Metalização Serigráfica de Células
Solares Bifaciais
Adriano Moehlecke
Izete Zanesco
Ana P. Mallmann
Dario Eberhardt
Gabriel F. Pereira
Resumo
O objetivo deste trabalho é apresentar a implementação de um processo de metalização de baixo custo, baseado em serigrafia, para fabricar células solares bifaciais. Para tal, foi otimizado o desenho da malha metálica e a estrutura da célula solar considerando as características das pastas serigráficas, foi projetada e fabricada uma máscara de metalização, foram implantados um “screen-printer” de precisão e um forno de esteira para recozimento de pastas de metalização e foram fabricados protótipos de células solares bifaciais. Os primeiros resultados indicam que é possível obter trilhas de 100 µm de largura, 15 µm de altura e de baixa resistividade. Contudo, as células solares apresentam resistência série da ordem de 5-9 Ω, muito acima do esperado, afetando fortemente a eficiência dos dispositi-vos e estes problemas são originados da resistividade de contato entre metal e semicondutor.
Prof. Adriano Moehlecke, Profa. Izete Zanesco, Ana P. Mallman, Dario Eberhardt e Gabriel F. Pereira Centro Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Fotovoltaica – CBSolar Faculdade de Física -Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia de Materiais Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul – PUCRS Av. Ipiranga, 6681 – Prédio 96A – Porto Alegre – RS – CEP 90619-900 Telefone: 51 3320 3682 – Fax: 51 3320 3616 – E-mail: moehleck@pucrs.br
Apresentação Oral
Tema: Fontes Renováveis de Energia Perspectiva: Tecnológica
1 - Introdução
Atualmente, as células solares de maior eficiência fabricadas sobre lâminas de silício, em escala industrial, possuem a estrutura n+pp+. A região n+ forma a junção pn e a
região p+ tem como principal função repelir os portadores minoritários gerados pela
radiação na base, aumentando a tensão produzida pela célula fotovoltaica. Normalmente, a face n+ é a face frontal da célula solar e a p+ é a posterior. Se o tempo de vida dos
portadores minoritários for suficientemente grande para permitir que estes, gerados na face posterior, alcancem a junção pn, a estrutura acima citada pode ser usada para células bifaciais. Estas células são ativas em ambas faces e assim, com a mesma quanti-dade de material semicondutor, é possível produzir uma maior potência elétrica quando associadas a sistemas de concentração da radiação solar.
Um passo importante para melhorar a relação eficiência/custo é a metalização das células. Como se sabe, é necessário depositar uma malha metálica para coletar os portadores de carga gerados no dispositivo. A grande maioria das células de silício atualmente comercializada emprega a serigrafia para depositar uma pasta de prata ou alumínio sobre as faces da lâmina. Este método é de relativo baixo custo, produzindo-se linhas metálicas da ordem de 100 µm, mas cria impedimentos quanto ao desenho de uma célula solar ótima, como por exemplo, a necessidade de uma alta concentração de dopantes em superfície.
Este trabalho descreve os primeiros resultados da implementação de um processo de metalização serigráfica de células solares bifaciais fabricadas por processos térmicos rápidos.
2 - Otimização das Regiões N
+e P
+E da Malha Metálica
Para desenhar a malha metálica das células solares, inicialmente devem-se otimizar as regiões altamente dopadas com fósforo (n+) e com boro (p+), considerando as
caracterís-ticas da metalização empregada. A metalização por serigrafia, embora de baixo custo, tem alguns inconvenientes: a) alta resistividade de contato, b) baixa definição das trilhas, obtendo-se valores médios de 100 µm e assim, elevados fatores de recobrimento de superfície. Para resolver o primeiro problema, as regiões altamente dopadas devem ter concentrações de superfície (CS) da ordem de 1020 cm-3. Assim, antes de desenhar a
máscara para serigrafia, simularam-se células solares com estas condições a fim de en-contrar os parâmetros das regiões n+ e p+ ótimos. Foi definida uma área de 2x2 cm2
para as células solares, típica de células fabricadas em laboratório.
