Estudio y desarrollo de celdas solares basadas ... · Estudio y desarrollo de celdas solares...

©INAOE 2018 Derechos Reservados

El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en partes

mencionando la fuente.

por

Ing. Joaquín Salvador Córdova

Tesis sometida como requisito parcial

para obtener el grado de

MAESTRO EN CIENCIAS EN LA

ESPECIALIDAD DE ELECTRÓNICA

en el

Instituto Nacional de Astrofísica,

Óptica y Electrónica

Agosto 2018

Tonantzintla, Puebla.

Supervisada por:

Dr. Alfonso Torres Jácome

Investigador Titular del INAOE

Supervisada por:

Dr. Eugen A. Kuzin


Estudio y desarrollo de celdas solares basadas

en estructuras de silicio cristalino / silicio amorfo

dopado.

por

Oscar Javier Velandia Caballero

Tesis sometida como requisito parcial para obtener

el grado de

MAESTRO EN CIENCIAS EN LA

ESPECIALIDAD DE ELECTRÓNICA

en el

Instituto Nacional de Astrofísica,

Óptica y Electrónica

Septiembre del 2018

Tonantzintla, Puebla.

Supervisada por:

Dr. Mario Moreno Moreno

Dr. Pedro Rosales Quintero

Supervisada por:

Dr. Eugen A. Kuzin


I

Agradecimientos.

Le doy gracias a mi padre el señor Raimundo Velandia (Q.E.P.D) y mi

señora madre Amparo Caballero como a mis hermanos Omar Velandia y Olga

Velandia, por el apoyo incondicional brindado, a mi esposa Andrea Castañeda

que siempre fue mi motor de búsqueda de lo inalcanzable, a mis hermosas

hijas quienes son el impulso diario para cumplir cualquier meta.

Agradezco a mis asesores el Dr. Mario Moreno y el Dr. Pedro Rosales, por

darme la oportunidad de ser parte de este proyecto, por su tiempo, disposición

y dedicación en este trabajo de investigación.

Agradezco a todo el personal del laboratorio de Microelectrónica. Ya que gran

parte de los resultados obtenidos, se debió al conocimiento y tiempo brindado

a la hora de realizar los diferentes procesos de fabricación. En especial

agradezco a los técnicos Armando Hernández, Victor Aca, Adrián Itzmóyotl,

Ignacio Juárez y Oscar Aponte. Quienes fueron grandes amigos dentro y fuera

del laboratorio.

A los amigos y compañeros que siempre estuvieron acompañándome,

Joaquín Salvador Córdova, Sandra Báez, Jesús Martínez y Hiram Martínez,

Quienes también hicieron parte en la orientación y apoyo de este trabajo.

A los doctores Alfonso Torres, Javier de la Hidalga y Carlos Zúñiga, por haber conformado el jurado calificador del examen de grado.

III

Resumen.

En este trabajo se desarrolló un proceso de fabricación de celdas

solares de heterounión con película intrínseca (HIT). Dichas celdas están

constituidas de un sustrato de silicio cristalino tipo n, una película de silicio

amorfo hidrogenado (a-Si:H) dopado tipo p, que funciona como emisor y entre

ellas una capa delgada de a-Si:H intrínseco que funciona como capa pasivante

de defectos. Adicionalmente para recolectar los pares electrón hueco

foto-generados y como película anti reflejante, sobre la película de a-Si:H

dopado se deposita una película de óxido transparente conductor (óxido de

estaño dopado con indio, ITO). Finalmente, los contactos metálicos superior e

inferior de la celda son de aluminio.

La unión entre el silicio cristalino y el silicio amorfo dopado presentan centros

de recombinación, los cuales se ven reflejados en la disminución de la

corriente de corto circuito (Isc) y, principalmente, el voltaje de circuito abierto

(Voc). En esta tesis con el fin de mejorar esta unión, se depositó una capa

intermedia de silicio amorfo intrínseco con espesor de 8±2nm. Esta estructura

entregó una Isc de 43±2mA y un Voc de 0.44±0.02V. Notamos que, al aumentar

el espesor de esta película intrínseca, aumenta el Voc, pero disminuye la Isc.

Por lo que se analizó y estudiaron otros métodos para lograr aumentar este

Voc sin disminuir la Isc.

El texturizado del sustrato de silicio cristalino favorece la absorción de energía

solar lo cual incrementa la corriente Isc, pero puede provocar defectos de nano

rugosidad en la superficie de las pirámides aumentando la recombinación de

portadores en la unión de silicio cristalino con la película de a-Si:H intrínseco.

Por lo que se usó un método húmedo de pasivación que consistió en ciclos de

oxidación de la superficie con ácido nítrico (HNO₃) y luego grabado de ese

oxido con ácido fluorhídrico (HF) hasta lograr eliminar estos defectos en la

IV

superficie de las pirámides, logrando mantener la Isc en 43±2mA y mejorando

el Voc a 0.5V. Finalmente para obtener una última mejora en el Voc sin

perjudicar la Isc, se texturizó el sustrato dejando el área donde se depositan

los contactos de aluminio sin texturizar, logrando obtener un Voc de 0.54V y la

Isc en43±2mA.

Con respecto a los resultados obtenidos en este trabajo se lograron eficiencias

de 10.5% en celdas de 1 cm², bajo radiación AM 1.5. Adicional a esto se obtuvo

una densidad de corriente de corto circuito (Jsc) de hasta 45mA/cm2, la cual

es comparable a la Jsc de celdas solares HIT con eficiencias record (de hasta

26.6 %) reportados por PANASONIC y KANEKA.

V

Abstract.

In this work, a process of manufacturing of HIT solar cells were

developed, known as heterojunction cells between crystalline silicon N type

substrate with a P-doped amorphous silicon as emitter and a thin Passivation

layer of intrinsic amorphous silicon. They also have a n-doped amorphous

silicon layer as back surface field.

The junction between crystalline silicon and doped amorphous silicon presents

recombination centers, which impact in the decrease of the short circuit current

(Isc) and open circuit voltage (Voc). To improve this junction, a thin layer of

intrinsic amorphous silicon was deposited (i a-Si:H) with a thickness of 8 ± 2nm.

This structure gets an Isc of 43 ± 2mA and a Voc of 0.44 ± 0.02 V. Increasing

the thickness of this intrinsic film increases the Voc but decreases the Isc. Other

methods have been analyzed and studied to improve this Voc without

diminishing Isc.

The crystalline silicon substrate texturing improves the absorption of solar

energy, which increases the Isc, but creates additional crystalline defects in the

surface of the pyramids, then a wet passivation method was used, which

consists on oxidation and etching cycles until eliminating these defects in the

surface of the pyramids, keeping the Isc in 43 ± 2mA and improving the Voc at

0.5V. Finally, for a Voc improvement, without reducing the Isc, the substrate

was texturized leaving the aluminum contacts area without texturing, obtaining

a Voc of 0.54 V and the Isc at 43 ± 2mA.

To protect the amorphous films from environment, for collecting the generated

hole-electron pairs, to improve the filling factor (F.F) and as anti-reflecting film,

a transparent conductive oxide (TCO) film was deposited (Indium Tin Oxide,

ITO) on both sides and finally aluminum contacts were evaporated.

VI

The results obtained in this work, compared with previous works made at

INAOE, in the manufacture of heterojunction cells was possible to increase the

efficiency from 5.8% to 10.5%. In addition, a superior short circuit current of

45mA was obtained even more than the records reported by PANASONIC and

KANEKA.

VII

Índice general.

Agradecimientos. ............................................................................................. I

Resumen. ...................................................................................................... III

Abstract. .......................................................................................................... V

Índice general. .............................................................................................. VII

Índice de tablas. .............................................................................................. X

Índice de figuras. ........................................................................................... XII

Capítulo 1 ....................................................................................................... 1

Introducción. ................................................................................................ 1

1.1. Historia de las celdas solares. .......................................................... 1

1.2. La tecnología del silicio cristalino. ..................................................... 3

1.3. Motivación. ........................................................................................ 5

1.4. Objetivos. .......................................................................................... 5

Capítulo 2 ....................................................................................................... 7

Fundamentos teóricos celdas solares HIT. ................................................. 7

2.1. La radiación solar. ............................................................................ 7

2.2. Efecto fotoeléctrico. .......................................................................... 8

2.3. Materiales cristalinos y amorfos. ....................................................... 9

2.4. Parámetros eléctricos y de desempeño. ........................................... 9

2.5. Celdas solares HIT. ........................................................................ 13

2.6. Etapas de fabricación usadas en este trabajo. ............................... 16

Capítulo 3 ..................................................................................................... 19

Metodología de la investigación. ............................................................... 19

3.1. Medición tiempos de vida. ............................................................... 19

3.2. Simulador solar. .............................................................................. 20

3.3. Sistema utilizado en el depósito de películas (a-Si:H) dopadas. ..... 22

VIII

3.4. SPUTTERING ................................................................................. 24

Capítulo 4 ..................................................................................................... 27

Proceso de fabricación, resultados y análisis ............................................ 27

4.1 Elección del sustrato con la obtención de tiempos de vida altos. .... 27

4.2 Estudio de 5 niveles de dopado de la película de silicio amorfo

hidrogenado tipo p que actúa como emisor. .......................................... 31

4.3 Fabricación de una celda solar HIT variando los contactos metálicos

con aluminio (Al) y plata (Ag). ................................................................ 39

4.4 Fabricación celda solar HIT desde estructura básica hasta estructura

más completa fabricada y reportada por la empresa Panasonic. .......... 42

4.5 Caracterización de un proceso de limpieza para estandarizar la

fabricación de una celda solar HIT completa. ........................................ 48

4.6 Fabricación de una celda solar HIT completa con limpieza de (HNO₃ +

HF(0.55%) + DI), con superficies totalmente texturizadas y superficies con

contacto no texturizado. ......................................................................... 52

Conclusiones. ............................................................................................... 57

Trabajo a futuro. ............................................................................................ 59

Apéndice A ................................................................................................... 60

Fabricación de celdas solares HIT en sustratos de área circular con diámetro

de 2 y 4 pulgadas. ..................................................................................... 60

1. Diseño de las mascarillas .................................................................. 60

2. Proceso de fabricación, resultados y análisis de celdas solares HIT en

sustratos de área circular con diámetro de 2 y 4 pulgadas. ................... 62

Apéndice B ................................................................................................... 67

Diseño de Mascarillas para fabricación de celdas solares HIT en sustratos

de área circular con diámetro de 2 y 4 pulgadas. ...................................... 67

1. Diseño Contactos Metálicos para celdas solares de 2 y 4 pulgadas. 67

IX

Bibliografía .................................................................................................... 82

X

Índice de tablas.

Tabla 2.1 Posible Pasivación (Húmeda o Seca) para sustrato de cSi. [12] .. 15

Tabla 4.1. Condiciones de depósito con película de carburo de silicio amorfo

(a-SiC:H) y silicio amorfo (a-Si:H) intrínseco: (a) superficie plana. (b) Superficie

texturizada. ................................................................................................... 29

Tabla 4.2 Datos introducidos en el software del equipo WCT-120 (Sinton) para

sustratos con dopado tipo n. ......................................................................... 29

Tabla 4.3 Datos introducidos en el software del equipo WCT-120 (Sinton) para

sustratos con dopado tipo p. ......................................................................... 30

Tabla 4.4. Resultados tiempos de vida medidos en las 8 muestras. ............ 31

Tabla 4.5. Condiciones de depósito película ITO ......................................... 32

Tabla 4.6. Mediciones con método cuatro puntas y cálculo de la R. .......... 33

Tabla 4.7. Condiciones de depósito películas (a) pasivante con superficies

Planas, (b) pasivante con superficies texturizadas y (c) 5 diferentes dopados

película a-Si:H dopado tipo p que cumple la función de emisor.................... 35

Tabla 4.8. Resultados eléctricos de 5 diferentes procesos de celdas solares

HIT con 5 diferentes Niveles de dopado de (B₂H₆/SiH₄) de la película de a-Si:H

tipo p. (a) 5E-04, (b) 1.5E-03, (c) 2.5E-02, (d) 5E-02 y (e) 1E-01................. 37

Tabla 4.9 Condiciones de depósito películas pasivantes y de a-Si:H dopada

tipo p ((p) a-Si:H). (a) Superficie plana y (b) superficie texturizada .............. 40

Tabla 4.10. Resultados obtenidos proceso No.3 con contactos metálicos de

(a) aluminio (Al) y (b) Plata (Ag). .................................................................. 41

Tabla 4.11. Condiciones de depósito películas, (a) intrínseca ((i) a-Si:H),

(b) dopada tipo p ((p) a-Si:H), y (c) dopada tipo n ((n) a-Si:H) [27]. .............. 43

Tabla 4.12. Condiciones de depósito de las películas de ITO. (a) 80nm parte

superior y (b) 50nm parte posterior. [22] ....................................................... 44

Tabla 4.13. Mediciones obtenidas en simulador solar proceso No.4. ........... 46

Tabla 4.14 Diferentes condiciones para formar una limpieza. ...................... 48

Tabla 4.15 Tipos de limpiezas realizadas y definidas en el proceso No. 5 ... 49

XI

Tabla 4.16. Datos medidos con el simulador solar proceso No.5 con 8

limpiezas. ...................................................................................................... 50

Tabla 4.17 Condiciones de depósito películas, (a) intrínseca ((i) a-Si:H),

(b) dopada tipo p ((p) a-Si:H), y (c) dopada tipo n ((n) a-Si:H) [27] ............... 53

Tabla 4.18 Condiciones de depósito de las películas de ITO. (a) 80nm parte

superior y (b) 50nm parte posterior [22]. ....................................................... 54

Tabla 4.19 Resultados obtenidos en el simulador solar, proceso No.6

sustratos con superficies texturizadas y superficies con contacto plano. ..... 55

Tabla A.1 Condiciones de depósito películas, (a) intrínseca ((i) a-Si:H),

(b) dopada tipo p ((p) a-Si:H), y (c) dopada tipo n ((n) a-Si:H) [27]. .............. 63

Tabla A.2 Condiciones de depósito de las películas de ITO. (a) 80nm parte

superior y (b) 50nm parte posterior [22]. ....................................................... 63

Tabla A.3 Condiciones depósito de AZO Celdas de área grande (4”) [30]. . 64

Tabla A.4 Resultados obtenidos en simulador solar para celdas áreas de: (a)

15.48cm² (sustrato de 2”) y (b) 67.357 cm² (sustrato de 4”), ........................ 65

Tabla B.1 Datos actuales obtenidos en el INAOE con mascarilla de 1cm². . 71

XII

Índice de figuras.

