• Nenhum resultado encontrado

High quality silicon ribbons for solar cells

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "High quality silicon ribbons for solar cells"

Copied!
152
0
0

Texto

(1) . UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS. High Quality Silicon Ribbons for Solar Cells. Doutoramento em Sistemas Sustentáveis de Energia. José Mário da Costa Pó. Tese orientada por: Professor Doutor Jorge Maia Alves. Documento especialmente elaborado para a obtenção do grau de doutor. 2017.

(2)

(3)  . UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS. High Quality Silicon Ribbons for Solar Cells. Doutoramento em Sistemas Sustentáveis de Energia. José Mário da Costa Pó. Tese orientada por: Professor Doutor Jorge Maia Alves. Júri: Presidente: ● Doutor João C. C. Catalão Fernandes Vogais: ● Doutor Roberto Carlos Marçal Gamboa ● Doutor António Jorge Duarte de Castro Silvestre ● Doutor João Manuel de Almeida Serra ● Doutor Miguel Centeno da Costa Ferreira Brito ● Doutor Jorge Augusto Mendes de Maia Alves. Documento especialmente elaborado para a obtenção do grau de doutor Fundação para a Ciência e a Tecnologia, SFRH/BD/51746/2011. 2017.

(4)    .  .

(5) Acknowledgements    To pursue this work a large spectrum of disciplines was involved: from numerical simulation and  modelling  to  experimental  work  in  the  fields  of  applied  physics  and  chemistry,  mechanical  prototyping, and power electronics. Carrying such a multidisciplinary approach was fundamental to  achieve  the results here  shown  during the 4 years of  research. However,  none of  this work  was  possible  without  the  contribution  of  several  individuals  and  entities,  which  I  would  like  to  acknowledge.  Firstly and foremost, I would like to express my gratitude to my supervisor Prof. Jorge Maia Alves. I  thank  you  for  inviting  me  to  work  on  this  thesis,  for  your  guidance,  good  judgement,  ideas  and  friendship throughout its development. Even though your time was limited, you’ve accompanied  me throughout this work always with tranquility and a smile.   The work here presented was done in collaboration with a start‐up company SDSIL – Investigação e  Desenvolvimento de Soluções Solares, Lda., which had the purpose of making a transition of the SDS  process from a laboratory scale to a pilot industrial scale. I would like to acknowledge the SDSIL  team great contribution, in particular to Professor António Vallêra, who I appreciate for his scientific  council and creativity, for his input in most of the systems conceived during this dissertation, and  also  for  his  enthusiasm  during  the  entire  process.  I  also  thank  Dr.  Pedro  Sousa,  who  helped  me  during  the  crystallization  furnace  assembly  in  several  technical  matters,  as  well  as  during  the  residual stress measurements.  I’m very grateful to Professor Miguel (Sr.) Centeno Brito, ever since I joined the energy group as an  undergrad student his guidance and friendship has been a fundamental seed for my professional  and  personal  growth.  I  also  thank  his  great  contribution  to  this  work  in  what  concerns  the  implementation of the model for plastic deformation. Furthermore, I thank him for the opportunity  to work on side projects related to the solar campus at FCUL, especially in the collaboration with  Circadian  Solar  Ltd,  as  well  as  in  project  SEGSOL,  in  which  I  had  the  chance  to  supervise  undergraduate research.  I  am  thankful  to  the  MIT  Portugal  Program  coordinator  of  Sustainable  Energy  Systems  at  FCUL,  Professor João Serra for handling the bureaucracy during the entire the doctoral program. I am also  thankful for his help in laboratory technical matters, and for sending some of the processed samples  to Professor Kakimoto from the Research Institute for Applied Mechanics, Kyushu University, Japan,  whom I also thank for the X‐ray diffraction measurements which support the results of this thesis.  One of the most crucial contributions to this thesis was done by Ivo Bernardo and Hélder Reis. Ivo  developed the electronics part of the interconnection between the various components external to  the  prototype,  and  Hélder  developed  the  software  that  controls  the  various  components.  I’m  indebted  to  both  for  their  contribution,  and  especially  for  their  good  mood  during  the  system  conception, no matter for how long we were working.   1 .

