Projeto e construção de um forno para processamento de células solares

Abstract

A produção de energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico requer o uso de dispositivos chamados de células solares. Dentre as etapas de fabricação de células solares a partir de lâminas de Si, a introdução de elementos dopantes pelo processo de difusão é a responsável pela formação da junção p-n, tornando as lâminas de Si passíveis de converter a radiação solar em energia elétrica. Para a realização deste processo são utilizados equipamentos denominados de fornos de difusão. O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento e caracterização de um forno de difusão convencional para a fabricação de células solares com aresta de até 150 mm. Foi realizado o projeto e montagem dos componentes do forno, assim como a caracterização térmica do mesmo com a definição da zona plana de temperatura e análise da uniformidade térmica radial. O forno foi projetado e desenvolvido em módulos que correspondem ao sistema de aquecimento, ao conjunto de componentes de quartzo e SiC, à estrutura, ao armário de gases, ao sistema de carregamento, ao sistema de fluxo laminar, ao sistema de exaustão, ao isolamento térmico e ao sistema de controle. Para a caracterização térmica do forno, foram utilizados nove termopares do tipo K, permitindo a medição da temperatura no interior do tubo de processamento nos sentidos longitudinal e radial. O forno foi analisado para as temperaturas de 725 °C, 800 °C, 875 °C e 965 °C no interior do tubo. Em 875 °C verificou-se uma zona plana de aproximadamente 200 mm como uma variação de até 5 °C no sentido longitudinal e até 4 °C no sentido radial.

The production of electric energy by photovoltaic effect requires the use of devices called solar cells. The introduction of dopant elements by diffusion processes are used to form the p-n junction in silicon solar cells. In this way the Si wafers are able to convert the solar radiation into electric energy. In order to dope Si wafers diffusion furnaces are utilized. The main objective of this work was the development and characterization of a conventional diffusion furnace for manufacturing solar cells with dimensions up to 150 mm x 150 mm. The project and assembly of the components of the furnace was carried out, as well as the thermal characterization with the definition of the flat-zone temperature and analysis of the radial thermal uniformity. The furnace was projected and developed in modules that correspond to the heating system, the set of components of quartz and SiC, the structure, the gases cabinet, the load system, the laminar flow system, the exhaustion system, the thermal isolation and the control system. For the thermal characterization of the furnace, nine thermocouples type K had been used, allowing the measurement of the temperature inside of the processing tube in the longitudinal and radial directions. The furnace was analyzed for temperatures of 725 °C, 800 °C, 875 °C and 965 °C in the interior of the tube. At 875 °C a flat-zone of around 200 mm was verified with a variation up to 5 °C in the longitudinal direction and up to 4 °C in the radial direction.