Figura 1.1 Mejores eficiencias en investigación [6]. ....................................... 2

Figura 1.2. Distribución de tecnologías en el mercado a nivel mundial [8]. ... 4

Figura 2.1. Irradiancia en todo el espectro solar [2]. ...................................... 7

Figura 2.2 Circuito eléctrico equivalente de una celda solar [10]. ................ 10

Figura 2.3 Gráfica de la corriente eléctrica como función del voltaje aplicado

para una celda solar ideal. ............................................................................ 11

Figura 2.4 Efecto de la resistencia serie en la curva corriente vs voltaje. .... 12

Figura 2.5 Efectos de la resistencia paralela o shunt en la curva corriente

voltaje. .......................................................................................................... 12

Figura 2.6 (a) Diagrama de bandas películas usadas en la fabricación del

dispositivo de este trabajo, (b) Diagrama de bandas dispositivo fabricado en

este trabajo y en equilibrio térmico [11]. ....................................................... 14

Figura 2.7. Estructura celdas HIT. Estudiada en este trabajo. ..................... 16

Figura 2.8 Aspecto de la superficie de silicio cristalino texturizado [13]. ...... 17

Figura 2.9. Patrón usado en litografía, para el contacto superior. ................ 18

Figura 3.1. Siton instrumen WCT120, equipo para medir tiempos de vida. . 19

Figura 3.2 Esquema de los equipos utilizados para la caracterización eléctrica

de las celdas solares [19]. ............................................................................ 21

Figura 3.3. INAOE PECVD MVSystems. ..................................................... 22

Figura 3.4. MVSystem cluster software. ....................................................... 23

Figura 3.5 Esquema de un sistema de PECVD con RF [20]. ....................... 24

Figura 3.6. Sistema de sputtering ATC Orion de AJA international, para el

depósito de las películas de ITO. .................................................................. 25

Figura 3.7. Diagrama simple del sputtering con fuente de RF. .................... 26

Figura 4.1. Estructuras depósito de películas pasivantes en los 8 sustratos a

analizar (a) Con superficie plana y (b) Con superficie texturizada. ............... 28

Figura 4.2. Resultados entregados por el software para la medición de tiempos

de vida en la muestra FZ tipo n con superficie texturizada. .......................... 30

XIII

Figura 4.3 Estructura celda solar HIT básica fabricada en este proceso 2. . 32

Figura 4.4. Transmitancia 82.2%, película de ITO con espesor de 80nm. ... 34

Figura 4.5. Curvas corriente vs Voltaje de 5 diferentes proceso de celdas

solares HIT con 5 diferentes niveles de dopado de la película de a-Si:H tipo p

(emisor). (a) B₂H₆/SiH₄ = 5E-04, (b) B₂H₆/SiH₄ = 1.5E-03, (c) B₂H₆/SiH₄ = 2.5E-

02, (d) B₂H₆/SiH₄ = 5E-02 y (e) B₂H₆/SiH₄ = 1E-01. ....................................... 38

Figura 4.6. Celda solar HIT básica fabricada en el proceso No.3 con contactos

en aluminio o plata, en superficie plana y superficie texturizada. ................. 40

Figura 4.7. Curvas corriente vs Voltaje proceso No.3 (a) Contactos en aluminio

(Al) (b) Contactos en plata (Ag). ................................................................... 42

Figura 4.8 Estructuras celdas HIT fabricadas en el proceso No.4 (a) Estructura

No.1 celda solar HIT básica, (b) Estructura No.2 celda solar HIT con campo

posterior, (c) Estructura No.3 celda solar HIT con campo posterior y película

pasivante y (d) Estructura No.4 celda solar HIT completa. ........................... 44

Figura 4.9. Curvas corriente Vs voltaje proceso No.4 (a) Estructura No.1, (b)

Estructura No.2, (c) Estructura No.3 y (d) Estructura No.4. .......................... 47

Figura 4.10 Estructura celda solar HIT completa, (a) Superficies totalmente

texturizadas y (b) Contacto superior y posterior con superficie plana. .......... 49

Figura 4.11. Curvas corriente vs voltaje (a) HNO₃+HF(0.55%)+N,

(b) HNO₃+HF(0.55%)+DI, (c) HNO₃+HF(buffer)+N₂, (d) HNO₃+HF(buffer)+DI,

(e) HF(0.55%)+N₂ y HF(0.55%)+DI, (f) HF(buffer)+N₂ y HF(buffer)+DI. ...... 51

Figura 4.12 Estructura celda solar HIT completa, (a) Superficies totalmente

texturizadas y (b) Contacto superior y posterior con superficie plana. .......... 53

Figura 4.13 Fotografía Celda solar HIT de 1cm² fabricada en este trabajo. . 54

Figura 4.14 curvas corriente vs voltaje celdas solares HIT completa

(a) Superficies texturizadas y (b) Contacto de superficies planas. ............... 55

Figura A.1 Diseño Mascarilla para contacto superior en sustratos circulares

con diámetro de 2 pulgadas. ......................................................................... 61

Figura A.2 Diseño Mascarilla para contacto superior en sustratos circulares

con diámetro de 4 pulgadas. ......................................................................... 61

XIV

Figura A.3 Estructura celda solar HIT completa en sustratos de área circulas

con: (a) Diámetro de 2 pulgadas y (b) Diámetro de 4 pulgadas. .................. 63

Figura A.4 Fotografía Celdas solares HIT fabricadas: (a) celdas de área de 2

pulgadas con 20 dedos entre los buses, (b) celdas de área de 2 pulgadas con

13 dedos entre los buses y (a) celdas de área de 4 pulgadas. ..................... 64

Figura A.5 curvas corriente vs voltaje celdas solares HIT completa

(a) Superficies texturizadas y (b) Contacto de superficies planas. ............... 65

Figura B.1 Área útil de la Oblea después de ser depositado el aluminio. .... 67

Figura B.2 Área Máxima ocupada por un rectángulo dentro de la

circunferencia de diámetro útil. ..................................................................... 68

Figura B.3 Diseño y Área Máxima ocupada por un octágono dentro de la

circunferencia de diámetro útil. ..................................................................... 69

Figura B.4 Contacto superior. (Diseño actual en el INAOE). ....................... 71

Figura B.5 Dirección asumida por la corriente colectada. ............................ 72

Figura B.6 Ubicación de los buses y cálculo de 𝐿𝑓. ..................................... 74

Figura B.7 Diseño para determinar la distribución de dedos. ...................... 76

Figura B.8 Primer diseño oblea de 2” con dos buses y 40 dedos por bus. El

círculo azul es el área útil de la oblea y el círculo punteado negro es la oblea

de 2”. ............................................................................................................. 78

Figura B.9 Segundo Diseño oblea de 2” con dos buses y 28 dedos por bus. El

círculo azul es el área útil de la oblea y el círculo punteado negro es la oblea

de 2”. ............................................................................................................. 79

Figura B.10 Diseño oblea de 4” con 4 buses y 58 dedos por bus. ............... 81

1

1. Capítulo 1

Introducción.

Actualmente, el impacto ambiental al generar energía y el incremento

de la demanda que existe con las fuentes de energía disponibles, está dejando

ver un escenario de crisis energética global. Por lo cual el uso de la energía

solar se ha convertido en una alternativa de energía limpia y renovable.

Obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética y, por

efectos fotovoltaicos, las celdas solares transforman ésta en energía eléctrica.

El objetivo que se promueve en el presente trabajo, es lograr que las celdas

solares lleguen a ser utilizadas en todos los hogares, por lo que es de vital

importancia disminuir el costo, enfocando en reducir el tiempo de fabricación,

así como la temperatura del proceso <200 grados centígrados y manteniendo

eficiencias mayores al 10 %, que motiven el uso de las celdas solares.

1.1. Historia de las celdas solares.

El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el

físico francés Alexandre Edmund Becquerel. Sus estudios sobre el espectro

solar, magnetismo, electricidad y óptica son el pilar científico de la energía

fotovoltaica. La celda de Silicio que hoy en día se utiliza, proviene de la patente

del inventor norteamericano Russell Ohl y fue construida en 1940 y patentada

en 1946. Posteriormente en 1954 se fabricó la primera celda solar sobre silicio

cristalino en los laboratorios Bell, la cual tenía una eficiencia del 6%. [1], [2].

William Shockley y Hans Queisser en 1961 determinaron que teóricamente, se

puede convertir un máximo de 33.7% la energía solar en electricidad. Calculo

basado en una unión p-n fabricada con un material semiconductor y con un

2

ancho de banda prohibida de 1.34eV, usando un espectro de AM 1.5 [3]. Con

respecto a las celdas solares de heterounión se sabe que en 1992 se fabricó

la primera por el grupo dirigido por Makoto Tanaka en la empresa Sanyo

(actualmente Panasonic), obteniendo eficiencias del orden de 18.1% usando

como base silicio amorfo y carburo de silicio [4].

En la figura 1.1 se muestran los valores de las eficiencias de conversión más

altas confirmadas para las celdas solares de investigación desde 1976 hasta

el presente y para una gama de tecnologías fotovoltaicas que incluyen las

celdas de heterounión. Los dispositivos incluidos en la figura 1.1 tiene

eficiencias que son confirmadas por laboratorios reconocidos como: NREL,

AIST y Fraunhofer [5].

Figura 1.1 Mejores eficiencias en investigación [6].

3

Históricamente las celdas de silicio cristalino con silicio amorfo han presentado

mejores desempeños comparadas con otras celdas, por ejemplo, la tecnología

de heterounión presenta una alta eficiencia de conversión superando a las

celdas PERL (solo de silicio cristalino) cuya eficiencia máxima es de 25.3%.

Kaneka comenzó a tener la mayor eficiencia en celdas solares de

"heterounión" desde el 2015 hasta la actualidad, desplazando a la empresa

Panasonic quien lidero el mercado por varios años con una eficiencia máxima

reportada por Kaneka de 26.6%.

1.2. La tecnología del silicio cristalino.

El material más usado en celdas fotovoltaicas es el silicio cristalino que

tiene un ancho de banda prohibida de (Eg=1.12eV) a 300K menor a la

teóricamente usada por William Shockley y Hans Queisser [3], lo que

disminuye él máximo de eficiencia para una celda solar al 29%. Eso supone

que solo el espectro visible generará electricidad, mientras que el infrarrojo,

las ondas de radio o las microondas no son aprovechables. Además cuando

la energía del fotón incidente es superior a la energía necesaria para generar

el par electrón-hueco, el exceso de esta energía no es aprovechado por la

unión p-n, sino que se convierte en calor.

Aunque el silicio es muy abundante (por ejemplo, se encuentra en la arena),

obtener silicio de alta pureza (99.9999%) es costoso. Una escasez de silicio

de alta pureza, anunciada en 2005, fue evitada con nuevos descubrimientos y

mejores procesos de fabricación. Provocando que varias empresas que

invirtieron fuertemente en tecnologías alternativas hoy se encuentran en serios

problemas para competir con los paneles de silicio tradicionales, cada vez más

asequibles, altamente eficientes y con tiempos de vida de más de 20 años [7].

Hay dos tipos principales de tecnologías fotovoltaicas (PV): silicio cristalino y

de película delgada (Thin Film). Dentro de las de película delgada, en la

4

actualidad hay cinco tecnologías que han alcanzado o está próximas a llegar

a la comercialización:

Teluro de cadmio (CdTe).

Silicio amorfo (a-Si:H).

Seleniuro de galio, indio y cobre (CIGS).

La fotovoltaica orgánica (OPV).

Celdas solares de tintes sensibilizados (DSSC).

Las celdas de arseniuro de galio (GaAs), también se encuentran en

producción. Son muy eficientes, pero actualmente muy caras de fabricar y se

utilizan casi exclusivamente en los satélites.

Desde el 2010, la tecnología fotovoltaica (PV) de silicio cristalino cubrió el 87%

del mercado. Las estimaciones indicaban que la tecnología cristalina

alcanzaría una cuota de mercado del 86%: 38% para el silicio monocristalino,

47% para el silicio policristalino, y 1% de cinta de silicio. El 14% restante del

mercado estaría en manos de las celdas de película delgadas: 8% teluro de

cadmio; 3% de silicio amorfo; y el 3% de seleniuro de galio, indio y cobre

figura 1.2.

Figura 1.2. Distribución de tecnologías en el mercado a nivel mundial [8].

5

1.3. Motivación.

La búsqueda en la disminución de los costos para la fabricación de

tecnologías fotovoltaicas, enfoca este trabajo en el estudio de celdas solares

fabricadas con películas delgadas sobre sustrato de silicio cristalino. Éstas

disminuyen pasos a la hora de fabricarlas en comparación con las celdas

cristalinas (PERL). Además, está el hecho de la reducción de costos en la

fabricación de obleas de silicio cristalino. Adicionalmente el depósito de

películas amorfas se hace a bajas temperaturas (<200⁰C) que comparado con

procesos de alta temperatura requiere un menor consumo energético, siendo

un factor extra para la reducción de costos.

En este trabajo se presenta el estudio, de fabricación de celdas solares de

heterounión silicio cristalino, silicio amorfo dopado ((n) cSi / (p) a-Si:H) con

película delgada intrínseca intermedia (HIT). Las cuales consisten en

heterounión n-p, fabricadas por medio de depósito de películas de a-Si:H

dopadas, sobre sustratos de silicio cristalino, usando la técnica de depósito

químico en fase vapor asistido por plasma (PECVD) a temperaturas de 160°C.

Las celdas solares fabricadas en este trabajo presentan eficiencias cercanas

al 11% lo cual es deseable para posible introducción en paneles solares.

1.4. Objetivos.

El desarrollo de una tecnología de celdas solares HIT a baja

temperatura (<200°C) basada en la heterounión de silicio cristalino con silicio

amorfo dopado, dentro de las instalaciones del laboratorio de microelectrónica

del INAOE.

1.4.1. Objetivos específicos.

Desarrollar una metodología de fabricación de celdas solares de

segunda generación, que se fabriquen en un menor tiempo y a bajas

6

temperaturas (<200⁰C).

Estudiar los tiempos de vida en diferentes tipos de sustratos de silicio

cristalino pasivados con películas de silicio amorfo y carburo de silicio.

Optimizar la eficiencia de las celdas solares HIT mediante un estudio

de los efectos de variaciones en el proceso de fabricación, como los

espesores de películas, nivel de dopado, etc.

Analizar la importancia de Óxido Transparente Conductor (TCO) en el

comportamiento de las celdas solares con tecnología HIT.

Caracterizar y mejorar variables eléctricas de las celdas tales como: la

eficiencia (ƞ), corriente de corto circuito (Isc), voltaje de circuito abierto

(Voc) y el factor de llenado (F.F).

7

2. Capítulo 2

Fundamentos teóricos celdas solares HIT.

En este capítulo se hace un breve resumen de los conceptos teóricos

necesarios para entender el funcionamiento de una celda solar a base de

silicio cristalino tipo n y silicio amorfo dopado tipo p, tales como radiación solar,

el efecto fotoeléctrico, materiales cristalinos y amorfos, parámetros eléctricos

y de desempeño como: la corriente de corto circuito, el voltaje de circuito

abierto, la eficiencia y el factor de llenado, finalmente la celda solar HIT.