(6) I  appreciate  the  collaboration  of  my  colleagues  with  whom  I  shared  a  lively  open  space  and  accompanied me throughout this work on a daily basis. I am especially thankful to David Pêra, for  all the helpful discussions in the matter of computer simulation with Solidworks, and to Ivo Costa  for all his help and insight in the laboratory. Besides their important inputs to this work I am also  grateful for their friendship. To Sara Freitas with whom I had the pleasure to share some of my side  projects and achieved gratifying results.  I would like to thank Prof. Killian Lobato for sharing his insight in photoluminescence imaging as well  as for setting up the system which allowed the photoluminescence measurements here presented.  I also thank Dr. José Silva, for all the helpful discussions that enlightened some of the results here  presented and for his unconditional smile.  To Mr. Carlos Martins from CMVB – Criação de Protótipos, who followed the technical designs and  manufactured with great precision most of the aluminum components used for the furnace parts, I  would like to address my appreciation for his work.   In the same way I am thankful to Ricardo Pereira from the FCUL workshop, for his work in several  furnace parts, whose patience and skill was constantly tested by the designs proposed, especially  during the developed of the furnace translation system.  I would like to acknowledge Telmo Nunes from the Center of Electronic Microscopy, FCUL, for his  indispensable contribution in SEM measurements and metallization of components by sputtering.  Some of the results here presented were done by microscopic observation, which was only possible  with the good will of Prof. Olinda Conde for facilitating the access to the equipment.   The SDS room suffered several alterations during this work, which were done effectively, for that I  am especially grateful to José Fernandes and the faculty technical services for their work.  Due to the nature of the work pursued, this dissertation was accompanied by a considerable amount  of failures which were better copped with the support of my friends and family. I am thankful that I  have met some brilliant individuals with whom I had the privilege to make music. For all the joy and  moments  that  accompanied  me  during  the  development  of  this  thesis  I  am  grateful  to  the  24  Robbers  Swing  band.  I  would  also  like  to  particularly  thank  my  brüder  Tinis  whom  I  am  deeply  grateful to share my burdens with, Dr. Bilhas for some of the helpful discussions regarding this work  and life in general, and Luzia for all the entropy. I am also most deeply thankful to my parents who  always supported my decisions and made it possible that I followed my path.  Lastly, I would like to acknowledge the funding I received from FCT – Fundação para a Ciência e  Tecnologia,  under  the  doctoral  grant  SFRH/BD/51746/2011  and  the  MIT  Portugal  Program  on  Sustainable Energy Systems.     Thanks to all! . 2 .

(7) Abstract    Solar Photovoltaic (PV) is one of the most promising solutions for electrical energy production in a  sustainable  way.  Currently  the  PV  market  is  dominated  by  crystalline  silicon  solar  cells,  and  the  dissemination of this technology in a global scale has been strongly limited by the high cost of the  devices. Si Ribbon technologies have the advantage of dramatically increase the material yield over  the  traditional  Si  growth  techniques  by  eliminating  kerf  losses.  However,  poor  electrical  performance due to the high defect density resulting from both impurity content and dislocations  generated by the heterogeneous temperature field during crystal growth have been in the past a  limitation  for  this  type  of  technologies.  The  Silicon  over  Dust  Substrate  (SDS)  process  has  the  potential to reduce material consumption and achieve higher purity substrates than conventional  ribbon processes. However it is still limited by the high defect density generated by thermal stresses  that occur during crystallization by Zone Melting Crystallization (ZMC).   The aim of this work was firstly to develop a new ZMC furnace concept that permitted improving  the  performance  and  size  of  the  Si  ribbon  grown  via  ZMC,  and  secondly to develop  a  numerical  model  to  understand  the  thermal  stresses  and  dislocation  dynamics  during  the  growth  for  the  conditions  obtained  with  the  developed  furnace  concept.  The  furnace  was  also  envisioned  to  crystallize SDS pre‐ribbons produced via CVD for a pilot industrial scale.  To  develop  the  new  ZMC  apparatus  a  numerical‐experimental  approach  was  pursued,  in  which  Computational  Fluid  Dynamics  Finite  Element  Analysis  (CFD‐FEA)  was  performed  in  a  3D  Computational  Aided  Design  (CAD)  environment.  The  final  ZMC  furnace  CAD  model  was  then  subjected to CFD‐FEA under different thermal conditions, and a study was conveyed to estimate the  ribbon  thermal  stresses  and  dislocation  density during  crystal  growth  by  ZMC.  Furthermore,  the  Hassen‐Alexander‐Sumino (HAS) model was used to compute the final dislocation density profile of  the ribbon.  The  final  ZMC  concept  includes  as  main  innovations  the  possibility  to  control  the  temperature  gradients in the heating and cooling regions, the use of diode laser bars to produce the floating  molten  zone  with  width  >50mm,  and  a  translation  system  to  transport  the  sample  that  allows  continuous operation at high temperatures with low impurity sources. With this furnace the ribbon  crystallization  area  was  effectively  upsized,  reaching  processed  samples  with  areas  of  about  55x95cm2,  with  no  cracking  behavior,  and  no  buckling.  However,  the  characterization  of  the  recrystallized test samples revealed that the dislocation density is still in the range of 105  #/cm2,  which is explained by the numerical model results. The model estimates that stresses in the region  adjacent to the molten zone of the ribbon are still considerably higher than the yield stress, where  dislocations  multiply  and  reach  their  maximum  very  rapidly,  requiring  further  smoothing  of  the  temperature  profile.  An  agreement  was  found  between  both  modelled  and  measured  results  in  what concerns the dislocation densities profiles, since the same trend in their distribution is verified.  Additionally, both measured and modelled dislocation densities are in the range of 105 #/cm2, with . 3 .

(8) a  slight  offset  that  can  be  traced  back  to  the  model  approximations,  or  the  experienced  heterogeneous laser power distribution not contemplated in the CFD‐FEA.    Keyworks:  Photovoltaic,  Silicon  Ribbon,  Zone  molten  crystallization,  Thermal  stress,  Dislocation  density   . 4 .  .