As células solares foram simuladas com o programa computacional PC-1D [1], que simula dispositivos bipolares em uma dimensão e com um programa desenvolvido para otimização das malhas metálicas. As resistências relativas a uma malha de metal deposi-tada por serigrafia foram calculadas usando equações extraídas da literatura [2]. As resistividades de contato (ρC) de trilha (ρt) foram extraídas da referência [3]. As dimen-sões consideradas para os dedos que constituem a malha metálica foram: espessura (t) de 15 mm e largura (L) de 100 µm. O comprimento dos dedos é o típico de células de 2 cm x 2 cm, isto é, 1,95 cm.
O procedimento de otimização está baseado em reduzir as perdas de potência devido a resistência da malha metálica, resistência entre metal e semicondutor, resistência das regiões altamente dopadas e o fator de sombra, considerando os trabalhos de Flat e Milnes [4]. Assim, foi implementado um programa em Visual Basic onde são introduzidas as características da metalização e das células solares sem metal simuladas previamente com o programa PC-1D e se obtém a melhor distância entre dedos de metal e a melhor largura do “busbar”, isto é, da barra coletora de portadores de carga. Para cada região altamente dopada n+ e p+, se determina uma distância entre dedos ótima e, então, o
número de dedos existente em uma área de 4 cm2. Com estes valores calculam-se as
resistências em série da célula solar e o fator de sombra e estes são introduzidos no programa PC-1D para simular a célula com malha metálica. Tendo em vista que larguras menores que 100 mm são difíceis de reproduzir em produção em larga escala, este parâmetro foi fixado neste valor nas simulações.
A Figura 1 mostra a variação da eficiência das células solares em função da concentra-ção de superfície e da espessura da região n+. Como era esperado, células com elevada C
S
tem seu ótimo de eficiência para baixas espessuras devido a recombinação em volume do emissor. As células com menor concentração de dopantes em superfície necessitam espes-suras maiores devido ao efeito da resistência entre os dedos diminuir com a espessura. As características ótimas da região n+ e da malha metálica são: C
S = 1x1020 cm-3,
profundida-de = 0,7 µm, resistência profundida-de folha profundida-de , malha metálica com oito dedos de 100 mm, “busbar” de 320 mm de largura, fator de sombra de 5,4%. Para a região p+, os
melhores parâmetros são: CS = 1x1020 cm-3, profundidade = , malha
metálica com oito dedos de 100 mm igualmente distribuídos sobre a área de 4 cm2,
“busbar” de 320 µm. A obtenção de tais parâmetros permite eficiências de 16,7% sob iluminação padrão pela face n+ e 15,9% com iluminação pela face p+.
Figura 1 - Eficiência de células solares n+pp+, segundo diferentes características da região n+.
3 - Metalização Serigráfica de Células Solares
A metalização por serigrafia tem sido usada na indústria eletrônica desde o fim dos anos 40 e atualmente é a forma mais usada pela indústria de módulos fotovoltaicos para deposição de metal sobre as células solares. De forma geral, se caracteriza pela deposição sobre um substrato de uma pasta contendo um material condutor, geralmente prata e alumínio, e este é
recozido sob ambiente controlado para produzir os contatos. O desenho que será formado sobre a lâmina é definido por uma máscara formada por fios de aço inox ou de plástico.