2.1. La radiación solar.

Una fuente de energía es la radiación electromagnética solar. La cual

se estima es una fuente que puede suministrar miles de años de energía. El

Sol emite radiaciones a lo largo del espectro electromagnético, desde el

infrarrojo hasta el ultravioleta. Su espectro de Irradiancia solar se muestra en

la figura 2.1.

Figura 2.1. Irradiancia en todo el espectro solar [2].

8

Los diferentes tipos de estándares de Irradiancia según la NASA medidos en

masa de aire (AM) son:

AM0 La radiación extraterrestre, aplicable a los satélites en espacio.

AM1 La incidencia vertical de la luz solar en el ecuador a nivel del mar.

AM1.5 La luz del sol que irradia a través de una masa de aire 1,5 veces

mayor que el caso vertical.

Generalmente, como fuente de energía solar fotovoltaica se usa la radiación

AM1.5 y se utiliza todo el rango del espectro de la luz solar (de 280 a 4000 nm)

el valor del promedio de energía del fotón (APE) que se obtiene para el

espectro estándar es de 1.60 eV, mientras que si se realiza el cálculo con los

valores del espectro visible más el infrarrojo cercano (de 350 a 1050 nm) que

es la parte del espectro donde hay mayor contribución de energía, el APE es

de 1.88 eV. Este valor se reporta en la mayoría de las publicaciones [9].

2.2. Efecto fotoeléctrico.

La transformación de la luz solar a energía eléctrica se lleva a cabo en

las celdas solares gracias al efecto fotovoltaico, el cual consiste en la emisión

de electrones cuando a una superficie se le hace incidir una radiación

electromagnética como la luz visible. Por otra parte, el término fotovoltaico

proviene de la unión de dos palabras: la palabra “photo” cuyo origen griego

“phos” significa luz y la segunda palabra “volt” que hace referencia a la unidad

de medida del potencial eléctrico, literalmente la palabra fotovoltaico significa

electricidad desde la luz, es decir, las celdas solares realizan la conversión

solar-eléctrica sin necesidad de combustible ni partes mecánicas en

movimiento.

9

2.3. Materiales cristalinos y amorfos.

El silicio es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre

y, por lo general, se lo encuentra formando óxidos como el cuarzo o silicatos

en la arena y barro. Está constituido por átomos que tienen 4 electrones de

valencia y. Esta propiedad eléctrica es aprovechada en la construcción de

celdas fotovoltaicas donde la energía solar logra romper los enlaces

covalentes de los átomos del silicio y los electrones de valencia logran fluir con

libertad en la estructura cristalina del semiconductor.

Actualmente, los materiales monocristalinos, policristalinos y amorfos. Son

usados para fabricar los dispositivos. En los materiales monocristalinos los

átomos están ordenados y se enlazan en una misma forma, la periodicidad de

este arreglo es de largo alcance es decir que la estructura se repite en

prácticamente todo el cristal. Por lo general el silicio monocristalino tiene una

estructura tipo diamante, con un parámetro de red de 0.54nm y un ancho de

banda prohibida de 1.12eV a 300K. En la estructura policristalina los átomos

de silicio forman pequeños granos monocristalinos que son orientados

aleatoriamente. En la estructura amorfa los átomos de silicio son orientados

de manera aleatoria, pero conservando las características de los sólidos

(orden de corto alcance), el ancho de banda prohibida es de 1.7eV a 300K, y

su coeficiente de absorción es mayor al del silicio monocristalino. La alta

densidad de defectos presentes en la red hace que la longitud de difusión de

los portadores minoritarios sea muy pequeña.

2.4. Parámetros eléctricos y de desempeño.

Las celdas solares se comportan como fuentes de corriente eléctrica.

Los principales parámetros eléctricos son: corriente en el punto de potencia

máxima (Imax), corriente de corto circuito (Isc), Voltaje en el punto de potencia

máxima (Vm), Voltaje de circuito abierto (Voc) y el punto de máxima potencia

10

Pmax relacionado con Vm e Im. El desempeño se caracteriza mediante dos

figuras de mérito denominadas factor de llenado (F.F) y la eficiencia (ƞ).

El circuito eléctrico equivalente de una celda solar es mostrado en la figura 2.2

donde la región de línea continua muestra una celda ideal compuesta por un

diodo donde circula una corriente de saturación en oscuridad (𝐼𝑜1), adicionando

los componentes en línea punteada, éste representa una celda solar real y se

observa que aparece un segundo diodo donde circula una segunda corriente

de saturación en oscuridad (𝐼02) y dos elementos resistivos (una resistencia en

serie (𝑅𝑠) y una resistencia en paralelo (𝑅𝑝) explicados más adelante).

Figura 2.2 Circuito eléctrico equivalente de una celda solar [10].

La ecuación de la corriente para el caso ideal es:

𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑜𝑒𝑞𝑉

𝐾𝐵𝑇 (2.1)

Siendo: 𝐼𝑝ℎ La corriente fotogenerada.

𝐼𝑜 La corriente de saturación en oscuridad.

𝑉 El voltaje aplicado entre los contactos.

𝑞 La carga del electrón.

𝑇 La temperatura absoluta.

𝐾𝐵 La constante de Boltzmann

.

11

La representación gráfica corriente (𝐼) vs voltaje (𝑉) de la ecuación (2.1) para

una celda ideal se muestra en la figura 2.3.

Figura 2.3 Gráfica de la corriente eléctrica como función del voltaje

aplicado para una celda solar ideal.

En la figura 2.3 se observan los parámetros eléctricos de una celda solar ideal,

de donde se pueden destacar dos importantes: la corriente de corto circuito

(Isc) y el voltaje de circuito abierto (Voc)

Corriente de corto circuito (Isc) Es la corriente máxima producida por una

celda solar cuando sus terminales están cortocircuitadas y es igual a Iph en el

caso ideal.

Voltaje de circuito abierto (Voc) Es el voltaje máximo que puede alcanzar

una celda solar cuando sus terminales están abiertas. Se define por la

ecuación (2.2).

𝑉𝑜𝑐 =𝐾𝐵𝑇

𝑞ln(

𝐼𝑝ℎ

𝐼𝑜+ 1) (2.2)

La potencia máxima (Pmax) se obtiene cuando el voltaje y la corriente toman

los valores de Vm y Im respectivamente. De donde se determina el factor de

relleno (F.F) y se define por la ecuación (2.3).

𝐹. 𝐹 =𝑉𝑚𝐼𝑚

𝑉𝑜𝑐𝐼𝑠𝑐=

𝑃𝑚𝑎𝑥

𝑉𝑜𝑐𝐼𝑠𝑐 (2.3)

El factor de llenado (F.F) está muy relacionado con la eficiencia de la celda

solar y esta a su vez es la relación entre la potencia máxima (Pmax) y la

12

potencia de entrada (𝑃𝐿𝑖𝑔ℎ𝑡) mostrada en la ecuación (2.4).

ƞ =𝑃𝑚𝑎𝑥

𝑃𝐿𝑖𝑔ℎ𝑡=

𝑉𝑚𝐼𝑚

𝑃𝐿𝑖𝑔ℎ𝑡=

𝐹𝐹𝑉𝑜𝑐𝐼𝑠𝑐

𝑃𝐿𝑖𝑔ℎ𝑡 (2.4)

Las resistencias Rp y Rs observadas en el circuito eléctrico equivalente de la

figura 2.2 equivalente a un circuito de celda más real, representan las

resistencias parásitas que afectan el factor de llenado y a su vez la eficiencia

de las celdas solares. La Rs o resistencia serie es asociadas al contacto metal

con la película de óxido transparente conductor (TCO), esta resistencia debe

tender a cero para que la celda sea lo más eficiente posible. En la figura 2.4

se observa el efecto que ejerce ésta en la curva corriente voltaje.

Figura 2.4 Efecto de la resistencia serie en la curva corriente vs voltaje.

La resistencia paralela (Rp) o resistencia Shunt (Rsh), se debe a los trayectos

de corto circuito que permiten a los portadores de carga recombinarse antes

de que puedan ser colectados en los contactos, o también es representada por

la llamada corriente de fuga. Su valor idealmente debe ser muy grande para que

la corriente de fuga sea pequeña. En la figura 2.5 se observa el efecto que ejerce.

Figura 2.5 Efectos de la resistencia paralela o shunt en la curva corriente

voltaje.

13

2.5. Celdas solares HIT.

Este nombre viene de las siglas en inglés (Heterojunction with Intrinsic

Thin Layer), es un dispositivo que consta de la unión de silicio cristalino (cSi)

dopado tipo n con una película delgada de silicio amorfo (a-Si:H) dopada tipo

p, y entre las cuales se encuentra una capa delgada intermedia de silicio

amorfo intrínseco como pasivante ((i) a-Si:H).

2.5.1. Heterounión.

Hace referencia a la unión de materiales con ancho de banda prohibida

diferente, en este caso son: el silicio cristalino el cual tiene un valor en ancho

de banda prohibida aproximado de 1.12 eV y el silicio amorfo dopado con

ancho de banda prohibida aproximado de 1.72 eV. El diagrama de bandas en

equilibrio térmico se muestra en la figura 2.6 [11].

En la figura 2.6 (a) se observan los diagramas de bandas de materiales usados

para fabricar el dispositivo de este trabajo, este dispositivo consta en sus

extremos de dos películas metálicas, una de aluminio acompañado de un

oxido transparente conductor (ITO). Como películas pasivantes en ambas

superficies del sustrato de silicio cristalino, se depositan dos películas amorfas

de silicio intrínseco fabricadas con las mismas condiciones, el nivel de Fermi

de estas películas se encuentra a la mitad de la banda prohibida. La película

de emisor es una película amorfa de silicio (a-Si:H) dopada tipo p donde su

nivel de Fermi se encuentra cercano a la banda de valencia, como campo

posterior se usa una película amorfa de silicio (a-Si:H) tipo n donde su nivel de

Fermi se encuentra cercano a la banda de conducción. En la figura 2.6 (b) se

observan el comportamiento en los diagramas de bandas al momento de

unirse, el nivel de fermi se mantiene en equilibrio y las bandas se doblan.

14

2.5.2. Recombinación.

El rendimiento de las celdas solares HIT es fuertemente afectado por la

recombinación de pares electrones-huecos por diferentes causas. Entre ellas

está la recombinación Shockley-Read-Hall (SRH), este tipo de recombinación

es debida a los defectos en la red cristalina los cuales introducen estados

energéticos o niveles de energía intermedio dentro de la banda prohibida del

semiconductor. De ésta recombinación (SRH) se desprende la recombinación

superficial del semiconductor, donde se introduce un gran número de estados

defectuosos dentro de la banda prohibida debido a enlaces no saturados,

residuos químicos y dislocaciones de la red cristalina. Para minimizar la

recombinación SRH en este trabajo se usaron sustratos de silicio obtenidos

bajo el método zona flotante (FZ) el cual tienen menos defectos en su red

cristalina. Para disminuir la recombinación superficial, aparte de usar la

película amorfa de silicio intrínseca, también se usaron métodos de pasivación

húmeda que se comentan a continuación.

2.5.3. Pasivación húmeda.

Esta pasivación consiste en eliminar defectos existentes en la superficie

del sustrato de silicio cristalino, además de polvo, grasas o químicos.

Adicionalmente al uso de una película amorfa de silicio intrínseca, también se

realiza un proceso de pasivación seca o húmeda en la superficie, ya sea con

(a) (b)

Figura 2.6 (a) Diagrama de bandas películas usadas en la fabricación del dispositivo de este trabajo, (b) Diagrama de bandas dispositivo fabricado

en este trabajo y en equilibrio térmico [11].

15

gases en pasivación seca o con reactivos químicos en húmeda. En la

Tabla 2.1 tomada de [12] muestra una serie de posibles limpiezas para el

sustrato de silicio cristalino tanto húmedas como secas (en este trabajo se

prueban sólo algunas de ellas con métodos húmedos). Esta referencia

presenta 6 métodos de pasivación húmeda: limpieza estándar 1 y 2 de siglas

en inglés (SC1 y SC2) de RCAs, hidróxido de sodio diluido en agua (NaOH :

H₂O), oxidación de ácido nítrico y posterior grabado del óxido con ácido

fluorhídrico (HNO₃ : HF), grabado de óxido nativo con HF diluido en agua (HF

: H₂O) , limpieza de metanol (CH₃OH) con posterior grabado de óxido nativo

en ácido fluorhídrico (CH₃OH : HF) y grabado de óxido nativo con ácido

fluorhídrico diluido en peróxido de hidrogeno y agua (HF : H₂O₂ : H₂O). Como

método de pasivación seca la tabla muestra 6 diferentes plasmas: El fluoruro

de carbono y oxigeno (CF₄/O₂), trifluoruro de nitrógeno (NF₃), dihidrógeno (H₂),

dinitrógeno (N₂), oxigeno (O₂) y argón (Ar).

Tabla 2.1 Posible Pasivación (Húmeda o Seca) para sustrato de cSi. [12]

Pasivación

Húmeda

SC1 + SC2 (RCA Limpieza)

NaOH : H₂O

HNO₃ : HF

HF : H₂O

CH₃OH : HF

HF : H₂O₂ : H₂O

Seca

CF₄/O₂

NF₃

H₂

N₂

O₂

Ar

16

2.6. Etapas de fabricación usadas en este trabajo.

Para la fabricación de celdas solares HIT es importante tener claro

cuatro tópicos, los cuales son: estructura del dispositivo, texturizado,

pasivación y formación de contactos. La pasivación ya se explicó

anteriormente por lo que se hablara de los tres restantes.

2.6.1. Estructura del dispositivo.

La figura 2.7 [11], muestra la estructura de una celda HIT. Se observan

dos películas de ITO en sus extremos cuya función principal es la recolección

de electrones y huecos generados en la celda, para así transpórtalos al

contacto metálico.

Figura 2.7. Estructura celdas HIT. Estudiada en este trabajo.

2.6.2. Texturizado.

El texturizado se hace antes del depósito de cualquier película. Es un

grabado en la superficie de la oblea de silicio cristalino, para crear formas

piramidales las cuales aumentan la absorción de la luz y, por ende, aumenta

la corriente de la celda solar. La forma de las pirámides se muestra en la

figura 2.3.

17

Figura 2.8 Aspecto de la superficie de silicio cristalino texturizado [13].

Este grabado se hace por vía húmeda, se realiza a una temperatura de 70⁰C

en baño maría, por 50 minutos y concentraciones de 1-5wt% de KOH, 1.3-

3.5wt% de NaOH y 3-7wt% de IPA. Es importante mencionar que este tipo de

texturizado depende de la orientación cristalina del silicio, por ejemplo, con

orientaciones (111) la velocidad de grabado es más baja comparada con la

velocidad en orientaciones (100).

