emissores seletivos, devido à alta viscosidade do material. Por outro lado, durante a serigrafia aplica-se pressão nas lâminas, podendo aumentar o risco de quebra das mesmas. Além disso, o material contém constituintes orgânicos que queimam e evaporam durante os passos de secagem e difusão, sendo um problema em potencial a possibilidade de que resíduos orgânicos sofram forte adesão à superfície de silício durante o tratamento de difusão e que continuem presentes na superfície mesmo após a limpeza posterior ao passo de difusão [31]. A dopagem por este processo térmico é bastante uniforme entre as lâminas, uma vez que todas passam pelo mesmo perfil de temperatura durante o ciclo [21].

Figura 4.8. Representação esquemática de um forno de esteira.

Figura 4.9. Forno de esteira instalado no Laboratório de Metais e Filmes do NT-Solar/PUCRS.

De acordo com Goris et al. [3], o processo de difusão do emissor por um forno de esteira pode ser melhorado de forma a competir com os resultados de emissores difundidos em um sistema convencional por POCl3. Desta forma células solares com difusão de emissores realizada em fornos convencionais ou em fornos de esteira teriam características elétricas comparáveis. Contudo, uma vantagem importante da difusão em fornos de esteira seria que células fabricadas com lâminas da base do lingote, tendo tempo de vida de minoritários pequeno, seriam comparáveis em eficiência à células fabricadas com lâminas do meio e do topo do lingote. Em um estudo comparativo, Goris et al. [3] apresentam o valor médio de 45

fornos convencionais com POCl3 e as faixas de 50 / - 55 / e 45 / - 50 / para dois experimentos distintos realizados em fornos de esteira. A partir dos resultados da medição de tempo de vida dos portadores minoritários, observou-se que as lâminas processadas em fornos convencionais apresentaram tempo de vida de minoritários ligeiramente superior. Entretanto, para as lâminas selecionadas da base do lingote, o tempo de vida foi de 5 a 9 s para os emissores difundidos em fornos de esteira e cerca de 1 s para os emissores difundidos por POCl3. Com isso espera-se que células solares processadas com lâminas da base do lingote e difundidas em forno de esteira sejam muito melhores que as células correspondentes difundidas em fornos convencionais. Em relação à eficiência das células se observou neste estudo que um processo convencional atinge um valor médio de 15,2 % ao passo que um processo em um forno de esteira atinge um valor médio de 14,4 %, utilizando lâminas de qualidade padrão (meio e topo do lingote). Já utilizando lâminas da base do lingote, de baixa qualidade, em um processo convencional a eficiência média foi de 9,6 %, e em um processo em forno de esteira a eficiência atingiu 13,2 %.

Ebong et al. [32] apresentam um estudo comparativo entre o uso de fornos convencionais e fornos de esteira utilizando lâminas de silício de diferentes tipos para o processo de fabricação por serigrafia. Neste estudo dois métodos de formação de emissores foram analisados para o processo de difusão em fornos de esteira. No primeiro, fósforo foi depositado por spin-on em um dos lados da lâmina e o lado posterior da mesma ficou em contato direto com a esteira do forno. No segundo método, fósforo foi depositado em ambas as faces da lâmina, sendo que o lado posterior foi dopado com óxido de fósforo para proteger a lâmina do contato direto com a esteira. Estes dois métodos juntamente com a formação de emissores em fornos convencionais utilizando POCl3 foram aplicados para avaliar o impacto da contaminação da esteira sobre o desempenho das células solares.

O estudo mostrou que as células solares fabricadas em fornos de esteira com a deposição de fósforo em apenas um dos lados apresentaram perdas de 1 % a 2 % na eficiência quando comparadas à células com emissores formados por POCl3. Segundo os autores, estas perdas podem ser compensadas ao se aplicar um

elevado grau de fósforo em ambos os lados da lâmina. De forma que, utilizando esta técnica, as lâminas com emissores formados em fornos de esteira diferem daquelas processadas em fornos convencionais devido aos baixos valores de fator de forma e tensão de circuito aberto resultantes. Estas ocorrências se justificam pelos emissores relativamente rasos formados nos processos em fornos de esteira. Medições de tempo de vida e eficiência quântica interna indicaram significante contaminação proveniente da esteira, o que foi mais acentuado em lâminas FZ que possuíam inicialmente valores de tempo de vida superiores a 200 s. A partir dos resultados obtidos o autor presumiu que o baixo desempenho observado em muitos processos comerciais de fabricação de células solares, em que normalmente há a deposição de fósforo em apenas um dos lados, ocorre devido à contaminação da esteira. No entanto, os resultados sugerem que a deposição de fósforo em ambos os lados por spin-on ou spray-on pode eliminar esta perda em eficiência resultante da contaminação. O emissor pouco profundo formado pela difusão em fornos de esteira, com adição de fósforo em ambos os lados da lâmina, produz em geral maiores correntes de curtocircuito que as resultantes dos demais processos. No entanto, a maior profundidade da junção em células com emissores formados por POCl3 resulta em uma maior tensão de circuito aberto e fator de forma. Este estudo concluiu que a eficiência de células solares dopadas em forno de esteira podem vir a apresentar valores de eficiência muito próximos ao de células com emissores formados por POCl3, como mostra a Figura 4.10.

Os materiais utilizados neste estudo e citados no eixo "x" do gráfico apresentado na Figura 4.10 foram os seguintes: silício FZ, silício multicristalino fabricado pelo método HEM (heat exchange method) e silício tipo fita obtido por EFG (edge defined film fed growth).