(9) Resumo    A energia solar fotovoltaica (PV) representa uma das soluções mais promissoras para produção de  energia elétrica de forma sustentável. Atualmente o mercado PV é dominado por células solares  baseadas  em  silício  cristalino,  e  a  disseminação  desta  tecnologia  numa  escala  global  tem  sido  fortemente limitada pelo custo elevado dos dispositivos. As tecnologias de produção de substratos  para produção de células solares directamente na forma de fitas de Si têm a vantagem de aumentar  dramaticamente o rendimento do material face às técnicas tradicionais de crescimento de Si através  da eliminação das perdas devidas ao corte. No entanto, o fraco desempenho elétrico devido à alta  densidade de defeitos resultante de impurezas incorporadas, bem como das deslocações criadas  pelo campo de temperaturas heterogéneo durante a fase de crescimento têm sido no passado um  factor limitante para este tipo de tecnologias. O processo Silicon over Dust Substrate (SDS) tem o  potencial de reduzir o consumo de material e de obter substratos de pureza mais elevada do que os  processos de fitas convencionais, estando no entanto ainda limitado pela alta densidade de defeitos  gerada pelas tensões de origem térmica que ocorrem durante a fase de cristalização a partir de zona  fundida Elétrica (Zone Melting Crystallization – ZMC).  Esta tese teve como objetivo desenvolver um novo conceito de forno de crescimento por ZMC que  possibilite  melhorar  o  desempenho  e  tamanho  das  fitas  de  Si  crescidas  por  ZMC,  bem  como  o  desenvolvimento  de  um  modelo  numérico  para  compreender  as  tensões  de  origem  térmica  e  a  dinâmica de criação de deslocações durante a fase de crescimento para as condições obtidas neste  novo forno. O forno também foi desenvolvido de maneira a poder ser utilizado na cristalização de  pré‐fitas SDS para uma escala piloto industrial.   O desenvolvimento do novo sistema de ZMC foi feito com base no método numérico‐experimental,  em que se recorreu a ferramentas de computação de dinâmica de fluidos por análise de elementos  finitos  (Computational  Fluid  Dynamics  Finite  Element  Analysis  –  CFD‐FEA)  num  ambiente  3D  de  desenho técnico assistido por computador (Computational Aided Design – CAD). O desenho CAD  final  do  forno  foi  sujeito  a  simulações  para  diferentes  condições  térmicas,  com  as  quais  se  estimaram as tensões de origem térmicas na fita e a densidade de deslocações durante o processo  de crescimento por  ZMC.  O modelo Hassen‐Alexander‐Sumino  (HAS)  foi  utilizado  para  calcular o  perfil final da densidade de deslocações da fita.  O  forno  para  crescimento  de  fitas  por  ZMC  desenvolvido  inclui,  como  inovações  principais,  a  possibilidade  de  controlar  os  gradientes  de  temperatura  nas  zonas  de  aquecimento  e  arrefecimento,  o  uso  de  barras  de  díodos  laser  para  produzir  uma  zona  fundida  flutuante  com  largura  superior  a  50mm,  e  um  sistema  de  translação  para  transportar  a  fita  que  permite  uma  operação contínua a altas temperaturas com reduzidas fontes de contaminação. Com este forno a  área de cristalização foi efetivamente aumentada, alcançando‐se amostras processadas com áreas  aproximadas  a  55x95cm2,  sem  quebras  nem  curvatura.  Contudo,  a  caracterização  das  amostras  revelou que a densidade de deslocações está na ordem de 105 #/cm2, valor que é explicado pelos . 5 .

(10) resultados do modelo. O modelo estima  que as tensões na  região  adjacente à zona fundida  são  consideravelmente mais altas que a tensão de limite elástico onde as deslocações se multiplicam e  atingem  o  valor  máximo  a  uma  taxa  muito  rápida,  sendo  necessário  no  futuro  utilizar  um  perfil  térmico  com  mais  suave.  Foi  encontrada  uma  correlação  entre  os  resultados  do  modelo  e  os  resultados experimentais relativamente ao perfil de densidade de deslocações, tendo em conta que  a  mesma  tendência  é  observada.  Adicionalmente,  os  resultados  estão  na  mesma  ordem  de  grandeza,  existindo  no  entanto  um  ligeiro  afastamento  que  pode  estar  relacionado  com  as  aproximações do modelo ou com a radiação heterogénea proveniente do sistema de laser que não  é contemplado nas simulações.  Palavras‐chave:  Fotovoltaico,  Fita  de  silício,  Zona  fundida,  Tensões  térmicas,  Densidade  de  deslocações   . 6 .  .