2.6.3. Formación de contactos.

La formación de contactos metálicos se realizó por litografía, en este

proceso se usó una mascarilla con celdas de 1cm², con las forma y medidas

mostradas en la figura 2.5. En esta figura se describe 𝐿𝑏 = 1𝑐𝑚 que es la

longitud del bus y a su vez el ancho de la celda, 𝑆 = 1.9𝑚𝑚 es la distancia

entre dedos o área libre de contacto metálico por donde entra la energía solar,

𝑁𝑓 = 14 dedos repartidos de 7 por cada lado del bus, 𝐿𝑓 = 4.85 𝑚𝑚 es la

longitud de los dedos, 𝑊𝑓 = 100µ𝑚 es el ancho de los dedos, 𝑁𝑏 = 1 es el

número de buses ubicado en el centro de la celda, 𝑊𝑏 = 300µ𝑚 es el ancho

del bus. Los patrones se transfieren primero a una capa de resina

(photoresist), en este trabajo se usó la resina positiva maP1275.

18

Posteriormente se deposita el metal en este caso aluminio o plata por medio

de la técnica de evaporación. Normalmente en este trabajo se utilizaron

espesores de 0.8µm de aluminio.

Figura 2.9. Patrón usado en litografía, para el contacto superior.

𝑵𝒃 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑢𝑠𝑒𝑠.

𝑳𝒃 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑢𝑠.

𝑾𝒃 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝐵𝑢𝑠.

𝑵𝒇 = 𝑁𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠.

𝑳𝒇 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠.

𝑾𝒇 = 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠.

19

3. Capítulo 3

Metodología de la investigación.

En este capítulo se describe la metodología para el depósito de películas

necesarias usadas en este trabajo, además de los equipos de medición para

caracterizar el comportamiento de la celda solar.

3.1. Medición tiempos de vida.

Para evaluar la pasivación en las superficies de los sustratos del silicio

cristalino, ya sea en superficies planas o texturizadas con películas pasivantes

de silicio amorfo intrínseco depositado en ambas caras, se mide el tiempo de

vida de los portadores minoritarios mediante la técnica de decaimiento de

fotoconductancia [14].

El equipo utilizado para la medición y caracterización es un Sinton Life Time

Tester modelo WTC-120, fabricado por la empresa Sinton Consulting. Una

fotografía del instrumento se observa en la figura 3.1 [15].

Figura 3.1. Siton instrumen WCT120, equipo para medir tiempos de vida.

20

El equipo realiza la medición utilizando dos modos de análisis: primer modo

de medición en estado cuasi-estacionario QSSPC (Quasi-Steady State

Photo-Conductance), el cual un flash de luz decae lo suficientemente lento

como para que se equilibren la fotogeneración y recombinación de portadores

a la vez que varía el nivel de iluminación [16]. Segundo modo de medición en

transiente PCD (Photo-Conductance Decay), en este caso el flash de luz es

muy corto, de manera que los portadores fotogenerados se recombinan ya sin

iluminación de la muestra. En este trabajo la técnica que se utiliza para medir

el tiempo de vida efectivo, en función del nivel de inyección, es la llamada

“Quasi-Steady State Photo-Conductance” (QSSPC).

3.2. Simulador solar.

Los simuladores solares son equipos de medición que emulan la radiación

solar y proveen un espectro muy cercano al espectro del sol, el cual abarca

desde longitudes de onda de luz ultravioleta (UV) hasta el infrarrojo (IR). Estos

dispositivos emulan al espectro solar AM1.5, cuyo estándar ha sido

establecido por la American Society for Testing and Materials en la norma

ASTM-G173-03 (ASTM 2003). El espectro AM1.5 tiene intensidad total de 100

mW/cm2 [17].

De acuerdo a la norma ASTM E927-5 [4.14] y la norma europea IEC 60904-9,

los simuladores solares están clasificados, en relación a su funcionamiento,

en tres clases denominadas A, B y C. Existen tres criterios importantes que se

toman en cuenta para la clasificación: La coincidencia espectral

(spectralmatch), la uniformidad espacial de irradiancia y (Spatialuniformity) y

la estabilidad temporal de la luz (TemporalStability) [18].

El simulador solar usado en el laboratorio de microelectronica del INAOE es el

Newport Oriel Sol 2A. Utilizado para la caracterización electrica de las celdas

solares en este trabajo de investigación. La lámpara de xenón es el centro del

21

simulador, a una temperatura de 5800 K, emite un espectro similar a la de un

cuerpo negro. La potencia de la lámpara de xenón del simulador solar es

controlada por una fuente de alimentación Newport model 69922. Esta fuente

establece que la lámpara opere a una potencia y corriente constantes.

Las variaciones de la corriente y voltaje, bajo luz proveniente de la lampara del

simulador, son leidas por un electrómetro y a su vez transferidas a un

computador el cual tiene un sofware desarrollado en labview por el INAOE. En

la figura 3.3 se muestra un esquema del equipo utilizado para la

caracterización eléctrica de las celdas solares. Por medio de la fuente de

alimentación (Newport model 69922) se garantizó que la intensidad de la

lámpara de xenón del simulador solar, estuviera a una intensidad estándar

AM1.5 100 mW/cm2 [19].

Figura 3.2 Esquema de los equipos utilizados para la caracterización

eléctrica de las celdas solares [19].

22

3.3. Sistema utilizado en el depósito de películas (a-Si:H)

dopadas.

La técnica más usada para el depósito de las películas delgadas de

semiconductores amorfos es el depósito químico en fase vapor asistido por

plasma (PECVD) Siglas del inglés (Plasma-Enhanced Chemical Vapor

Deposition). Esta técnica trabaja con una fuente de RF de 13.56Mhz. La

capacidad de depósito a baja temperatura de películas de alta calidad en

grandes áreas es la mejor característica de la técnica PECVD. El equipo usado

para este trabajo es el PECVD MVSystems figura 3.3.

Figura 3.3. INAOE PECVD MVSystems.

Este equipo cuenta con un brazo robótico que opera 5 cámaras de 17 cm x

17 cm, La PL1 es la cámara de carga de las obleas, la PL2 es para el depositó

de películas de silicio amorfo dopado tipo p, la PL3 es un SPUTTERING con

blancos de plata y AZO, la PL4 es una cámara para películas amorfas

intrínseca y la PL7 es una cámara para películas amorfas tipo n. Este equipo

utiliza un software para el control de un brazo robótico llamado "MVSystem,

Inc." También controla los parámetros para el depósito de todas las películas.

El esquema se muestra en la figura 3.4. Las herramientas del sistema reducen

la contaminación cruzada y ambiental en estructuras de película delgada

multicapa debido a la zona de aislamiento y transporte.

23

Figura 3.4. MVSystem cluster software.

En la figura 3.5 se muestra un esquema básico del sistema PECVD donde se

observa: Un sistema de entrada de gas, una cámara de depósito que contiene

los electrodos, calentador de sustratos y una fuente de poder de Radio

Frecuencia (RF) de 13.56Mhz, un sistema de vacío formado por una bomba

turbo-molecular y una bomba mecánica, un sistema para el control de los flujos

y presión de los gases, La presión del depósito debe estar en un rango de 0.05 -

1 mTorr esto para garantizar un depósito uniforme, la temperatura de la cámara

se trabajó a 160 °C.

24

Figura 3.5 Esquema de un sistema de PECVD con RF [20].

3.4. SPUTTERING

La pulverización catódica o SPUTTERING fue la técnica usada para el

depósito de la película transparente conductora de óxido de estaño dopada

con indio (ITO). El equipo utilizado es el ATC Orion Sputtering System of AJA

International Inc. Figura 3.6. Este equipo usa una fuente RF o DC, cuenta con

el controlador de temperatura OGDEN ETR-9300 el cual es estable de 150-

300°C. Consta de dos cámaras de vacío independientes: cámara de carga y

cámara de depósito. La cámara de depósito utiliza los gases Ar y Ar+O2, la

cantidad de flujo requerida se puede configurar con el controlador de flujos

MKS (modelo M100B00421CS1BV).

25

Figura 3.6. Sistema de sputtering ATC Orion de AJA international, para el

depósito de las películas de ITO.

Los depósitos se hicieron en vacío a 1mTorr de presión y 175⁰C en el

controlador de temperatura. A toda muestra se aplicó un precalentamiento de

10 minutos. Se usó la fuente de RF. El porta muestras que usa este equipo es

para un máximo de muestra de 3”. El blanco utilizado es de ITO con diámetro

de 2”, espesor de 0.125” y pureza de 99.99%.

Un diagrama simple del sputtering con fuente de RF se muestra en la figura

3.7. El cual es un reactor de placas paralelas en cámara de vacío. Donde en

la placa superior se encuentran las obleas y en la inferior el blanco u objetivo

de ITO que en este caso es nuestro material a depositar, en plasma de argón.

Dicho plasma está arreglado para que la alta densidad de iones golpee el

blanco y de esta forma, el material levantado, se deposite en las obleas. Posee

además un imán (magnetrón sputtering) debajo del objetivo sobre la malla de

cobre para mejorar el bombardeo iónico.

26

Figura 3.7. Diagrama simple del sputtering con fuente de RF.

27

4. Capítulo 4

Proceso de fabricación, resultados y análisis

En este capítulo se describe la metodología de la fabricación y la

caracterización de las celdas solares HIT. Así mismo se presentan los

resultados obtenidos.

4.1 Elección del sustrato con la obtención de tiempos de vida

altos.

Proceso No.1.

En la fabricación de celdas solares HIT es importante la elección del

sustrato y de las películas pasivantes, para reducir al máximo la recombinación

de portadores en la superficie o dentro del sustrato. Como películas pasivantes

se usaron algunas ya estudiadas previamente en el INAOE [13], estas

películas reportaron tiempos de vida de 1.156 ms para sustratos FZ. Aunque

es conocido que los sustratos de silicio crecidos por zona flotante (FZ) tienen

una menor densidad de impurezas dentro del cuerpo, en este proceso No.1 se

usaron sustratos de Silicio Czochralski (CZ) y zona flotante (FZ): CZ tipo n y

tipo P, FZ tipo n y Tipo P, cada uno con superficie texturizada y superficie

plana. Estas películas se depositaron en ambas caras de cada sustrato como

muestra la Figura 4.1, así mismo fue usado el equipo PECVD MVS Systems

Inc trabajado a frecuencia estándar (RF=13.56 MHz) en el laboratorio de

microelectrónica del INAOE.

28

(a) (b) Figura 4.1. Estructuras depósito de películas pasivantes en los 8 sustratos a

analizar (a) Con superficie plana y (b) Con superficie texturizada.

Sustratos estudiados;

2 sustratos. Oblea CZ tipo n (marca Addison) 300 ± 25 µm, <100>,

3-10 Ω-cm, 2”.

2 sustratos. Oblea CZ tipo p (marca Addison) 300 ± 25 µm, <100>,

3-10 Ω-cm, 2”.

2 sustratos. Oblea FZ tipo n (marca Topsil) 260-300 µm, <100>,

1-5 Ω-cm de 4”.

2 sustratos. Oblea FZ tipo p (marca Topsil) 255-305 µm, <100>,

1-5 Ω-cm de 4”.

Limpieza inicial.

Los sustratos se limpiaron usando Tricloroetileno seguido de acetona

ambos por 10 minutos en vibrador ultrasónico. Luego se realizó texturizado

húmedo con hidróxido de sodio / alcohol isopropílico / agua deionizada

(KOH/IPA/Di) [16]. Después del proceso de texturizado se grabó el óxido

nativo sumergiendo las 8 muestras en vaso con ácido fluorhídrico (HF) al 5%

durante un tiempo de 30 a 35 segundos a temperatura ambiente. Se secaron

las muestras en flujo de Nitrógeno, no se enjuagaron con agua Di.

Condiciones de depósito

En la Tabla 4.1 se especifican las condiciones de depósito de películas

pasivantes, las cuales pueden proveer tiempos de vida de 1.156 ms, éstas

fueron tomadas de un trabajo previo realizado en el INAOE [13].

29

Tabla 4.1. Condiciones de depósito con película de carburo de silicio amorfo (a-SiC:H) y silicio amorfo (a-Si:H) intrínseco: (a) superficie plana.

(b) Superficie texturizada.

Cámara Película

depositada

SiH₄ al

10% en H₂ CH4 Presión

(mTorr) Potencia

(W) Tiempo

(s) Espesor

(nm) Temp.⁰C

sccm

PL2 a-SiC:H 60 5 0.75 5 30 3

160 (i) a-Si:H 10 - 0.55 3 900 74.7

(a)

Cámara Película

depositada

SiH₄ al 10%

en H₂ CH4 Presión

(mTorr) Potencia

(W) Tiempo

(s) Espesor

(nm) Temp.⁰C

Sccm

PL2 a-SiC:H 60 5 0.75 5 54 3

160 (i) a-Si:H 10 - 0.55 4 1620 74.7

(b)

Resultados proceso No. 1

Existen aproximaciones para estimar los tiempos de vida dependiendo

de la forma en que el exceso de portadores (electrón-hueco) son generados

en el semiconductor. La técnica más extendida se basa en el estudio de

transitorios de fotoconductancia, método propuesto originalmente por R. A.

Sinton y A. Cuevas [21]. Esta técnica es un método de medición sin contactos,

y se realizó en el equipo comercial WCT-120 de Sinton Instruments. Durante

el proceso de medición una densidad de portadores se generó a través de la

oblea iluminándola con un pulso de luz, el cambio resultante de conductividad

se midió sin contactos con una bobina inductiva y una fuente RF contenida en

la base del equipo. Los datos introducidos en software del equipo se muestran

en la tabla 4.2.

Tabla 4.2 Datos introducidos en el software del equipo WCT-120 (Sinton) para sustratos con dopado tipo n.

Espesor (cm)

Resistividad

(Ω-cm) Tipo de dopado

constante óptica

concentración de donadores y/o aceptores

Modo de Análisis

0.028 3.0 N 0.7 1.0E+15 Generalizado 1/64

30

Los resultados arrojados por el software son mostrados en la figura 4.2. Donde

se observa el comportamiento de los tiempos de vida de los portadores

minoritarios teniendo su valor máximo en una densidad de portadores igual a

1.00E+15 cmˉ³ y un tiempo de vida de 717.53µs. Para los sustratos con

dopado tipo p los datos introducidos en el software del equipo son mostrados

en la tabla 4.3.

Figura 4.2. Resultados entregados por el software para la medición de

tiempos de vida en la muestra FZ tipo n con superficie texturizada.

Tabla 4.3 Datos introducidos en el software del equipo WCT-120 (Sinton) para sustratos con dopado tipo p.

Espesor (cm)

Resistividad

(Ω-cm) Tipo de dopado

constante óptica

concentración de donadores y/o aceptores

Modo de Análisis

0.028 3.0 P 0.7 1.0E+14 Generalizado 1/64

31

En la Tabla 4.4. Se muestran los resultados de los tiempos de vida medidos

en las 8 muestras.

Tabla 4.4. Resultados tiempos de vida medidos en las 8 muestras.