As pastas serigráficas para metalização são compostas de uma parte funcional, uma parte ligante e excipientes. A parte funcional é normalmente o material condutor. No caso de células solares de silício, o material mais empregado é a prata e em alguns casos, prata com um determinado percentual de alumínio. A parte ligante é um vidro ou um óxido metálico que se funde a altas temperaturas, formando uma liga com o silício, proporcionando rigidez mecâ-nica à pasta. Os excipientes são solventes e adesivos. Para eliminar estes solventes, após o processo de deposição da pasta, a lâmina deve passar por um passo de secagem com tempe-raturas de 125°C-350°C, com tempos variando de 2 a 10 min, dependendo do forno utilizado. Os adesivos têm a função de manter a malha depositada depois das diversas seca-gens que uma lâmina deve ser submetida, segundo o número de deposições serigráficas. Depois da secagem das pastas, as lâminas passam por um processo de recozimento a alta temperatura, processo normalmente efetuado de 700 °C a 1000 °C com o objetivo de formar uma liga entre as partículas de vidro e a lâmina de silício e, ao mesmo tempo, fazer com que o metal que compõe a pasta também forme uma liga com o substrato, formando uma trilha condutora sobre a lâmina de silício.
Neste trabalho foram usadas pastas serigráficas da DuPont. Das diversas pastas da linha Solamet, optou-se por realizar os testes de metalização das células com: 1) PV156, com-posta de prata, considerada de uso geral e de elevada condutividade (3,0 a 4,5 µΩ.cm); 2) PV202, pasta com prata e 2,5% de alumínio, sendo usada para formar trilhas de baixa resistividade de contato sobre superfícies de silício com baixa concentração de dopantes tipo p em superfície, tendo resistividade de 5-7 µΩ.cm.
O equipamento que foi implementado para depositar as pastas é um “screen-printer” de precisão, com área útil de impressão de 8" x 8" (veja Figura 2), com sistema hidráulico para movimentar o rodo, sistema pneumático para movimentação do porta-lâmina, porta-lâmina com posicionamento ajustável e com linha de vácuo e movimentação com micrômetros para os eixos x e y e para deslocamento angular.
Figura 2 - (a) Equipamento para serigrafia de precisão e (b) detalhe da máscara durante a colocação da pasta serigráfica sobre a mesma.
A máscara usada nos testes de metalização tem o desenho de sete células solares de 4 cm2 com dedos de 100 µm de largura. Além disto, na mesma máscara foram desenhados
cinco dispositivos para determinação da resistividade da trilha metálica, dois para obtenção da resistividade de contato e quatro cruzes para alinhamento, conforme mostra a Figura 3. Figura 3 - Fotografia de uma lâmina de silício metalizada segundo o desenho da máscara. Destacam-se as sete células de 4 cm2, quatro estruturas para medida da
resistividade de trilha, duas configurações para medida da resistividade de contato e as cruzes de alinhamento. A estrutura para medida da resistividade de contato da esquerda (com letras A, B e C) foi extraída da referência [5] e a da direita, da referência [3].
O esquema do forno usado para a secagem e queima das pastas metálicas é mostrado na Figura 4. Seu sistema de alimentação é de tipo esteira, sendo composto de uma zona de entrada, três zonas de aquecimento e uma zona de refrigeração. A temperatura máxi-ma de operação do forno é de 1000°C. O controle da velocidade da esteira e da tempe-ratura é realizado através de um computador.
4 - Fabricação de Células Solares por Processos Térmicos Rápidos
Depois de texturizar as superfícies das lâminas de silício, as mesmas passam por uma limpeza RCA e são depositados os líquidos que contém dopante tipo n (Phosphorus sílica film P509, da Filmtronics) e tipo p (PBF20, também da Filmtronics) por “spin-on”. Primeiro são colocadas algumas gotas do líquido sobre a amostra e centrifuga-se a mes-ma a 3000 rpm por 20 s. Então, a amostra é colocada em umes-ma estufa a 200 °C, permanecendo nesta por 20 min. Nesta etapa, são retirados os solventes (metanol), permanecendo um óxido de boro ou fósforo. Depois as lâminas são levadas ao forno de processamento térmico rápido para difusão.
Figura 4 - Esquema do forno de recozimento de pastas, identificando a esteira e as zonas de aquecimento e de resfriamento.