(11) Contents  1 . 2 . Introduction ................................................................................................................................ 9  1.1 . Background and overview ................................................................................................... 9 . 1.2 . Alternative silicon growth methods for solar cell applications ......................................... 14 . 1.2.1 . Gaseous phase growth .............................................................................................. 15 . 1.2.2 . Liquid phase growth .................................................................................................. 15 . 1.2.3 . Silicon on Dust Substrate process ............................................................................. 18 . 1.3 . Zone Melting Crystallization .............................................................................................. 19 . 1.4 . Summary ........................................................................................................................... 22 . 1.5 . Thesis outline .................................................................................................................... 22 . 1.6 . References ......................................................................................................................... 23 . Prototype Crystallization Furnace: Design, Development and Modelling ................................ 27  2.1 . 2.1.1 . Stress and strain notions ........................................................................................... 27 . 2.1.2 . Thermo‐mechanical properties of crystalline silicon ................................................ 30 . 2.2 . Prototype ZMC furnace definition .................................................................................... 33 . 2.2.1 . Computational‐experimental approach .................................................................... 33 . 2.2.2 . Concept and Parameters definition .......................................................................... 36 . 2.2.3 . Components design and development ..................................................................... 44 . 2.3 . ZMC Furnace components development and testing ....................................................... 63 . 2.3.1 . Chiller and components cooling ................................................................................ 64 . 2.3.2 . Furnace atmosphere ................................................................................................. 65 . 2.3.3 . Temperature control ................................................................................................. 66 . 2.3.4 . Laser system and molten zone formation ................................................................. 70 . 2.3.5 . Ribbon movement ..................................................................................................... 74 . 2.3.6 . Furnace Experiment Studio ....................................................................................... 77 . 2.4 . 3 . Thermo‐mechanical considerations .................................................................................. 27 . Furnace and ribbon simulation ......................................................................................... 78 . 2.4.1 . CFD‐FEA validation .................................................................................................... 79 . 2.4.2 . Thermal stress analysis.............................................................................................. 81 . 2.4.3 . Dislocation density modelling ................................................................................... 87 . 2.5 . Conclusions........................................................................................................................ 96 . 2.6 . References ......................................................................................................................... 97 . ZMC Furnace characterization ................................................................................................ 103  7 .

(12) 3.1 . Samples and preparation methods ................................................................................. 103 . 3.2 . Characterization techniques ........................................................................................... 104 . 3.2.1 . Thickness variation measurement .......................................................................... 104 . 3.2.2 . Lifetime measurement ............................................................................................ 105 . 3.2.3 . Residual Stress measurement ................................................................................. 107 . 3.2.4 . Dislocation density measurement .......................................................................... 112 . 3.3 . Sample processing and experimental results .................................................................. 115 . 3.3.1 . Initial tests ............................................................................................................... 115 . 3.3.2 . Molten zone formation and laser stimulation ........................................................ 118 . 3.3.3 . Temperature gradient ............................................................................................. 122 . 3.3.4 . Crystallization velocity ............................................................................................. 128 . 3.4 . Comparison: Experimental vs Modelled results ............................................................. 133 . 3.5 . Conclusions...................................................................................................................... 134 . 3.6 . References ....................................................................................................................... 135 . 4 . Final conclusions and future work .......................................................................................... 139 . 5 . List of Acronyms ...................................................................................................................... 141 . 6 . Figures List ............................................................................................................................... 142 . 7 . Tables list ................................................................................................................................. 148 .  .      . 8 .  .

(13) 1 Introduction    Forced by many factors, a shift in energy resources consumption is currently taking place on a global  scale. The deployment of sufficient energy alternatives in a worldwide scale to avoid environmental  and economic crisis is a challenging task. Of the many presented solutions, Solar Photovoltaic (PV)  conversion is one of the most promising solutions for electrical energy production in a sustainable  way. Solar PV technologies use the sunlight to generate electricity, thus presenting an enormous  potential  for  a  clean  way  of  producing  electrical  energy,  with  a  vast  amount  of  resource  well  distributed worldwide. The development of alternative industrial processes to produce low cost PV  devices with high performance and low material consumption is a major goal of the PV industry. To  realize this goal new technical concepts and novelties, for different routes and processes, have to  be continuously developed. This work aims to develop a novel method to produce high quality low  cost silicon substrates for solar cell applications.   In  this  chapter,  an  overview  of  the  history  of  the  solar  PV  industry  and  its  most  significant  developments  are  presented.  The  most  relevant  solar  cell  principles  are  introduced,  and  silicon  wafer  production  chain  is  described.  Focus  on  the  costs  involved  in  the  different  steps  of  the  production  chain  of  silicon  substrates  for  solar  cell  applications  is  also  given,  and  some  of  the  alternatives described.   . 1.1 Background and overview  It is well know that the principle by which PV devices operate is the absorption of photons and the  generation of electron‐hole pairs. This conversion of light into electricity can be efficiently done in  a p‐n junction produced in an appropriate semiconductor material. A great variety of semiconductor  materials  exists,  the  most  used  material  for  electronic  devices  is  Silicon  (Si),  which  is  also  the  material that is most for the production of solar cells for terrestrial applications. The existence of a  well‐developed  microelectronics  industry,  and  the  correspondent  advanced  knowledge  about  Silicon properties and production methods, has a strong contribution to this fact, however due to Si  abundance  in  the  Earth’s  crust,  and  its  favourable  energy  band  gap  for  solar  photovoltaic  conversion, Si is the most attractive semiconductor material to incorporate in PV devices [1.1].  The band gap energy of the semiconductor is one of the most important characteristics that define  its maximum possible efficiency in PV conversion applications. This is due to the fact that the process  of photon absorption in a semiconductor consists in the excitation of an electron from the valence  band into the conduction band, leaving a hole in the valence band, and thus forming an electron‐ hole pair. The energy of the band gap, or energy gap (EG), of a semiconductor is the energy difference  between  the  top  of  the  valence  band  (EV)  and  the  bottom  of  the  conduction  band  (EC)  [1.2].  In  principle only photons with energy equal or greater than EG of the semiconductor may generate . 9 .