Tipo de oblea Tiempo de vida (µs) Voc (V)

A. CZ tipo n (Plana) 68.82 0.576

B. CZ tipo p (Plana) 126.98 0.605

C. FZ tipo n (Plana) 510.23 0.649

D. FZ tipo p (Plana) 427.98 0.668

E. CZ tipo n (Texturizada) 464.6 0.648

F. CZ tipo p (Texturizada) 546.46 0.665

G. FZ tipo n (Texturizada) 717.53 0.677

H. FZ tipo p (Texturizada) 497.76 0.682

Se observó que la muestra G. FZ tipo n (superficie texturizada) es la que

entregó mayor tiempo de vida (717.53µs), lo que demuestra una menor

recombinación de portadores dentro del sustrato y por esta razón se usó este

tipo de sustrato y estas películas pasivantes (a-SiC:H y (i) a-Si:H) en los dos

siguientes procesos de este trabajo.

4.2 Estudio de 5 niveles de dopado de la película de silicio

amorfo hidrogenado tipo p que actúa como emisor.

Proceso No.2.

En este proceso se fabricó una estructura básica de una celda solar HIT

(figura 4.3), en la cual se utilizó el depositó de la película pasivante de carburo

de silicio amorfo y silicio amorfo hidrogenado intrínseco usado en el proceso

No.1, éstos sobre sustratos de silicio cristalino (c-Si) FZ dopado tipo n con

superficie texturizada y con superficie plana. Se realizó un estudio del efecto

con diferente nivel de dopado de la película de silicio amorfo hidrogenado (a-

Si:H) dopada tipo p que hace la función de emisor, finalmente Se utilizó una

32

película de ITO optimizada previamente en el laboratorio de microelectrónica

del INAOE [22].

Figura 4.3 Estructura celda solar HIT básica fabricada en este proceso 2.

Antes de fabricar las celdas solares se depositó ITO en dos pilotos uno de

vidrio Corning 2947 de 25x75 y otro de silicio cristalino FZ 4”, tipo “n” (marca

Topsil) 260-300 µm, <100>, 1-5 Ω-cm y sobre ellos se midió la resistencia de

hoja y el escalón de la película depositada. Las películas de ITO fueron

depositadas en el equipo ATC Orion Sputtering System of AJA International

Inc. Las condiciones de depósito están en la tabla 4.5 [22]. Estos pilotos se

limpiaron en Tricloroetileno seguido de acetona ambos por 10 minutos en

vibrador ultrasónico, se enjuagaron con agua DI y secado en centrifugadora.

Tabla 4.5. Condiciones de depósito película ITO

Fuente Presión (mTorr)

Potencia (W)

Temperatura

cámara (⁰C)

Flujo (sccm) Tiempo (min)

Espesor (nm) Ar

RF 6 150 175 9 16 80

Luego de ser depositado el ITO en los pilotos se midió la resistencia de hoja

con el método de cuatro puntas, los resultados se observan en la tabla 4.6.

Estos resultados son valores de voltaje que se midieron sobre la película de

ITO depositada en 15 partes diferentes de la muestra, con un valor de corriente

constante de 0.4532mA, luego se calculó el valor promedio del voltaje medido

33

y finalmente con la ecuación (4.1) se calculó la resistencia por cuadro de la

película de ITO, siendo estos valores de 66.44 Ω- por cuadro para la película

depositada en sustrato de silicio cristalino dopado tipo n y de 118.88 Ω por

cuadro para la película depositada en la muestra de Corning 2947.

𝑅 = 4.532𝑉

𝐼𝑠𝑐𝑟 (4.1)

La resistividad (ρ) se obtuvo usando la ecuación 4.2 donde se observa que la

resistencia por cuadro se multiplica el espesor de la película depositada (t), y

en este caso t es igual a 80 nm, obteniendo una resistividad de 0.531 mΩ-cm

para la película depositada en sustrato de silicio cristalino dopado tipo n. En

este trabajo se fabricaron y analizaron celdas con área de 1cm², usando la

ecuación 4.3 se observa que (l) es la longitud o espesor de la película de 80

nanómetros y (s) es el área transversal de la película de 1cm² donde se

demuestra que estas películas de ITO son altamente conductivas y poco

resistivas arrojando un resultado de resistencia igual a 42.5216 pΩ.

𝜌 = 𝑡 . 𝑅 (4.2)

𝑅 = 𝜌𝑙

𝑠 (4.3)

Tabla 4.6. Mediciones con método cuatro puntas y cálculo de la R.

Iscr = 0.4532

(mA) V (mV) Promedio R(Ω.)

C-Si FZ tipo n 6.4 6.3 6.7 6.5 6.6 6.9 6.3 6.6

6.644 66.44 6.8 6.9 6.3 6.7 6.8 6.9 7.0

Corning 2947 10.6 9.9 9.9 10.2 10.5 11.8 11.6 11.8

11.888 118.88 11.7 11.4 13.3 13.6 14.5 14.0 13.6

Se midió la transmitancia en comparación con un vidrio sin depósito de ITO la,

(Corning 2947) previamente limpiado de la misma forma al que lleva la película

de ITO. Ésta se ilustra en la figura 4.4 y arrojó una transmitancia de 82.2%,

34

esta medida se toma comparando el promedio del área bajo las curvas a lo

largo del espectro comprendido entre 200 y 900 nanómetros de longitud de

onda.

200 300 400 500 600 700 800 900

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Transmitancia

82.2%

Tra

ns

mit

an

cia

Longitud de onda (nm)

ITO

Corning 2947

Figura 4.4. Transmitancia 82.2%, película de ITO con espesor de 80nm.

Una vez que tenemos una película de ITO con alta conductividad y una

excelente transmitancia, se fabricaron las celdas solares con estructura básica

mostrada en la figura 4.3. Las condiciones de pasivación son las mismas de la

tabla 4.1 (a) para superficie plana y (b) para superficie texturizada. En la

fabricación de estas celdas se usaron 10 sustratos de silicio FZ 4”, tipo “n”

(marca Topsil) espesor 260-300 µm, <100> y resistividad de 1-5 Ω-cm. Se

limpiaron en tricloroetileno seguido de acetona ambos por 10 minutos en

vibrador ultrasónico, no se enjuagaron en agua DI y se secaron en flujo de

nitrógeno. La mitad de estos sustratos (5) se texturizaron por vía húmeda con

hidróxido de sodio / alcohol isopropílico / agua deionizada (KOH/IPA/Di) [16].

Después del proceso de texturizado se grabó el óxido nativo sumergiendo las

10 muestras en vaso con ácido fluorhídrico (HF) al 5% durante un tiempo de

30 a 35 segundos a temperatura ambiente. Enseguida se secaron las

muestras en flujo de Nitrógeno, las muestras no se enjuagaron con agua Di.

La tabla 4.7 parte (a) se muestra las condiciones de depósito de las películas

pasivantes de: carburo de silicio amorfo hidrogenado (a-SiC:H) con tiempo de

35

depósito de 30 segundos para obtener un espesor de 3 nanómetros y las del

silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) intrínseco, este con un tiempo de depósito

de 900 segundos para obtener un espesor de 74.7 nanómetros para las

muestras con superficie plana. En la parte (b) de la tabla se muestran las

condiciones de depósito para obtener a-si:H con espesor de 3 nm y la de

74.7 nm de a-Si:H en superficie texturizada. Finalmente, en la parte (c) se

muestran las condiciones de depósito de las película de silicio amorfo

hidrogenado (a-Si:H) dopado tipo p que cumplen la función de emisor en una

celda solar, cada película fue depositada en una muestra con superficie plana

y una con superficie texturizada. Para las muestras con superficie plana la

película amorfa tipo p tiene un espesor de 30nm y para las muestras con

superficie texturizada un espesor de 17nm. Cabe hacer notar que se

estudiaron 5 razones de flujo de diborano/silano.

Tabla 4.7. Condiciones de depósito películas (a) pasivante con superficies Planas, (b) pasivante con superficies texturizadas y (c) 5 diferentes dopados

película a-Si:H dopado tipo p que cumple la función de emisor.

Cámara Película

depositada

SiH₄ al


(mTorr) Potencia

(W) Tiempo

(s) Espesor

(nm) Temp.

⁰C sccm

PL2 a-SiC:H 60 5 750 5 30 3

160 (i) a-Si:H 10 - 550 4 900 74.7

(a)

Cámara Película

depositada

SiH₄ al


(mTorr) Potencia

(W) Tiempo

(s) Espesor

(nm) Temp.

⁰C sccm

PL2 a-SiC:H 60 5 750 5 54 3

160 (i) a-Si:H 10 - 550 4 1620 74.7

(b)

Muestra No.

Cámara Presión (mTorr)

Potencia (W)

Temp.

⁰C Tiempo

(s)

SiH₄ al

10 % en

H₂

B₂H₆ al

1% en

H₂ B₂H₆/SiH₄

1

PL2 550 3 180 °C 360 20

0.1 5.00E-3

2 0.3 1.50E-2

3 5 2.50E-1

4 10 5.00E-1

5 20 1.00

(c)

36


Se midieron las curvas corriente (I) vs voltaje (V) bajo radiación AM 1.5

de potencia 100mW/cm², en los 10 sustratos con superficie plana y superficie

texturizada con celdas solares HIT fabricadas. Estos resultados son mostrados

en la tabla 4.8, donde de cada sustrato se obtuvieron entre 3 y 4 celdas de

1cm². En esta tabla se muestran los valores de Isc, Voc, ƞ y F.F en función de

las razones de flujo de B₂H₆/SiH₄ que se usaron para depositar la película de

a-Si:H dopada tipo p y que es el emisor en la celda solar HIT. Se observó que

las celdas con condiciones de dopado No.2 de la tabla 4.8 (b)y con superficie

texturizada mostraron mejores características eléctricas, como un mayor

voltaje de circuito abierto Voc de 0.65V, mayor corriente de corto circuito Isc de

6.66mA, un factor de llenado F.F. de 45.6% y una eficiencia ƞ de 1.8%.

También se observó que a un mayor nivel de dopado la corriente de corto

circuito disminuye debido a que altos niveles de dopado generan un mayor

número de defectos.

La figura 4.5 muestra las curvas corriente vs voltaje correspondiente a 5

diferentes procesos de celdas solares HIT. En esta figura 4.5 se puede

observar variaciones de Voc y de Isc en las celdas solares de un mismo

sustrato, podemos suponer que es producto de diferentes factores. En esta

figura se observa un comportamiento de resistencia en serie muy altas y

resistencia en paralelo muy bajas.

37

Tabla 4.8. Resultados eléctricos de 5 diferentes procesos de celdas solares HIT con 5 diferentes Niveles de dopado de (B₂H₆/SiH₄) de la película de a-Si:H tipo p. (a) 5E-04, (b) 1.5E-03, (c) 2.5E-02, (d) 5E-02 y (e) 1E-01.

Relación de dopado No.1 (B₂H₆/SiH₄) = 5E-04

Superficie

Texturizada Plana

Celda1 Celda 2 Celda1 Celda 2 Celda 3 Celda 4

Voc (V) 0.20 0.15 0.10 0.10 0.05 0.10

Isc (mA) 3.32 2.80 1.99 2.04 1.14 1.61

F.F. (%) 16.7 20.8 23.9 24.8 19.4 19.4

ƞ (%) 0.11 0.09 0.05 0.05 0.01 0.01

(a)

Relación de dopado No.2 (B₂H₆/SiH₄) = 1.5E-03

Superficie

Texturizada Plana

Celda1 Celda 2 Celda3 Celda 4 Celda1 Celda 2 Celda 3

Voc (V) 0.65 0.60 0.65 0.65 0.65 0.60 0.65

Isc (mA) 6.26 5.26 5.97 5.82 6.66 3.86 2.56

F.F. (%) 43.5 43.1 45.3 42.4 42.4 45.6 46.4

ƞ (%) 1.77 1.36 1.76 1.68 1.84 1.06 77.2

(b)

Relación de dopado No.3 (B₂H₆/SiH₄) = 2.5E-02

Superficie

Texturizada Plana

Celda1 Celda1 Celda 2 Celda 3 Celda 4

Voc (V) 0.45 0.40 0.35 0.35 0.40

Isc (mA) 5.23 3.60 3.60 3.25 3.46

F.F. (%) 0.40 34.5 30.5 41.6 37.2

ƞ (%) 0.72 0.50 0.51 0.47 0.52

(c)


Superficie

Texturizada Plana

Celda1 Celda1 Celda 2 Celda 3 Celda 4

Voc (V) 0.50 0.40 0.40 0.40 0.40

Isc (mA) 2.55 4.33 4.22 4.46 4.00

F.F. (%) 28.0 37.7 35.8 35.1 37.9

ƞ (%) 0.36 0.65 0.60 0.63 0.61

(d)


Superficie

Texturizada Plana

Celda1 Celda 2 Celda1 Celda 2 Celda 3 Celda 4

Voc (V) 0.60 0.55 0.55 0.65 0.65 0.65

Isc (mA) 2.32 2.22 2.78 2.79 2.79 2.77

F.F. (%) 51.6 45.7 48.8 54.5 55.2 59.4

ƞ (%) 0.72 0.56 0.75 0.99 1.00 1.07

(e)

38

-3.5m

-3.0m

-2.5m

-2.0m

-1.5m

-1.0m

-500.0µ

0.00.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1Plana

CeldaNo.2plana

CeldaNo.3Plana

CeldaNo.4Plana

CeldaNo.1Txt.

CeldaNo.2Txt.

-7.0m

-6.0m

-5.0m

-4.0m

-3.0m

-2.0m

-1.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1Plana

CeldaNo.2Plana

CeldaNo.3Plana

CeldaNo.1Txt.

CeldaNo.2Txt.

CeldaNo.3Txt

CeldaNo.4Txt

(a) (b)

-7.0m

-6.0m

-5.0m

-4.0m

-3.0m

-2.0m

-1.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1Plana

CeldaNo.2Plana

CeldaNo.3Plana

CeldaNo.4Plana

CeldaNo.1Txt.

CeldaNo.2Txt.

-4.5m

-4.0m

-3.5m

-3.0m

-2.5m

-2.0m

-1.5m

-1.0m

-500.0µ

0.00.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1Plana

CeldaNo.2Plana

CeldaNo.3Plana

CeldaNo.4Plana

CeldaNo.1Txt.

(c) (d)

-3.0m

-2.5m

-2.0m

-1.5m

-1.0m

-500.0µ

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1Plana

CeldaNo.2Plana

CeldaNo.3Plana

CeldaNo.4Plana

CeldaNo.1Txt.

CeldaNo.2Txt.

(e)

Figura 4.5. Curvas corriente vs Voltaje de 5 diferentes proceso de celdas solares HIT con 5 diferentes niveles de dopado de la película de a-Si:H tipo p (emisor).

(a) B₂H₆/SiH₄ = 5E-04, (b) B₂H₆/SiH₄ = 1.5E-03, (c) B₂H₆/SiH₄ = 2.5E-02, (d) B₂H₆/SiH₄ = 5E-02 y (e) B₂H₆/SiH₄ = 1E-01.