Um dos objetivos do processo térmico rápido é reduzir o custo do processamento e, por esta razão, a difusão dos dopantes é realizada em um único passo térmico. A fim de determinar a melhor temperatura e tempo de processamento, foi executada uma série de difusões e verificou-se que é muito difícil obter as regiões ótimas de forma simultânea. Em trabalhos anteriores verificou-se que, usando um forno de processamento térmico rápido de pequeno porte eram necessárias temperaturas de 1000 ºC [7]. No entanto, trabalhos subseqüentes mostraram que esta temperatura dava lugar a regiões n+ e p+ muito dopadas
e profundas, com resistências de folha muito abaixo do desejado [8]. Deste modo, neste trabalho foi utilizado um processo térmico rápido a 900 ºC durante 2 min, dando lugar a resistências de folha de para as regiões n+ e p+, respectivamente.
Para evitar a produção de defeitos na lâmina de silício devido ao aquecimento/ resfriamento muito rápido, foram utilizadas rampas de subida de temperatura da ordem de 40 ºC/s a 50 ºC/s. No entanto, na redução da temperatura até 820 °C, as rampas devem ser lentas, da ordem de 1ºC a 2 ºC [9], [10].
Em todos os processos foram utilizadas lâminas de silício circulares, de 100 mm de diâmetro, tipo p, dopadas com boro, resistividade de 9-15 Ω.cm, Cz, <100>, com superfícies “as cut” e espessuras de aproximadamente 320 mm.
5 - Resultados Experimentais
A fim de implementar a metalização por serigrafia e analisar sua performance, foram processados três lotes de células solares, com mais de 70 células fabricadas e caracterizadas.
Para a secagem das lâminas usou-se a temperatura de 350°C nas três zonas do forno e a velocidade de transporte de 27,94 cm/min, valores extraídos dos trabalhos do Grupo de Semicondutores da Universidade do País Vasco, que realizaram testes com diversos tipos de pastas serigráficas [3], [6]. Inicialmente, deposita-se a pasta em umas das faces, neste caso primeiro a face posterior de tipo p e realiza-se a secagem. A seguir, deposita-se a pasta na face frontal, de tipo n, e novamente secam-se as pastas no forno de esteira.
Em relação a pasta PV202, usada no primeiro lote observou-se que a mesma mostrou boa aderência à lâmina. Por outro lado, a PV156, usada no segundo lote, não apresentou a mesma aderência e, principalmente na face dopada com boro (tipo p), observou-se o descolamento dos dedos metálicos após o processo de secagem, comprometendo as características elétricas dos dispositivos fabricados. No terceiro lote a temperatura de secagem foi reduzida para 150 °C e não se observou o descolamento da malha metálica depositada na face p.
A queima das pastas foi realizada com uma velocidade e 46,5 cm/min, com tempera-tura máxima de 700 °C. Foi escolhida esta temperatempera-tura porque este é um valor inicial normalmente usado para ajuste deste processo [3], [6].
As deposições das pastas foram analisadas inicialmente com microscopia óptica e eletrônica de varredura. Verificou-se que foram obtidos os dedos metálicos desejados com larguras de 100 µm e alturas de 10 a 18 µm. Em alguns casos, observaram-se dedos menores, de até 80 µm e também maiores, chegando a 130 µm de largura. A Figura 5 mostra os dedos metálicos obtidos por serigrafia, podendo-se observar a largura e a espessura dos mesmos.
As células fabricadas com a pasta PV202 apresentaram sérios problemas de resistên-cia paralelo. Uma resistênresistên-cia paralelo reduzida degrada as características elétricas da célula solar, diminuindo o fator de forma e quando acentuada, reduz a tensão de circuito aberto e em casos extremos também a corrente de curto-circuito. Este problema é atribu-ído a perfuração da junção pn pela metalização. No caso do uso da PV202, o percentual de alumínio existente na mesma faz com que se produza, a 700 oC, uma dissolução do
silício em alumínio e este penetra na lâmina em forma de pontas (“spikes”), existindo a possibilidade de perfurar a junção pn [6]. Assim, para as células estudadas com profun-didades de 0,7 µm (estimadas a partir da medida da resistência de folha), tal pasta não se mostrou adequada.