(14) electron‐hole  pairs.  Additionally,  if  the  photon  energy  is  greater  than  EG,  the  excessive  energy  received is lost and thermalized, releasing heat into the semiconductor lattice. As photons with less  energy than EG of the semiconductor are not absorbed, they do not generate an electron‐hole pair,  and therefore are not involved in the energy conversion process.   The energy of a photon is given by,  . λ. (1.1). where, h is Planck’s constant 4.135×10‐15eV.s, c the speed of light in vacuum 2.998×108m/s, and λ is  the wavelength in nm. We conclude that, if λG is the wavelength of a photon with energy EG, equal  to the semiconductor band‐gap, only photons with λ< λG, are absorbed. For crystalline Silicon, at  300K,  EG=1.12eV,  and  thus,  λG  =  1107nm  [1.3].  Considering  a  polychromatic  photon  flux  density  characterized by a distribution function ф(λ), the fraction of power density that can be absorbed  (Pabs) by a semiconductor of band gap EG is thus, . Φ λ. λ. Φ λ. (1.2). λ. and the fraction that can be converted into useful energy through the electron‐hole pair generation  process is,  . Φ λ. Φ λ. (1.3). λ. The results obtained using equations 1.2 and 1.3 are clearly dependent on the distribution function  Φ (λ). Standard Test Conditions (STC) is used as a reference for the comparison and rating of PV  devices: 1000W/m2 of broadband irradiance, with a spectral distribution according to the Air Mass  (AM)  1.5  global  spectrum,  and  a  device  temperature  of  25˚C.  Applying  STC  distribution  function  AM1.5 to equations 1.2 and 1.3, it is thus possible to determine the upper limit values of the useful,  non‐absorbed and thermalized energy fractions that can be expected using a given semiconductor  material  characterized by an energy gap EG. These results are presented in Fig. 1.1 for a crystalline  Si semiconductor, leading to the conclusion that if silicon is used as an absorber, one may expect  that approximately 50% of the incoming solar power may be efficiently absorbed and be used to  convert it into electricity, the other half being lost due to spectral mismatch. 38% will be lost by  inefficient absorption and is thus thermalized, and the remaining 13% of the energy fraction will  pass through the semiconductor without being absorbed. . 10 .

(15)   Figure 1.1 Thermalized, useful, and non‐absorbed fractions of the AM1.5 spectral distribution for a  crystalline Silicon semiconductor, calculations considering EG=1.12eV. .   The figure plotted above represents an estimative of the optimal absorption considering the effect  of Si energy band gap alone. Reflectivity on the semiconductor surface also has a part to play in the  device losses which is  not accounted. Furthermore, for  the conversion of the  absorbed  fraction,  other important mechanisms for the operation of a solar cell that contribute to decrease solar cells  performance,  such  as  the  electrical  and  recombination  losses.  The  efficiency  limit  for  energy  conversion  of  a  semiconductor  p‐n  junction  Si  PV  cell,  taking  into  consideration  all  the  known  operating mechanisms, has been determined to be around 30% [1.4‐1.6]. If thermalization and non‐ absorption  losses  are  overcome,  by  mechanisms  such  as  photon  up  and  down  conversion,  the  theoretical energy conversion limit for a Si junction solar cell under non‐concentrated sunlight could  go up to 47.6% and 38.6% for up and down conversion respectively [1.7‐1.9].  Important developments have been made to improve Si solar cells performance in the past. In Fig.  1.2 is shown the chronological overview of the world record evolution for laboratory cell efficiencies,  for different technology families (Si based and others), which is continuously updated and compiled  by the National Renewable Energy Laboratory (NREL). The most efficient silicon single junction solar  cells ever made present 21.3% and 25.3% efficiency, for multi‐crystalline (mc), and single crystalline  substrates respectively. Also, Si solar cells using hetero structures (HIT) technology, have reached  an efficiency of 26.6%.  . 11 .

(16)   Figure 1.2 Evolution of the world record efficiencies of various types of laboratory cells [1.10] .   In  the  early  years  of  solar  cell  technology  the  only  viable  use  of  these  devices  was  for  space  applications, such as satellites, where the high cost of the device was not an issue. This paradigm  started  changing  after  the  first  oil  crises  in  the  70’s.  The  interest  in  Solar  PV  technologies  as  a  terrestrial power source grew substantially, and led to a rapid growth of the solar cell industry and  the  development  of  a  technological  competition,  as  can  be  seen  in  Fig.  1.2.  Some  solar  cell  technologies  emerged  as  potential  cost  reduction  players,  such  as  thin  films.  Nevertheless,  the  dominant process to make solar cells for terrestrial applications was, still is, and probably will be at  least in a near future, a crystalline silicon wafer based processes. In Fig. 1.3 the evolution of global  solar production breakdown by technology is presented for the latest years, showing that crystalline  silicon PV technology currently holds a dominant worldwide market share.   . 12 .

