Desenvolvimento e análise de células solares base N com emissor seletivo formado por radiação laser

Abstract

Com a indústria de células solares tendo como base a produção de células com estruturas n+pp+ e, tendo em vista a degradação das características elétricas proporcionadas pela exposição à radiação solar, faz-se necessária a introdução de estruturas alternativas nas linhas de produção. Com o objetivo de desenvolver e analisar células solares em silício tipo n, foi implementado e analisado um processo de fabricação de dispositivos n+np+ com emissor seletivo p+ formado por radiação laser. Para reduzir os problemas de sobreposição do feixe laser e evitar a fusão e refusão de regiões da lâmina de silício, foram variados os parâmetros de operação do laser, como velocidade do feixe, frequência e foco. Foram fabricadas e caracterizadas células solares com emissores seletivos e homogêneos.Da análise com microscopia eletrônica de varredura, constatou-se que com a velocidade do feixe de 3000 mm/s e frequência do pulso de 20 kHz e 30 kHz (padrão 1 e 2, respectivamente) e três níveis (A, B e C) de enfoque do laser, se formam cavidades circulares com diâmetro de 60 μm a 110 μm. A eficiência máxima obtida em células solares n+np+ com emissor homogêneo foi de 15,2 % e com emissor seletivo e feixe focado sobre a lâmina de silício (padrão A1) foi de 13,8%. Salienta-se que houve células com emissores seletivos mais eficientes do que as de emissor homogêneo em quatro dos cinco processos realizados, sendo que no mesmo lote de processamento, a célula solar de emissor homogêneo alcançou 13,1%. Em relação ao dispositivo iluminado pela face p+, desta forma operando na configuração p+nn+, o valor máximo de eficiência foi obtido com o padrão A2, sendo de 12,9 %, superando o maior valor anteriormente obtido no NT-Solar/PUCRS que era de 11,6 %.

With the solar cell industry having n+pp+ cell structures as its production base and, having in mind that solar exposure causes degradation of electrical characteristics of long term, it is necessary to develop and optimize alternative structures. With the aim of developing and analyzing n type silicon solar cells, it was analyzed and implemented a fabrication process for n+np+ cells with selective emitters formed by laser radiation. To reduce the superposition problems of the laser beam and avoid cycles of melting and solidification of regions in the silicon wafer, parameters of the laser were varied, such as scan speed, frequency of pulses and focus. Solar cells with selective and homogenous emitters were manufactured and characterized. Regarding the scanning electron microscopy, it was observed that with a scan speed of 3000 mm/s and frequencies of pulses of 20 kHz and 30kHz (pattern 1 and 2, respectively), and three levels (A, B and C) of laser focus, circular cavities with diameters of 60 μm to 110 μm were formed. The maximum efficiency in n+np+ with homogenous emitters was 15.2% and, with selective emitters and focused laser beam (pattern A1) was 13.8%. It is important to point out that there were solar cells with selective emitter that were more efficient than with homogenous emitters in four out of the five processes, and in the same processing batch, the most efficient solar cell with homogenous emitter reached 13.1%. Regarding the device illuminated on the p+ face, in this case operating as a p+nn+ cell, the maximum efficiency was obtained with the A2 pattern, being 12.9% efficient, exceeding the highest value previously obtained in NTSolar/ PUCRS, which was 11,6%.