Figura 5 - (a) Dedo metálico de 102 µm de largura (aumento de 500 X) e (b) secção transversal do dedo metálico com 11, 8 µm de altura (aumento de 1500X). Fotografias obtidas com o microscópio eletrônico de varredura da PUCRS.
No segundo e terceiro lote foi usada somente a pasta PV156. Nestes casos, foi obser-vada uma resistência série eleobser-vada em todas as células processadas. A partir da medida das características I-V, pela declividade da curva na região próxima da tensão de circuito aberto, pode-se obter um valor aproximado da resistência série. Para o segundo lote, o valor médio encontrado para as 20 células fabricadas foi de 9,9 Ω para iluminação pela face n+ e 32 Ω para iluminação pela face p+. Estes valores incluem a resistência da
malha metálica de ambas as faces, a resistência de contato entre metal e semicondutor, a resistência das regiões n+ e p+ e a da lâmina de silício. No terceiro lote, mesmo com uma
melhor aderência da pasta sobre a região dopada com boro, o valor médio para, 30 células, foi de 9,4 Ω e 50 Ω, com iluminação na face n+ ou p+, respectivamente.
Foi medida a resistência R das estruturas de teste para determinar a resistência de folha das trilhas metálicas e a resistividade da pasta serigráfica. Para calcular a resistên-cia de folha dos dedos R t e logo a resistividade ρt, foram usadas as seguintes equações:
onde L é a largura da trilha ou dedo, l é o comprimento do dedo e t é a espessura do mesmo. Foram usados os seguintes valores: l = 3,0 mm, definido no desenho, L = 0,1 mm e t = 0,015 mm, valores médios encontrados nas estruturas. O valor de R é obtido com um multímetro digital Keithley 2000, de 6½ dígitos, medida a quatro fios e com micromanipuladores. No segundo lote foi medida a resistência elétrica de 41 estruturas de teste e no terceiro, de 36 estruturas. Para o segundo lote obteve-se uma resistência de folha média de 4,2 mΩ/• e uma resistividade de 6,3 mΩ.cm e no segundo, cm para a face n+ e para a
face p+.
Os valores estão levemente acima dos valores colocados nos catálogos das pastas de prata do fornecedor usado. Pastas de outras empresas apresentam valores similares [3]: a pasta 3347, da empresa Ferro, ρt = 3 µΩ.cm e a 9187, da Euroinks, ρt = 4-7 µΩ.cm.
De qualquer modo, este resultado elimina a malha metálica como origem da elevada resis-tência série. Por exemplo, considerando que a contribuição à resisresis-tência total por parte dos dedos metálicos em uma malha de tipo pente pode ser calculada por [2]:
onde l é o comprimento do dedo (1,95 cm), A é a área da célula (4 cm2) e F é o fator
de transparência (malha ocupando 5,4% da área, F=0,946), as resistências correspon-dentes às resistividades observadas estariam no intervalo de 1 a 2 mΩ, duas ordens de magnitude abaixo dos valores observados nas características I-V.
Como foram observados problemas de aderência, a resistência de contato deve ser a causadora da alta resistência. Contudo as primeiras medidas realizadas sobre algumas estru-turas de teste, mostraram valores muito baixos de resistividade de contato, da ordem de miliohms, não condizentes com os resultados da resistência série observada nas curvas I-V.
Deste modo, atualmente estão sendo revistas as estruturas e as medidas a fim de identificar a origem da discrepância. Cabe comentar que as estruturas para determinação da resistividade de contato não são de análise trivial e são afetadas por correntes de fuga, pela geometria do contato e pela forma da passagem de corrente entre metal e semicondutor [3].
Como as células apresentam uma elevada resistência série, para estimar a corrente de curto-circuito sem o efeito desta, mediu-se a corrente elétrica sob polarização reversa (aproxi-madamente 2 V) e dividindo o valor encontrado pela área da célula, determinou-se a densida-de densida-de corrente (Jpr). Em células com elevada resistência série, aplicando-se uma tensão reversa a célula atinge um nível estabilizado de corrente (variações menores que 1%), valor que será igual ao de curto-circuito para o caso de células com resistência paralelo infinita.