(17) . Figure 1.3 PV Market Share by cell technology [1.11]    Most of the current available commercial solar cells use boron‐doped mono‐crystalline or multi‐ crystalline silicon wafers (c‐Si or mc‐Si). Silicon is thus the dominant semiconductor material for PV  applications. In fact, in the early years of this technology, silicon wafers for solar cells were produced  using the left overs of the microelectronic industry, since the Si grade quality required for solar cells  is not as demanding as microelectronics.  In its raw form, silicon exists as sand and quartz (SiO2). To be useful for semiconductor applications  it must go under a very energy intensive and time consuming process. It must be refined to a very  high purity level, and, for efficient devices, it must be in a crystalline form. Firstly, silicon in silicate  or oxide form is reduced with the use of carbon electrodes at temperatures above 1900 ºC [1.12].  The resulting material melted and refined, resulting in the metallurgic silicon, with a purity of 98‐ 99% [1.12]. To further purify it, the metallurgic silicon reacts with HCl to form SiH4 and SiHCl3 gases.  From  these  gases,  using  either  the  Siemens  process  by  Chemical  Vapor  Deposition  (CVD),  or  Fluidized Bed Reactor process, poly silicon is obtained with a purity of 99.9999% [1.12]. Finally, in  the standard industry, this material is crystallized in a mono‐ or multi‐crystalline block or ingot.  In recent years, the advances in the PV industry were strongly compromised by the availability of  poly silicon [1.13]. From 1996 to 2007, the PV market exploded, with a growth rate of about 30% to  35%  per  year  [1.14].  This  strong  demand  increase  drove  the  problem  of  poly  silicon  material  shortage for silicon solar cells  applications that is  clearly  reflected in the PV technology learning  curve (see Fig. 1.4), that presents an anomalous increase in prices observed in the PV module at  approximately 10 GW cumulative PV production. This PV module price increase, that was due to a  shortage  in  the  availability  of  poly  silicon,  marks  an  important  shift  in  the  PV  industry,  since  it  corresponds to the period when it was clearly understood that the PV industry could not depend  anymore on the leftovers of the microelectronic industry, and that a production line of the so‐called  Solar Grade Silicon (SGS) was needed [1.13], which led to further decrease in PV module price (see  Fig 1.4). The data in Fig. 1.4 also shows that, since 1976, the module price per watt peak (Wp –  output power under STC) fell 2 orders of magnitude with the increase in the production volume. . 13 .

(18)   Figure 1.4 Learning curve for PV modules for the mid 1970’s to 2013 [1.15] . The disaggregated costs of the solar PV modules and silicon wafers, are displayed in Fig. 1.5. First of  all  it should be stressed that the highest contribution to module cost comes from the processes  previous to the cell, more precisely, from the processes of transforming silicon into wafers, the base  material  where  the  remaining  components  of  a  solar  cell  are  afterwards  incorporated.  The  first  reason for this lies in the fact that all processes that are actually most used to produce the crystalline  silicon  wafers,  such  as  the  Czochralski  (CZ),  Bridgman  or  the  Block‐cast  [1.16,  1.17],  are  energy  intensive, because they require high temperatures (about 1500 ºC) to melt a large volume of silicon  in a high purity crucible. Furthermore, these processes waste very high purity and quality material  because after the process of crystallization in an ingot or block, the resulting silicon crystals must be  sawed, using a saw that uses wires about the same thickness of the desired wafer thickness, and  thus imposing a waste of about 50% of the material (commonly referred as kerf losses) [1.18]. .   Figure 1.5 Cost distribution of the solar module and silicon wafers fabrication [1.17] .  . 1.2 Alternative silicon growth methods for solar cell applications  One  of  the  pertinent  solutions  towards  achieving  a  low  cost/Wp,  is  finding  an  optimal  way  of  eliminating  material  loss,  while  reducing  the  high  amount  of  energy  used  in  the  crystallization  process, without compromising the quality of the base material for the solar cell. To achieve this, . 14 .