39

4.3 Fabricación de una celda solar HIT variando los

contactos metálicos con aluminio (Al) y plata (Ag).

Proceso No.3

En este proceso se buscó mejorar la corriente de corto circuito Isc y el

factor de llenado F.F de las celdas HIT fabricadas en el proceso No.2 con

superficie plana y superficie texturizada. Para esto se fabricaron con los

contactos superior e inferior en aluminio (Al) y en plata (Ag), además al final

del proceso se realizó un tratamiento térmico en horno convencional a 150⁰C

por 20 min en ambiente (sin gases) [23], esto con el fin de mejorar la variación

en las condiciones eléctricas como el factor de llenado y lograr sea homogéneo

en todo el sustrato con celdas solares.

Se fabricaron las celdas solares con la estructura mostrada en la figura 4.6.

Las condiciones de las películas pasivantes son las mismas de la tabla

4.1 (a) para superficie plana y (b) para superficie texturizada. En la fabricación

de estas celdas se usaron 4 sustratos de silicio FZ 4”, tipo “n” (marca Topsil)

260-300 µm, <100> y resistividad de 1-5 Ω-cm. La limpieza fue de

tricloroetileno seguido de acetona ambos por 10 minutos en vibrador

ultrasónico, no se enjuagaron con agua DI y el secado fue con nitrógeno. Se

texturizaron 2 de los sustratos por vía húmeda con hidróxido de sodio / alcohol

isopropílico / agua deionizada (KOH/IPA/Di) [16]. Después del proceso de

texturizado se grabó el óxido nativo sumergiendo los 4 sustratos en vaso con

ácido fluorhídrico (HF) al 5% durante un tiempo de 30 a 35 segundos a

temperatura ambiente, enseguida se secaron las muestras en flujo de

Nitrógeno. La tabla 4.9 muestra las condiciones de depósito de las películas

pasivantes de a-SiC:H, la de a-Si:H intrínseco y de la película de a-Si:H dopada

tipo p en (a) superficies planas y (b)superficies texturizadas. En ésta se

observa que las películas pasivantes son las mismas explicadas y usadas en

40

el proceso No.2 tabla 4.7. Finalizando el proceso con un tratamiento térmico

en horno convencional a 150 grados centígrados por 20 minutos.

Figura 4.6. Celda solar HIT básica fabricada en el proceso No.3 con contactos en aluminio o plata, en superficie plana y superficie texturizada.

Tabla 4.9 Condiciones de depósito películas pasivantes y de a-Si:H dopada tipo p ((p) a-Si:H). (a) Superficie plana y (b) superficie texturizada

Cámara Película

depositada

SiH₄ al

10%

en H₂ CH4

B₂H₆ a 1%

en H₂ Presión (mTorr)

Potencia (W)

Tiempo (s)

Espesor (nm)

Temp.⁰C

Sccm

PL2

a-SiC:H 60 5 -

750 5 30 3 160

(i) a-Si:H 10 - 550 4 900 74.7

(p) a-Si:H 20 - 0.3 550 4 360 30 180

(a)

Cámara Película

depositada

SiH₄ al

10%

en H₂ CH4

B₂H₆ a 1%


Potencia (W)

Tiempo (s)

Espesor (nm)

Temp.⁰C

Sccm

PL2

a-SiC:H 60 5 -

750 5 54 3 160

(i) a-Si:H 10 - 550 4 1620 74.7

(p) a-Si:H 20 - 0.3 550 4 360 17 180

(b)

Resultados proceso No.3.


(100mW/cm²), en las celdas solares HIT fabricadas con contactos metálicos

de aluminio y de plata. Estos resultados son mostrados en la tabla 4.10 donde

41

de cada muestra se obtuvieron 4 celdas solares HIT de 1cm².

Las celdas con superficie plana y contactos de plata depositados con la

evaporadora mostraron problemas de adherencia con la película de ITO por

esta razón no tienen mediciones. Comparando los resultados obtenidos en la

tabla 4.10 (a) con los obtenidos en la tabla 4.8. Se observa que el Voc

disminuyó de 0.65V a 0.48V, la Isc se mantuvo constante, el F.F aumentó de

45% a 52% y la eficiencia disminuyó por el bajo Voc. Además, comparando la

figura 4.7 con la figura 4.5 (B), se observa que existe disminución en la

resistencia serie y aumento en la resistencia Shunt en celdas con contactos

de plata. No obstante, los bajos valores de Isc y los altos valores de Rs nos

indican que las capas pasivadoras están limitando el funcionamiento de las

celdas que hemos fabricado.

Tabla 4.10. Resultados obtenidos proceso No.3 con contactos metálicos de (a) aluminio (Al) y (b) Plata (Ag).

Contactos metálicos de aluminio (Al).

Superficie

Texturizada Plana

Celda1 Celda 2 Celda3 Celda 4 Celda1 Celda 2 Celda 3 Celda 4

Voc (V) 0.46 0.46 0.36 0.46 0.48 0.48 0.48 0.48

Isc (mA) 6.35 6.41 6.18 6.59 4.77 4.70 4.74 4.61

F.F. (%) 47.0 49.9 38.3 49.6 51.8 50.6 50.4 49.9

ƞ (%) 1.37 1.47 0.85 1.50 1.19 1.14 1.15 1.11

(a)

Contactos metálicos de Plata (Ag).

Superficie

Texturizada Plana

Celda1 Celda 2 Celda3 Celda 4 Celda

Voc (V) 0.46 0.44 0.46 0.48 No se obtuvieron resultados por falta de adherencia de la Ag sobre la película de

ITO

Isc (mA) 6.52 6.59 6.59 6.63

F.F. (%) 48.4 47.3 14.5 17.9

ƞ (%) 1.452 1.372 0.48 0.563

(b)

42

-7.0m

-6.0m

-5.0m

-4.0m

-3.0m

-2.0m

-1.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1Plana

CeldaNo.2Plana

CeldaNo.3Plana

CeldaNo.4Plana

CeldaNo.1Text.

CeldaNo.2Text.

CeldaNo.3Text.

CeldaNo.4Text.

-7.0m

-6.0m

-5.0m

-4.0m

-3.0m

-2.0m

-1.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1Text

CeldaNo.2Text

CeldaNo.3Text

CeldaNo.4Text

(a) (b)

Figura 4.7. Curvas corriente vs Voltaje proceso No.3 (a) Contactos en aluminio (Al) (b) Contactos en plata (Ag).

4.4 Fabricación celda solar HIT desde estructura básica

hasta estructura más completa fabricada y reportada por la

empresa Panasonic.

Proceso No.4

La búsqueda en aumentar la Isc, Voc, F.F y la ƞ de las celdas fabricadas

en los procesos anteriores, llevó a la determinación de hacer un cambio en la

estructura de la celda y se optó por hacer un estudio: primero; estructuras de

celdas HIT ya reportadas como lo son las fabricadas por la empresa Sanyo

ahora Panasonic [12], al igual que la universidad de Delft en Holanda [24].

Segundo; analizar las condiciones de depósito de las películas de silicio

amorfo hidrogenado intrínseco, dopado tipo p y dopado tipo n depositados en

trabajos previamente realizados en el laboratorio de microelectrónica del

INAOE, ya que estructuras más complejas ocupan tanto las película de a-Si:H

dopada tipo p como dopada tipo n [25], [26]. Como punto más importante, del

análisis de las estructuras reportadas, encontramos que el grosor de nuestras

capas pasivantes son mucho mayores a los usados en las celdas HIT de

Sanyo y Delft.

43

Las condiciones de depósito de las películas de silicio amorfo hidrogenado

intrínseco, dopado tipo p y dopado tipo n se muestran en la tabla 4.11, donde

se puede observar las nuevas condiciones de depósito de la película pasivante

solo se usa una película de a-Si:H intrínseco, ésta se deposita en la cámara

PL4 porque no está contaminada con carburo y su espesor esperado es de 6

nanómetros. Las condiciones de depósito de la película dopada tipo p son las

previamente usadas en este trabajo. Además de que se agrega una película

dopada tipo n como película de campo posterior.

Tabla 4.11. Condiciones de depósito películas, (a) intrínseca ((i) a-Si:H), (b) dopada tipo p ((p) a-Si:H), y (c) dopada tipo n ((n) a-Si:H) [27].

Cámara Tipo de película

SiH₄ al 10% H₂ Presión (mTorr)

Potencia (W)

Tiempo (s)

Espesor (nm)

Temp.⁰C

Sccm

PL4 (i) a-Si:H 10 0.55 3 100 6 160

(a)


SiH₄ al

10% H₂

B₂H₆ al

1% en

H₂ Presión (mTorr)

Potencia (W)

Tiempo (s)

Espesor (nm)

Temp.⁰C

Sccm

PL2 (p)a-Si:H 30 0.3 0.69 3 120 6 160

(b)


SiH₄ al

10% H₂ PH₃ Presión

(mTorr) Potencia

(W) Tiempo

(s) Espesor

(nm) Temp.⁰C

Sccm

PL7 (n)a-Si:H 30 0.3 0.69 3 230 6 160

(c)

La figura 4.8 muestra 4 estructuras de celdas solares HIT: No.1 se llamó celda

solar HIT básica, No.2 es una celda solar básica con campo posterior (BSF,

Back Surface Field) el cual se genera depositando una película de silicio

amorfo hidrogenado dopado tipo n. En la No.3 se pasiva la unión posterior

entre la película de silicio amorfo hidrogenado tipo n y el sustrato de silicio

cristalino, depositando una capa de silicio amorfo hidrogenado intrínseco. En

la No.4 una celda solar llamada HIT completa, se encapsularon ambas

superficies de la celda solar con ITO como oxido transparente conductor

44

(TCO), esto con el fin de proteger las películas amorfas de ambas superficies

y como película anti-reflejante. En la tabla 4.12 se muestran las condiciones

de depósito de la película de ITO. En la parte superior de la celda el TCO tiene

un espesor de 80nm y la parte posterior un espesor de 50nm. Estas películas

de ITO fueron depositadas en el equipo ATC Orion Sputtering System of AJA

International Inc.

(a) (b)

(c) (d) Figura 4.8 Estructuras celdas HIT fabricadas en el proceso No.4 (a) Estructura No.1 celda solar HIT básica, (b) Estructura No.2 celda solar HIT con campo posterior, (c) Estructura No.3 celda solar HIT con campo posterior y película pasivante y (d) Estructura No.4 celda solar HIT completa.

Tabla 4.12. Condiciones de depósito de las películas de ITO. (a) 80nm parte superior y (b) 50nm parte posterior. [22]

45

En la fabricación de estas celdas se usaron 4 sustratos de silicio FZ 4”, tipo “n”

(marca Topsil) 260-300 µm, <100> y resistividad de 1-5 Ω-cm. Se limpiaron

con tricloroetileno seguido de acetona ambos por 10 minutos en vibrador

ultrasónico, se enjuagaron con agua DI y secaron en centrifugadora. Se

texturizaron las obleas por vía húmeda con hidróxido de sodio / alcohol

isopropílico / agua deionizada (KOH/IPA/Di) [16]. Después del proceso de

texturizado se grabó el óxido nativo sumergiéndolas en ácido fluorhídrico (HF)

al 5% durante un tiempo de 30 a 35 segundos a temperatura ambiente.



de potencia 100mW/cm² en las 4 obleas, donde se obtuvieron entre 3 y 7

celdas solares de 1cm² por oblea. Los resultados son mostrados en la tabla

4.13, todas las celdas solares fabricadas en este proceso tienen superficie

texturizada, Además la figura 4.9 muestra las curvas corriente vs voltaje.


Potencia (W)

Temperatura cámara (⁰C)


Espesor (nm) Ar

RF 6 150 175 9 16 80

(a)


Potencia (W)

Temperatura

cámara (⁰C)


Espesor (nm) Ar

RF 6 150 175 9 10 50

(b)

46

Tabla 4.13. Mediciones obtenidas en simulador solar proceso No.4.

Estructura No.1.

Celda 1 Celda 2 Celda 3 Celda 4

Voc (V) 0.42 0.42 0.42 0.40

Isc (mA) 37.16 24.79 36.98 30.98

F.F. (%) 36.9 35.6 36.4 30.3

ƞ (%) 5.76 3.70 5.65 3.75

Estructura No.2.

Celda 1 Celda 2 Celda 3

Voc (V) 0.44 0.48 0.50

Isc (mA) 36.58 37.14 35.72

F.F. (%) 36.5 35.7 45.4

ƞ (%) 5.87 6.37 8.11

Estructura No.3.

Celda 1 Celda 2 Celda 3 Celda 4 Celda 5 Celda 6 Celda 7

Voc (V) 0.48 0.46 0.48 0.46 0.44 0.42 0.46

Isc (mA) 41.79 38.79 43.22 41.70 41.99 39.88 39.22

F.F. (%) 31.7 36.4 44.3 40.0 42.2 36.4 35.9

ƞ (%) 6.36 6.50 9.20 7.68 7.80 6.10 6.48

Estructura No.4.

Celda 1 Celda 2 Celda 3 Celda 4

Voc (V) 0.48 0.46 0.46 0.48

Isc (mA) 44.89 43.01 41.30 40.62

F.F. (%) 44.8 43.3 41.7 41.7

ƞ (%) 9.65 8.57 7.91 8.14

47

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1.Txt

CeldaNo.2.Txt

CeldaNo.3.Txt

CeldaNo.4.Txt

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1Txt.

CeldaNo.2Txt.

CeldaNo.3Txt.

(a) (b)

-45.0m

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1.Txt.

CeldaNo.2.Txt.

CeldaNo.3.Txt.

CeldaNo.4.Txt.

CeldaNo.5.Txt.

CeldaNo.6.Txt.

CeldaNo.7.Txt.

-50.0m

-45.0m

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

CeldaNo.1.Txt.

CeldaNo.2.Txt.

CeldaNo.3.Txt.

CeldaNo.4.Txt.

(c) (d)

Figura 4.9. Curvas corriente Vs voltaje proceso No.4 (a) Estructura No.1, (b) Estructura No.2, (c) Estructura No.3 y (d) Estructura No.4.

En este proceso No.4 se observó en comparación con las celdas solares HIT

básica trabajada en el proceso No.3 un aumento de la corriente de corto

circuito (Isc) de 6.595mA a 37.16mA, en la eficiencia (ƞ) de 1.504% a 5.755%

y disminución del voltaje de circuito abierto (Voc) de 0.46V a 0.42V y del factor

de llenado (F.F) de 0.5% a 0.37%. Además, una estructura de celda solar HIT

completa presenta los mejores resultados en Isc de 44.89mA y ƞ de 9.652%.

También se puede observar que el Voc sigue siendo bajo debido a

posiblemente dos razones: la recombinación de los portadores generados

entre la película dopada tipo p y el sustrato de silicio cristalino por la delgada

capa intrínseca que representa una muy mala pasivación y por una mala

limpieza. Pero en general se cumple el objetivo de tener una eficiencia alta.