A Tabela I apresenta as características elétricas médias das células e os valores máximos de tensão de circuito aberto e densidade de corrente elétrica. Também é apre-sentado o fator de simetria entre as duas faces das células bifaciais, isto é, a razão entre a corrente gerada pela face posterior e a corrente gerada com iluminação na face frontal. Os valores de tensão e densidade de corrente da célula sob iluminação frontal são bas-tante adequados para uma estrutura texturada, sem passivação de superfície e filme anti-reflexo. Por exemplo, nos trabalhos realizados por Pan [8], para células processadas no mesmo forno de processamento térmico rápido utilizado neste trabalho, mas com passivação de superfície e metalização por “electroless”, foram obtidas tensões de circui-to abercircui-to de 540 mV e densidades de corrente em polarização reversa de 27 mA/cm2.
Barañano [3] obteve valores de VOC=594-601 mV e Jsc=31-32 mA/cm2, em células
fabricadas em fornos convencionais e difusões de fósforo a partir de POCl3 e boro a partir
de BBr3 ou com pastas serigráficasricas em boro.
Tabela I - Características elétricas (sob 1000 W/m2, 25°), das células processadas.
Por outro lado, os resultados da iluminação pela face posterior estão abaixo dos espe-rados, com uma densidade de corrente de apenas 8-13 mA/cm2, atribuída a dois fatores:
reduzido tempo de vida dos portadores minoritários e ausência de passivação da superfí-cie da região tipo p+, normalmente mais recombinante que as superfícies dopadas com
fósforo. Esta corrente reduzida leva a fatores de simetria de apenas 42%, bastante abaixo dos encontrados em células bifaciais fabricadas em fornos convencionais que podem alcançar 98% [3], [11]. Com processos térmicos rápidos e lâminas de elevado tempo de vida e com superfícies passivadas, foram obtidos fatores de simetria de 77% em nossos laboratórios [8].
A elevada resistência série afeta fortemente o fator de forma e, em consequência, a eficiência. O fator de forma é calculado por FF = PMáx / (VOC . JSC), onde PMáx é a potência
máxima produzida pela célula e JSC é a densidade de corrente de curto-circuito. O valor
máximo do fator de forma foi de 0,37, para uma resistência série de 5,5 Ω, sendo que a melhor célula alcançou uma eficiência de 4,6%. Considerando as tensões e correntes elétricas obtidas e com um fator de forma típico de mais de 0,7, as células alcançariam eficiências de 11%, aproximando-se dos valores das melhores células bifaciais fabricadas com serigrafia em fornos convencionais que chegam a 14% com iluminação pela face n+
e 11% pela face p+ [3]. Cabe observar que estas últimas possuem superfícies passivadas
e filme anti-reflexo e tem espessura reduzida (150 µm).
6 - Conclusões
A metalização de células solares por serigrafia foi implantada e os primeiros lotes de células bifaciais foram fabricados com esta técnica. Foram instalados os equipamen-tos, otimizados o desenho da malha de metalização bem como a estrutura da célula solar e as primeiras máscaras foram confeccionadas e utilizadas para produção das células. Problemas de resistência série foram identificados e estão sendo estudados através da medida da resistividade de trilha e de contato e a temperatura de recozimento será um dos parâmetros a ser variado para obtenção de resistências série compatíveis com células de alta eficiência.
Os resultados dos primeiros lotes indicam que as correntes e tensões correspondentes à face frontal da célula são adequadas, mas os mesmos parâmetros para a face posterior indicam que melhorias devem ser implementadas no tempo de vida dos portadores minoritários e na passivação das superfícies.
7- Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio financeiro da CEEE - Companhia Estadual de Energia Elétrica, CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico e CAPES-Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior.
8 - Referências Biblográficas
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