(19) alternatives that short‐circuit the ingot and wafering path, have been presented, such as thin films,  silicon  ribbons  and  foils  [1.19].  In  this  section,  some  alternative  paths  to  produce  and  grow  Si  substrate materials for solar cells are presented, with a special focus on ribbon processes, and in  particular the Silicon over Dust Substrate process. . 1.2.1 Gaseous phase growth  The substrate material for the solar cell can be grown directly from silane or chlorosilane gases in a  detachable or low‐cost substrate. For such procedure, Chemical Vapor Deposition (CVD) is used for  depositing  silicon  on  a  substrate  at  high  temperatures.  Using  a  gaseous  mixture  of  H2  and  the  precursor SiH4 or SiH, which is thermally decomposed at the hot surface of the substrate, Si layers  of a few microns, 5 to 50 m, are deposited on a substrate that is prepared so that the deposited  film is releasable onto a carrier substrate [1.20], see Fig. 1.6. Such technique is applied to produce  thin films with an amorphous structure for solar cells. The amorphous structure presents a limitation  towards the fabrication of efficient solar cells. Furthermore, using a substrate to support the film  growth presents a source of contamination which either limits the film quality or increases costs by  using substrates of high purity.  .   Figure 1.6 Gas‐phase wafer growth by CVD onto a releasable substrate [1.20] . 1.2.2 Liquid phase growth  Growing substrates for solar cells from the melt directly into a planar form represents one of the  paths  to  significant  reduce  the  cost  per  Wp.  Such  processes  achieve  a  crystalline  structure  by  growing the crystal from the melt in a ribbon form, which is more suited for solar cell applications.  The ribbon growth processes can be divided into either vertical or horizontal growth depending on  the  crystal  pulling  direction.  The  most  mature  methods  of  growing  ribbons  vertically  are  Edge‐. 15 .

(20) defined film‐fed growth (EFG) and String Ribbon (SR), and Ribbon Growth on a Substrate (RGS) for  horizontal growth.   The RGS technique (Fig. 1.7D) allows the fastest growth rates among these techniques, 600cm/min,  consequently the throughput is also high 7500cm2/min [1.22]. However, it has the main limitation  of using a substrate to support the crystal growth, and crystals produced with this technique also  exhibit high carbon concentrations [1.21], which compromises quality.  The most mature method of growing ribbons vertically is the EFG, a process that has already reached  an  industrial  phase,  achieving  a  total  module  production  above  20  MWp  [1.23].    However,  the  production of solar modules by Schott Solar using this technique ceased in 2009. As shown in Fig.  1.7A, in this method the lower part of the meniscus is formed and shaped by a graphite die, through  which an octagonal silicon pipe is directly pulled from the melt at rates approximate to 1.7cm/min,  which is then cut into slices. Due to the use of the graphite die a high carbon contamination is also  seen in the resulting ribbons [1.23].   Other technique of growing ribbons vertically that reached an industrial stage is String Ribbon [1.24].  Companies  such  as  Evergreen  Solar  and  Solivo  A.  G.  produced  modules  using  cells  made  from  substrates obtained by a SR process. For this method a slightly different approach than EFG is used  as may be seen in Figure 1.7B: strings that are fed through the molten Si and provide edge support  of the growing ribbon, which are used to pull the ribbon from the melt [1.25]. Si substrates obtained  using SR method can be grown at 1 to 2 cm/min and exhibit low oxygen concentration, but still high  carbon concentrations [1.25].  Another  interesting  vertical  ribbon  growth  method  is  the  Ribbon  of  a  Sacrificial  Template  (RST)  [1.26].  This  method  combines  two  of  the  previous  concepts,  the  vertical  growth  direction  is  combined  with  the  use  of  a  substrate  (Fig.  1.7D),  which  allows  faster  vertical  growth  rates,  but  carries the disadvantages of the vertical and horizontal techniques in terms of contamination. . 16 .

(21)   Figure 1.7 Ribbon growth techniques schematics: (A) Edge‐defined film fed growth; (B) String Ribbon  growth; (C) Ribbon growth on a substrate; (D) Ribbon on a Sacrificial Template growth schematics adapted  from [1.28] .   In Table 1, an estimation of the amount of Si feedstock that is used to fabricate 1Wp in gSi/Wp is  shown for each ribbon growth method (RST process was not considered). Since the referred ribbon  techniques grow crystals with a mc‐Si structure [1.27] techniques are compared with mc‐Si ingot  values. It can be seen that a significant reduction in the Si feedstock per Wp produced is achieved  when using Si ribbon growth processes.  Table 1.1 Silicon feedstock usage per produced Wp, adapted from [1.28] . Material . Thickness [μm] . η [%] . gSi/Wp . mc-Si ingot . ~250 . 15 . 10.5 . EFG .   300 . 16 . 4.4 . SR .   300 . 16 . 4.4 . RGS .   300 . 13 . 5.4 .  . 17 .