48

4.5 Caracterización de un proceso de limpieza para

estandarizar la fabricación de una celda solar HIT completa.

Proceso No.5

Se ha observado la importancia del tipo de limpieza usado en la

fabricación de celdas solares para mejorar la pasivación y, con ello, generar

un aumento en el Voc. Así que es necesario realizar un estudio del tipo de

limpieza y su efecto en el funcionamiento de las celdas HIT. Para este proceso

No.5 se nombraron y definieron 5 diferentes condiciones para así finalmente

hacer 8 tipos de limpiezas, estas condiciones se describen en la tabla 4.14. La

tabla 4.15 enumera las 8 diferentes limpiezas formadas de combinar las cinco

condiciones definidas.

Tabla 4.14 Diferentes condiciones para formar una limpieza.

Nombre Definición

HNO₃ Ciclo de oxidación con ácido nítrico (HNO₃) y grabado del

óxido con HF(0.55%) o HF(buffer). Consiste en sumergir las muestras 10 minutos en (HNO₃) a temperatura ambiente,

luego 10 minutos en solución de HNO₃ 30% / agua DI 70%

en parrilla a 80⁰C y posteriormente, grabado del óxido [28]. En esta referencia lo llaman un ciclo NAOC, lo repiten 3 veces para sustratos con superficie texturizada y una sola vez para sustratos con superficie plana.

HF(0.55%) Solución 1:0,55 de ácido fluorhídrico (HF) para el grabado del óxido nativo y del óxido con HNO₃.

HF(buffer) Solución de fluoruro de amonio (NH₄F), agua deionizada (DI)

y ácido fluorhídrico (HF) para el grabado del óxido nativo y del óxido con HNO₃.

DI Las muestras se enjuagan en agua deionizada y se secan en centrifugadora.

N₂ Las muestras no se enjuagan en agua deionizada y se secan bajo flujo de aire de nitrógeno.

49

Tabla 4.15 Tipos de limpiezas realizadas y definidas en el proceso No. 5

Limpieza

Número Nombre

1 HNO₃ + HF(0.55%) + N₂ 2 HNO₃ + HF(0.55%) + DI

3 HNO₃ + HF(buffer) + N₂ 4 HNO₃ + HF(buffer) + DI

5 HF(0.55%) + N₂ 6 HF(0.55%) + DI

7 HF(buffer) + N₂ 8 HF(buffer) + DI

En este proceso se usaron 16 sustratos de silicio FZ 4”, tipo “n” (marca Topsil)

260-300 µm, <100> y resistividad de 1-5 Ω- cm. Se desengrasaron para ser

texturizados por vía húmeda con hidróxido de sodio / alcohol isopropílico /

agua deionizada (KOH/IPA/Di) [16]. Ocho de los sustratos se texturizaron

totalmente por ambas superficies y ocho se protegieron los contactos superior

e inferior para no ser texturizados, en la figura 4.10 se muestran las estructuras

de las celdas solares HIT fabricadas en este proceso. Las condiciones de

depósito para las películas amorfas de silicio (intrínseco, dopado tipo p y

dopado tipo n) son mostradas en la tabla 4.11 y las del depósito para la película

de ITO en la tabla 4.12.

(a) (b)

Figura 4.10 Estructura celda solar HIT completa, (a) Superficies totalmente texturizadas y (b) Contacto superior y posterior con superficie plana.

50



de potencia 100mW/cm² en 12 muestras, donde se obtuvieron entre 1 y 4

celdas solares de 1cm² por muestra, algunas celdas no tienen medición por

mala adherencia del metal (Al) con el ITO. Los resultados son mostrados en la

tabla 4.16 correspondientes a una limpieza en sustrato con superficie

totalmente texturizada y sustrato con contacto de superficie plana, Además la

figura 4.11 muestra las curvas corriente vs voltaje.

Tabla 4.16. Datos medidos con el simulador solar proceso No.5 con 8 limpiezas.

Superficie

Celd

a Limpieza No.1.

HNO₃ + HF(0.55%) + N₂ Superficie

Celd

a Limpieza No.2.

HNO₃ + HF(0.55%) + DI

Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%) Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%)

Totalmente texturizada

1 0.42 35.28 22.1 3.27 Totalmente texturizada

1 0.50 40.09 38.6 7.73

2 0.40 36.23 24.4 3.53 2 0.50 40.97 38.5 7.88

Contacto plano

1 0.48 41.70 28.1 5.63 3 0.50 39.69 39.8 7.91

2 0.50 26.83 24.7 3.31 Contacto plano

1 0.44 30.17 21.4 2.84 3 0.52 23.60 24.7 3.03

Superficie

Celd

a Limpieza No.3.

HNO₃ + HF(buffer) + N₂ Superficie

Celd

a Limpieza No.4.

HNO₃ + HF(buffer) + DI

Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%) Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%)


1 0.46 26.85 24.4 3.02 Totalmente texturizada

1 0.38 27.80 20.7 2.19

2 0.44 31.74 27.1 3.78 2 0.38 30.60 20.6 2.40

3 0.46 36.28 29.3 4.89 Contacto plano

1 0.44 32.63 24.4 3.51

4 0.46 37.43 33.7 5.81 2 0.42 28.49 24.6 2.94

Contacto plano

1 0.38 0.16 15.9 0.01

Superficie

Celd

a Limpieza No.6.

HF(0.55%) + DI 2 0.40 22.04 19.4 1.71

Superficie

Celd

a Limpieza No.5.

HF(0.55%) + N₂ Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%)


1 0.40 35.17 20.6 2.91

Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%) 2 0.36 35.33 20.3 2.59


1 0.34 2.89 17.1 1.68 3 0.36 34.25 21.5 2.65

2 0.36 2.89 15.6 1.62

Superficie

Celd

a Limpieza No.8.

HF(buffer) + DI 3 0.36 19.34 16.9 1.18

Superficie

Celd

a Limpieza No.7.

HF(buffer) + N₂ Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%)


1 0.44 35.18 34.6 5.36

Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%) 2 0.48 35.25 29.1 4.92


1 0.44 34.45 28.4 4.31 3 0.44 33.04 28.2 4.09

2 0.44 36.13 30.0 4.78 4 0.42 36.05 30.7 4.64

3 0.44 30.09 25.6 3.40 Contacto

plano - No aplica en limpiezas 5,6,7y8

51

-50.0m

-45.0m

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

C

orr

ien

te (

A)

Voltaje (V)

Superficies

Celda1 Texturizadas.



Celda1 Contacto plano.

-50.0m

-45.0m

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Superficies





(a) Limpieza No.1 (b) Limpieza No.2

-45.0m

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Superficies







-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Superficies





(c) Limpieza No.3 (d) Limpieza No.4

-50.0m

-45.0m

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Superficies

Limpieza No.5




Limpieza No.6




-45.0m

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

rrie

nte

(A)

Voltaje (V)

Superficies

Limpieza 7




Limpieza 8





(e) Limpiezas No.(5 y 6) (f) Limpiezas No.(7 y 8)

Figura 4.11. Curvas corriente vs voltaje (a) HNO₃+HF(0.55%)+N, (b) HNO₃+HF(0.55%)+DI, (c) HNO₃+HF(buffer)+N₂, (d) HNO₃+HF(buffer)+DI,

(e) HF(0.55%)+N₂ y HF(0.55%)+DI, (f) HF(buffer)+N₂ y HF(buffer)+DI.

52

En este proceso No.5 se observó en comparación con celdas solares HIT

completa trabajada en el proceso No.4 una disminución en la eficiencia (ƞ) y

la corriente de corto circuito (Isc), por variación del tiempo de depósito en la

película de (a-Si:H) dopada tipo n de la celda solar HIT completa. Ésta se venía

trabajando con tiempos de 230 segundos para espesores de 10nm en

superficie plana y 6nm en superficie texturizada y en este proceso se fabricó

con un tiempo de 398 segundos para obtener un espesor de 10nm en

superficie texturizada e identificar si una pequeña variación en el espesor de

las películas del campo posterior intervenía en la eficiencia de la celda. El

espesor en superficie plana con este tiempo para esta película es de 18nm,

por esta razón los sustratos con contacto de superficie plana no entregaron

buenos resultados además de la mala adherencia del metal con la superficie

de ITO, dejando esta mala adherencia a los sustratos de contactos planos con

limpiezas 5, 6, 7 y 8 sin mediciones. Aun así, se observa el efecto del tipo de

limpieza en el funcionamiento de las celdas solares HIT completas. En la tabla

4.17 se muestran los diferentes resultados obtenidos, donde claramente la

limpieza No2 (HNO₃ + HF(0.55%) + DI) muestra un aumento de Voc a 0.5V

producto de una mejor pasivación.

4.6 Fabricación de una celda solar HIT completa con limpieza

de (HNO₃ + HF(0.55%) + DI), con superficies totalmente

texturizadas y superficies con contacto no texturizado.

Proceso No.6

El objetivo en este proceso No.6 fue demostrar la mejora que ejerce

limpieza No.2 (HNO₃ + HF(0.55%) + DI, mostrada en el proceso No.5) en el

funcionamiento de una celda HIT completa con superficies texturizadas y con

superficies de contactos no texturizados. Usando las condiciones del proceso

No.4 que mostraron mejores resultados de Isc y ƞ. Las estructuras de las

53

celdas solares HIT fabricadas se muestran nuevamente en la figura 4.12.

Figura 4.12 Estructura celda solar HIT completa, (a) Superficies totalmente texturizadas y (b) Contacto superior y posterior con superficie plana.

En la fabricación de este proceso No.6 se usaron 2 sustratos de silicio FZ 4”,

tipo “n” (marca Topsil) 260-300 µm, <100> y resistividad de 1-5 Ω- cm. Se

desengrasaron para ser texturizados por vía húmeda con hidróxido de

sodio / alcohol isopropílico / agua deionizada (KOH/IPA/Di) [16]. Un sustrato

se texturizó totalmente por ambas superficies figura 4.12 (a) y el otro se

protegió los contactos superior e inferior para no ser texturizados figura 4.12

Tabla 4.17 Condiciones de depósito películas, (a) intrínseca ((i) a-Si:H), (b) dopada tipo p ((p) a-Si:H), y (c) dopada tipo n ((n) a-Si:H) [27].



Potencia (W)

Tiempo (S)

Espesor (nm)

Temp.⁰C

Sccm

PL4 (i) a-Si:H 10 0.55 3 100 6 160

(a)


SiH₄ al

10%

H₂

B₂H₆ al

1% en

H₂ Presión (mTorr)

Potencia (W)

Tiempo (S)

Espesor (nm)

Temp.⁰C

Sccm

PL2 (p) a-Si:H 30 0.3 0.69 3 120 6 160

(b)


SiH₄ al

10%

H₂ PH₃ Presión

(mTorr) Potencia

(W) Tiempo

(S) Espesor

(nm) Temp.⁰C

Sccm

PL7 (n) a-Si:H 30 0.3 0.69 3 230 6 160

(c)

54

(b), posteriormente se les hizo la limpieza No.2 (HNO₃ + HF(0.55%) + DI)

descrita en el proceso No.5. Las condiciones de depósito de las películas de

silicio amorfo hidrogenado ((a-Si:H) intrínseco, dopada tipo p y dopada tipo n

usadas en el proceso No.4) se muestran nuevamente en la tabla 4.17 y las

condiciones de depósito de las películas de ITO en la tabla No.4.18.


Se obtuvieron entre 2 y 3 celdas solares de 1cm² por sustrato (celda mostrada

en la figura 4.13). Se midieron las curvas I vs V bajo radiación AM 1.5

(100mW/cm²). Para mejorar la adherencia del contacto de Al con la película

de ITO superior e inferior, se hizo grabado en plasma de oxigeno por un minuto

antes del depositó del aluminio. Los resultados son mostrados en la tabla 4.19

y las curvas corriente vs voltaje en la figura 4.19 (a) correspondiente a

sustratos con superficies texturizadas y figura 4.19 (b) sustrato con contacto

de superficie plana.

Figura 4.13 Fotografía Celda solar HIT de 1cm² fabricada en este trabajo.

Tabla 4.18 Condiciones de depósito de las películas de ITO. (a) 80nm parte superior y (b) 50nm parte posterior [22].


Potencia (W)



Espesor (nm) Ar

RF 6 150 175 9 16 80

(a)


Potencia (W)



Espesor (nm) Ar

RF 6 150 175 9 10 50

(b)

55

Tabla 4.19 Resultados obtenidos en el simulador solar, proceso No.6 sustratos con superficies texturizadas y superficies con contacto plano.

Superficies totalmente texturizadas

Celda Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%)

1 0.48 40.73 28.5 5.56

2 0.48 43.02 30.1 6.22

Superficies con contactos planos

Celda Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%)

4 0.54 43.14 39.4 9.17

5 0.54 42.99 41.8 9.71

6 0.52 45.19 0.45 10.50

-45.0m

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Celda1

Celda2

(a)

-45.0m

-40.0m

-35.0m

-30.0m

-25.0m

-20.0m

-15.0m

-10.0m

-5.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

rrie

nte

(A)

Voltaje (V)

Celda1

Celda2

Celda3

(b)

Figura 4.14 curvas corriente vs voltaje celdas solares HIT completa (a) Superficies texturizadas y (b) Contacto de superficies planas.

56

Comprobando los procesos No.6 y No.4 se observa un aumento de la corriente

de corto circuito Isc de hasta 45.19mA, valores que no se han reportado en

alguna referencia para este tipo de celda solar HIT. La eficiencia aumento de

9.652% a 10.502%, el factor de llenado F.F se mantuvo en el mismo valor de

44.7% aunque se observó disminución en las celdas con sustrato de superficie

totalmente texturizada que puede deberse a una capa delgada no visible de

resina que queda en superficies texturizadas la cual no se ha retirado

totalmente con el grabado en un minuto con plasma de oxígeno, dicha capa

podría ser un residuo del proceso de lift-off que se usa para depositar los

contactos metálicos. Se cumple el objetivo de demostrar la limpieza No.2

(HNO₃ + HF(0.55%) + DI) mejorando la pasivación, viéndose reflejada en el

aumento del voltaje de circuito abierto (Voc) de 0.48V a 0.52V y 0.54V.

57

Conclusiones.

Se midieron tiempos de vida de portadores minoritarios en distintos

sustratos, los mejores resultados se obtuvieron en el sustrato de silicio

cristalino FZ texturizado dopado tipo n, arrojando un tiempo de vida de

717.53µs, lo que es congruente con resultados anteriormente reportados. A

pesar de haber obtenido un buen resultado usando esta pasivación

((i) a-Si:H/a-SiC:H/c-Si) no fue posible su aplicación en la fabricación de

dispositivos fotovoltaicos, debido al superior espesor (>10nm) de la película

pasivante lo que imposibilita el efecto túnel.

