Resumen de Procesos de extracción de impurezas contaminantes y aplicación a estructuras de células solares
El objetivo de la tesis es proponer un modelo cuantitativo de explicación de los procesos de extracción de impurezas contaminantes en silicio, y aplicar dichos procesos a la fabricación de células solares de alta eficiencia.
Para el desarrollo del modelo se parte del análisis de dos técnicas de extracción fácilmente integrables en los procesos de fabricación de células solares, la extracción por aluminio y la extracción por fósforo, y se estudian los efectos competitivos debidos a la presencia de precipitados o defectos en materiales como el Czochralski o el Multicristalino.
El fenómeno de extracción por aluminio se explica con un modelo de difiísiónsegregación de las impurezas metálicas intersticiales a la capa líquida de aluminio-silicio que se forma, y se contrasta con experimentos de redistribución de aluminio en obleas a distintas temperaturas y con distintas duraciones. En el rango de temperaturas exploradas, el coeficiente de segregación tiene un valor del orden de 1000 a 6000, y una energía de activación de 1,3 eV.
En la extracción por fósforo, la segregación de impurezas al vidrio fosfosilicato y a la capa rica en fósforo superficial que se forma se ve acompañada de un inyección de autointersticiales, que favorece la expulsión de impurezas sustitucionales a posición intersticial, desde donde diñmden rápidamente. Se sostiene que el vidrio fosfosilicato puede ser líquido o sólido, dependiendo de la temperatura, dando lugar a dos coeficientes de segregación distintos, y los experimentos sobre material FZ parecen confirmar esta hipótesis. La segregación a fase líquida es similar a la de la extracción por aluminio, mientras que la segregación a fase sólida se debe a la existencia en dicha fase de centros que capturan impurezas.
El fenómeno de precipitación de impurezas ha sido modelado, corroborando que tiene lugar siempre que las impurezas estén presentes en concentración superior a su solubilidad sólida, y que el proceso está limitado por la difusividad de las impurezas metálicas hacia los núcleos de precipitación. También se modela el fenómeno de decoración de trampas asociadas a defectos cristalinos (dislocaciones y defectos de apilamiento, principalmente).
Todos estos fenómenos se integran en un modelo general, que simula la evolución de impurezas contaminantes en silicio durante procesos térmicos y, en concreto, procesos de extracción. Dicho modelo contempla los siguientes fenómenos: difusión de impurezas intersticiales y sustitucionales, segregación a una capa sumidero, interacción entre impurezas y defectos pimtuales, precipitación y disolución de impurezas (incluyendo captura en precipitados de oxígeno), decoración de trampas asociadas a defectos cristalinos y efecto del enfiiamiento posterior al proceso de alta temperatura.
Este modelo puede servir para sugerir experimentos y validar resultados que conduzcan a estimar algunos de los parámetros aún no suficientemente conocidos por la comunidad científica. Además, podemos obtener una gran cantidad de información de los resultados de la aplicación del modelo, que muestran efectos, tendencias y fenómenos que dificultan la extracción. En la tesis se modelan una serie de situaciones típicas, extrayendo conclusiones. Conceptualmente, el proceso de extracción consta de tres fases: (a) Liberación de impurezas en el caso de que se encuentren "fijas", es decir, sustitucionales, precipitadas o decorando trampas, pasando a ocupjir posición intersticial, (b) Difusión de las mismas hacia la capa sumidero, (c) Captura en dicha capa.
El modelo también relaciona la contaminación de las obleas y el tiempo de vida Shockley-Read-Hall descomponiendo éste en diferentes contribuciones, debidas a impurezas en diferentes estados: intersticiales, sustitucionales, en trampas o precipitadas. Se ve que la degradación que introducen las impurezas precipitadas en el tiempo de vida es menor que si estuviesen disueltas. Otra idea importante que se deriva del modelo es que, en general, no se puede hablar de tiempo de vida constante con la profundidad de la oblea. Un proceso de extracción de los arriba estudiados, dependiendo de su duración, puede dejar en el volumen del dispositivo un cierto número de impurezas, bien sustitucionales, bien precipitadas, desigualmente distribuidas. Esto tiene repercusiones importantes en el comportamiento de las células solares, que la asunción de un tiempo de vida constante no permite explicar correctamente.
El conocimiento en profundidad de los mecanismos de extracción permite abordar la aplicación de los mismos a estructuras de células solares. En concreto, se presentan dos estructuras: células de BSF de aluminio localizada que pierden el efecto de extracción por aluminio, y células bifaciales sobre material Cz, en las que se da el efecto de extracción por fósforo y el efecto competitivo de extracción intrínseca.
Se propone un proceso de fabricación de células con BSF de aluminio localizada y unión flotante posterior, basado en la extracción por fósforo y en la implementación sencilla de una unión flotante, sin pasos adicionales de fotolitografía o difusión. Los mejores resultados obtenidos mediante el proceso básico con las células de estructura posterior en peine son de 17,7%. Con estructura posterior en malla de puntos se han obtenido voltajes de circuito abierto de hasta 644 mV en obleas de 1,5 Qcm. El análisis de los resultados muestra que, debido a las fugas inherentes al modo sencillo de implementar la unión flotante, existen efectos bidimensionales. La estiiictura posterior en peine es más sensible a dichas fugas que la estructura posterior en puntos.
Con objeto de acercar la tecnología de células bifaciales del Instituto a la industria, se adapta el proceso al material Cz. El proceso finalmente adoptado reduce la temperatura y tiempo del último paso térmico, resultando en el crecimiento de un óxido pasivador de 100 Á, e incorpora un paso adicional de deposición de una doble capa antirreflexiva. Se obtienen células Cz tipo n con eficiencias próximas al 17% para iluminación por la cara n^ y en tomo al 15% para iluminación por la cara p+. Las células de Cz tipo p tienen mayores corrientes bifaciales, pero menores simetrías. Los mejores resultados, confirmados por el NREL, son de 17,7-15,2% de eficiencia en una célula de tipo n. Se han fabricado células que incorporan un decapado controlado de boro para reducir la recombinación en esta capa. Se obtiene en este caso una mejora sensible de las corrientes de cortocircuito, sobre todo la correspondiente a iluminación por la cara p^, lo cual permite alcanzar mayores simetrías y corrientes bifaciales. Sin embargo, se produce una disminución en la tensión de circuito abierto de unos 10 mV.
El análisis de los resultados ha permitido identificar como factores limitantes del comportamiento de las células la deficiente peisivación superficial, sobre todo en el emisor de boro, y el propio emisor de boro.