(22) Nevertheless, in ribbon growth processes, depending on the conditions, different crystallographic  defect concentrations and distributions may be obtained. Also, grain size decreases in general with  increasing ribbon pulling speed. One of the major drawbacks with ribbon silicon materials is their  high  defect  density  and  generally  higher  contaminants  concentration  compared  to  directionally  solidify multi‐crystalline silicon wafers [1.28]. Efforts are being made towards reduction of these  impurities in ribbon growth technologies, which the works of G. Hanh extensively report.   . 1.2.3 Silicon on Dust Substrate process    The Silicon on Dust Substrate (SDS) process, developed at Instituto Dom Luiz, Faculdade de Ciências,  Universidade  de  Lisboa,  is  a  new  approach  to  grow  silicon  ribbons  for  solar  cells  directly  from  a  gaseous feedstock [1.29–1.32]. This process has been developed in the last decade on a laboratorial  level and is presently meeting the challenge of industrialization. In this process, a self‐supporting  silicon sheet produced directly from a silicon gaseous feedstock by a fast CVD step using gaseous  Silane (SiH4), at high rate, low temperature (approximately 800ºC) and atmospheric pressure. The  SiH4 is decomposed by the follow pyrolysis reaction, . →2. (1.4).   The deposition of Si occurs on top of a thin silicon dust layer that is placed on a quartz plate. This  deposition  process  guaranties  high  homogeneous  nucleation  rates  of  silicon  nano‐particles  with  high purity, and at low temperatures, making it a relatively low costs. The resulting film has a nano‐ porous structure, which, after being detached from the dust layer, is self‐sustaining with thicknesses  ranging from 300 to 400 µm. The remaining detached silicon dust acts as a sacrificial layer that can  then be reused as bed for a new deposition. The CVD is done at atmospheric pressure and at low  temperatures, which permits a fast deposition process. The drawback is that the resulting Si sheet  is porous Si and as a very low nano‐crystalline quality, which is unsuitable for solar cell applications.  Therefore, the porous sheet (designated as pre‐ribbon) must go through a crystallization process by  float zone melting. Here an onsite doping step can be done by spraying the pre‐ribbon with boric  acid [1.33]. After the crystallization process, the resulting sheet has multicrystalline structure that is  suitable for use as a substrate for a solar cell (designated as ribbon). In Fig. 1.8, the SDS process  flowchart is shown.  . 18 .

(23)   Figure 1.8 Silicon over Dust Substrate process schematics adapted from [1.32]    This flowchart highlights the SDS process advantages. Firstly, the used substrate is made of high  purity silicon produced inside the reactor, and therefore minimizes the sources of impurity from  foreign materials and cost associated with the use of high purity substrates, such as quartz, that are  usually employed in other Si film growth techniques. Furthermore, it has a low energy budget, since  the fast CVD is performed at atmospheric pressure and low temperature. Lastly, the final Si ribbon  is of high quality, since the crystallization process is made by float zone crystallization with in situ  doping without any contact with foreign materials. On the SDS laboratorial proof of concept phase  the CVD system worked on a continuous mode, with a deposition rate of about 20 μm/min, and  constant  advance  speed  of  10  mm/min.  However,  the  first  solar  cells  made  using  the  produced  substrates exhibited a 7.6% efficiency [1.34]. Most recent developments with a new CVD furnace  foresee to obtain solar cells with 14% [1.35] efficiency,  a  value still low to obtain devices with a  suitable cost/Wp. Also, the current crystallization system works only in batch mode.   Further concept improvement and research are needed if a fully operational industrial pilot system  is to be reached. From the similar techniques used to grow silicon ribbons for solar cells, it is known  that,  apart  from  impurity  content,  the  main  factor  limiting  the  substrate  quality  is  the  high  crystallographic  defect  density,  namely  dislocations,  which  are  produced  due  to  high  thermal  gradients  during  crystalline  growth.  A  new  zone  melting  crystallization  furnace  that  allows  minimizing the temperature field inhomogeneity during the crystal growth process, may unlock the  potential of the SDS technique to produce low cost silicon sheets for solar cells with enough quality  to produce high efficient devices.   . 1.3 Zone Melting Crystallization    In 1950, the Zone Melting Crystallization (ZMC) technique was introduced as a technique to produce  crystalline thin films. This technique was patented by Leitz [1.36], and was used for both refining  and purification processes. The basic principle, which was also applied in the present work, is quite  simple: a localized molten zone is created by a focused energy beam and a scan is performed along . 19 .

Imagem

Figure 1.3 PV Market Share by cell technology [1.11] 
Figure 1.10 Previous ZMR setup: A) cross section schematics, B) ZMR Furnace front, with the top part open   
Figure 2.3 Yield stress for single crystal Si as a function of temperature [2.9]    
Figure 2.5 Molten zone system: boundary layers   
+7

Referências

Documentos relacionados

My own students at the Escola Superior de Educação are studying to become teachers of Portuguese and English. Although some of them will specialize in one of the two

No seguimento da elaboração de um projeto de investigação a decorrer no âmbito do 2º ciclo em Psicologia Clínica na qualidade de aluna, Alexandra Lobo, sob orientação

 Separação de uma amostra de folhas de cada um dos ramos das duas classes para determinação posterior em laboratório do teor de humidade.  Pesagem das amostras

Abstraindo os contextos institucionais a que essas narrativas pudessem remeter, e considerando so o seu aspecto formal, ou antes sua materia fantastica e sua estrutura (as

Relembrando, em sentido lato define-se simbolismo como “um modo de representação indirecta e figurada de uma ideia, de um conflito, de um desejo inconsciente; neste sentido,

Os dados obtidos revelaram diferença significativa entre os dois cultivares, sendo que as variáveis número de pencas por cacho e número de frutos por pencas foram maiores para

A infestação da praga foi medida mediante a contagem de castanhas com orificio de saída do adulto, aberto pela larva no final do seu desenvolvimento, na parte distal da castanha,

Finally, correlating the diffusion behaviour of phage nanoparticles from tracking results (Figure 4 ) to the images obtained after drying of phage suspensions (Figure 6