Se llevó a cabo un estudio sobre la optimización de la eficiencia en función de

la pasivación en ambas caras de las obleas de silicio con películas de a-Si:H

intrínsecas, así como la formación de un campo posterior con el uso de una

película de a-Si:H tipo n. Así mismo se mejoró el comportamiento de las celdas

al texturizar selectivamente la cara superior (sin texturizar las partes en donde

van las líneas del contacto metálico), así como evitar el texturizado en la parte

posterior.

Se estudió el efecto que ejerce la limpieza y pasivación húmeda en la mejora

de los parámetros eléctricos, principalmente el aumento del voltaje de circuito

abierto (Voc). Se encontró que sólo con desengrasado a base de

Tricloroetileno (TCE) y acetona seguida de una pasivación húmeda a base de

oxidación con ácido nítrico y grabado con HF al 0.55%, se incrementa el Voc

de 0.48V a 0.54V.

Los objetivos planteados para este trabajo fueron cumplidos, en el sentido que:

Se logró la fabricación de celdas solares de heterounión HIT a base de silicio

cristalino (c-Si) tipo n y silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) dopado tipo p. con

eficiencias relativamente altas de hasta 10.5%, altas corrientes de 45.19 mA

58

valores no reportados en alguna referencia para este tipo de celda solar HIT,

además este trabajo es el primero en reportar la fabricación de estas celdas

en México. Adicionalmente la metodología aquí desarrollada es compatible

con la fabricación de celdas solares de área grande (4” y 2”).

59

Trabajo a futuro.

Con base en los resultados entregados en este trabajo, se propone un

estudio con diferentes espesores de la película de silicio amorfo hidrogenado

intrínseco, conservando las condiciones de depósito (espesores) de las demás

películas y así mejorar el bajo voltaje de circuito abierto. Además de hacer una

fuerte investigación en mejorar la resistencia serie y paralela, ya que a lo largo

de este trabajo éstas mostraron muy malos resultados con un bajo factor de

llenado. Otro punto importante es estudiar la adherencia de los contactos

metálicos de plata para así mejorar la resistencia serie. Finalmente, a la par

de mejorar la eficiencia de la celda solar, queda trabajar en las celdas de 2” y

4” descritas en el apéndice A y encaminarlas a mejores resultados pensando

en la producción de paneles solares.

60

A. Apéndice A

Fabricación de celdas solares HIT en sustratos

de área circular con diámetro de 2 y 4 pulgadas.

A lo largo de este trabajo se estudiaron celdas solares HIT fabricadas en

sustratos con área de 1cm² y adicionalmente se propone una estructura para

fabricar celdas solares en sustratos con área circular de diámetro de 2 y 4

pulgadas, este apéndice es dedicado a hablar sobre la fabricación de estas

celdas solares HIT.

1. Diseño de las mascarillas

La diferencia entre fabricar una celda solar HIT de 1cm² y una celda

solar HIT de 2 o 4 pulgadas es la mascarilla usada en litografía para el depósito

del contacto metálico superior, estas fueron diseñadas y fabricadas a la par

con este trabajo y otro trabajo [29]. La mascarilla para sustratos circulares con

diámetro de 2 pulgadas de área total de la celda solar llamada 𝑨𝒄𝒆𝒍𝒍𝟐" =

𝟏𝟓. 𝟒𝟕𝟗𝟗𝟐(𝒄𝒎²). En esta área se diseñó una combinación de buses y dedos

característicos del contacto superior de una celda solar este diseño se muestra

en la figura A.3 y se explica en el apéndice B donde se observa en línea

punteada negra el área circular del sustrato con diametro de 2 pulgadas y

dentro de él, en rojo, la mascarilla diseñada con dos buses de longitud de

4.324cm y ancho de 0.2cm, 20 dedos en la zona central de los buses con

longitud de 1.96cm y ancho de 0.022cm y distancia entre dedos de 0.2cm. El

área cubierta por el contacto sobre la superficie superior del sustrato es de

3.45cm² que en comparación con el área total de la celda solar este contacto

ocupa el 22% del área total de la celda.

61

La mascarilla de 4 pulgadas se diseñó y fabrico de la misma manera, esta es

mostrada en la figura A.4 y explicada en el apéndice B, en donde se observan:

4 buses de longitud 9.0168 cm y ancho de 0.26cm, 29 dedos entre buses de

Figura A.1 Diseño Mascarilla para contacto superior en sustratos circulares con diametro de 2 pulgadas.

Figura A.2 Diseño Mascarilla para contacto superior en sustratos circulares con diámetro de 4 pulgadas.

Buses

Dedos

Buses

Dedos

62

longitud de 2cm y ancho de 0.04cm y distancia entre dedos de 0.27cm. El área

total de la celda solar con forma de octágono tiene un área total de 𝑨𝒄𝒆𝒍𝒍𝟒" =

𝟔𝟕. 𝟑𝟓𝟔𝟗𝟗(𝒄𝒎²), el área cubierta por el contacto sobre la superficie superior

del sustrato es de 18.64cm² que en comparación con el área total de la celda

solar este contacto ocupa el 27% del área total de la celda.

2. Proceso de fabricación, resultados y análisis de celdas

solares HIT en sustratos de área circular con diámetro de 2 y 4

pulgadas.

El objetivo en este proceso de fabricación de celdas solares HIT en área

grande fue dejar un precedente de la posibilidad que hay de fabricar celdas de

área grande en el laboratorio de microelectrónica del INAOE y mostrar los

primeros resultados de Isc, Voc, F.F, ƞ y las curvas características de corriente

vs voltaje. Para este proceso se usaron 2 sustratos de silicio cristalino CZ tipo

N (marca Addison) 300 ± 25 µm, dopada con fósforo, <100>, 3-10 Ω-.cm, 2” y

un sustratos de silicio FZ 4”, tipo “n” (marca Topsil) 260-300 µm, <100> y

resistividad de 1-5 Ω- cm, se desengrasaron para ser texturizados por vía

húmeda con hidróxido de sodio / alcohol isopropílico / agua deionizada

(KOH/IPA/Di) [16] protegiendo selectivamente los contactos superior e inferior

para no ser texturizados. Posteriormente se les hizo la limpieza 2 (HNO₃ +

HF(0.55%) + DI) descrita en el proceso No.5, las estructuras de las celdas

solares son mostradas en la figura A.5. Las condiciones de depósito de las

películas de silicio amorfo hidrogenado ((a-Si:H) intrínseco, dopada tipo p y

dopada tipo n) se muestran en la tabla A.1, las condiciones de depósito de las

películas de ITO en la tabla A. 2 y para el sustrato de 4 pulgadas fue necesario

el depósito de AZO (óxido de zinc dopado con aluminio) como película de óxido

trasparente conductor (TCO) en reemplazo de las películas de ITO, sus

condiciones de depósito se muestran en la tabla A.3 tomadas de [30].

63

(a) (b)

Figura A.3 Estructura celda solar HIT completa en sustratos de área circulas con: (a) Diámetro de 2 pulgadas y (b) Diámetro de 4 pulgadas.

Tabla A.1 Condiciones de depósito películas, (a) intrínseca ((i) a-Si:H), (b) dopada tipo p ((p) a-Si:H), y (c) dopada tipo n ((n) a-Si:H) [27].



Potencia (W)

Tiempo (s)

Espesor (nm)

Temp.⁰C

Sccm

PL4 (i) a-Si:H 10 0.55 (4) real 3 100 6 (265) real 160

(a)


SiH₄ al

10% H₂

B₂H₆ al 1%


Potencia (W)

Tiempo (s)

Espesor (nm)

Temp.⁰C

Sccm

PL2 (p) a-Si:H 30 0.3 0.69 (4) real 3 120 6 (265) real 160

(b)


SiH₄ al

10% H₂ PH₃ Presión

(mTorr) Potencia

(W) Tiempo

(s) Espesor

(nm) Temp.⁰C

Sccm

PL7 (n) a-Si:H 30 0.3 0.69 (4) real 3 230 6 (265) real 160

(c)

Tabla A.2 Condiciones de depósito de las películas de ITO. (a) 80nm parte superior y (b) 50nm parte posterior [22].


Potencia (W)

Temperatura

cámara (⁰C)


Espesor (nm) Ar

RF 6 150 175 9 16 80

(a)


Potencia (W)



Espesor (nm) Ar

RF 6 150 175 9 10 50

(b)

64

Tabla A.3 Condiciones depósito de AZO Celdas de área grande (4”) [30].

Cámara Presión (mTorr)

Potencia (W)

Temperatura

Cámara (⁰C)

Flujo (sccm)

Tiempo (s)

Espesor (nm)

Ar

PL3 2 100 150 12

988 80

Superior

618 50

Posterior

Resultados del proceso

Se midieron las curvas corriente vs voltaje bajo radiación AM 1.5 de potencia

100mW/cm² en las muestras, las celdas fabricadas se muestran en la

figura A.6. Los resultados de Isc, Voc, F.F y ƞ son mostrados en la tabla A.4 y

las curvas corriente vs voltaje en la figura A.7 (a) correspondiente a sustratos

con áreas de 2 pulgadas y figura A.7 (b) sustrato con áreas de 4 pulgadas.

(a) (b)

(c)

Figura A.4 Fotografía Celdas solares HIT fabricadas: (a) celdas de área de 2 pulgadas con 20 dedos entre los buses, (b) celdas de área de 2 pulgadas

con 13 dedos entre los buses y (a) celdas de área de 4 pulgadas.

65

Tabla A.4 Resultados obtenidos en simulador solar para celdas áreas de: (a) 15.48cm² (sustrato de 2”) y (b) 67.357 cm² (sustrato de 4”),

Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%)

13 dedos 0.48 331.1 21.6 2.22

20 dedos 0.50 306.6 22.1 2.34

(a)

Voc (V) Isc (mA) F.F. (%) Ƞ(%)

Celda 1 0.48 600.5 22.7 0.97

(b)

-350.0m

-300.0m

-250.0m

-200.0m

-150.0m

-100.0m

-50.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Celda20dedos

Celda13dedos

(a)

-600.0m

-500.0m

-400.0m

-300.0m

-200.0m

-100.0m

0.00.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

Celda1.

(b)

Figura A.5 curvas corriente vs voltaje celdas solares HIT completa (a) Superficies texturizadas y (b) Contacto de superficies planas.

66

En este proceso se observó que el Voc de las celdas solares de área grande

(2” y 4”) mantienen los valores de 0.5V y 0.48V, cercano al Voc de 0.52V

correspondiente al mejor valor para celdas solares de 1cm².

En áreas de 15.48cm² (sustrato de 2”) la mejor corriente de cortocircuito es de

331.1 mA y su mayor eficiencia fue del 2.39%. En áreas de 67.357 cm²

(sustrato de 4”) la corriente de cortocircuito es de 600.5mA y una eficiencia del

0.97%. Donde la baja eficiencia se debe al bajo factor de llenado (22.1% y

22.7%) debido al espesor depositado en el contacto superior ya que no supera

los 900 nanómetros, lo que resulta delgado comparado con lo minimo

necesario de al menos 5000 nanómetros.

67

B. Apéndice B

Diseño de Mascarillas para fabricación de

celdas solares HIT en sustratos de área circular

con diámetro de 2 y 4 pulgadas.

En este apéndice se explicaran los cálculos utilizados para el diseño de las

mascarillas usadas en la fabricación de celdas solares en obleas de 2 y 4

pulgadas.

1. Diseño Contactos Metálicos para celdas solares de 2 y 4

pulgadas.

1.1. Área útil de la celda solar de 2”

El Aluminio es depositado por evaporación E-beam, donde las obleas se

colocan en un carrusel y la cara expuesta está sujeta del borde, reduciendo el

área de depósito. Este borde se muestra en la figura B.1, sombreado y tiene

un ancho de 2.071mm.

Figura B.1 Área útil de la Oblea después de ser depositado el aluminio.

68

El área útil es determinada por el radio útil (𝑟ú𝑡𝑖𝑙):

𝒓ú𝒕𝒊𝒍 = 𝒓𝟐" + 𝟎. 𝟐𝟎𝟕𝟏(𝒄𝒎) = 𝟐. 𝟓𝟒(𝒄𝒎) − 𝟎. 𝟐𝟎𝟕(𝒄𝒎) = 𝟐. 𝟑𝟑𝟗(𝒄𝒎) (B.1)

Para un área útil total de:

Pensando en el diseño y en un posterior corte lineal, se plantea una figura

geométrica de 8 lados iguales la cual abarque la mayor área posible del área

útil. Para esto se define el área máxima que puede abarcar primero un

rectángulo en su interior como muestra la Figura B.2.

Área a optimizar del rectángulo

𝐴 = 𝑋. 𝑌 (B.3)

La ecuación que relaciona la circunferencia con el rectángulo

(2. 𝑟ú𝑡𝑖𝑙)2 = 𝑋2 + 𝑌2 (B.4)

Despejando “Y”:

𝑌 = √(2. 𝑟ú𝑡𝑖𝑙)2 − 𝑋² (B.5)

Reemplazando la ecuación (B.5) en la ecuación (B.3) se obtiene:

𝐴 = √4. 𝑟ú𝑡𝑖𝑙2 . 𝑋2 − 𝑋⁴ (B.6)

𝐴ú𝑡𝑖𝑙 = 𝜋. 𝑟ú𝑡𝑖𝑙2 → 𝑨ú𝒕𝒊𝒍 = 𝟏𝟕. 𝟐𝟎𝟏(𝒄𝒎²) (B.2)

Figura B.2 Área Máxima ocupada por un rectángulo dentro de la circunferencia de radio útil.

Y

X

69

Derivando (B.6) con respecto a “X”:

𝑑𝐴

𝑑𝑥=

4. 𝑟ú𝑡𝑖𝑙2 . 𝑋 − 2. 𝑋⁴

√4. 𝑟ú𝑡𝑖𝑙2 − 𝑋⁴

(B.7)

Se calcula “X” igualando (B.7) a cero:

𝑋 = √2. 𝑟ú𝑡𝑖𝑙 (B.8)

Reemplazando (B.8) en (B.5):

𝑌 = √2. 𝑟ú𝑡𝑖𝑙 (B.9)

Se obtiene el área máxima ocupada dentro de la circunferencia es la trazada

por un cuadrado de lado √2. 𝑟ú𝑡𝑖𝑙. Para abarcar mayor área y para crear un

octágono con todos sus lados iguales de longitud (L), se usaran dos cuadros

iguales girando uno del otro 45⁰ y uniendo sus puntas (figura B.3). Luego se

calculan todas las variables propuestas en la figura B.3. Para una oblea de 2

pulgadas dentro del área de radio útil.

Por ley de Cosenos se encuentra el valor de la longitud “L”

𝐿2 = 𝑟ú𝑡𝑖𝑙2 + 𝑟ú𝑡𝑖𝑙

2 − 2. 𝑟ú𝑡𝑖𝑙 . 𝑟ú𝑡𝑖𝑙. cos(450) = 𝑟ú𝑡𝑖𝑙 . √2 − 2. 𝑐𝑜𝑠(45⁰)

𝐿 = 1.79(𝑐𝑚)

Figura B.3 Diseño y Área Máxima ocupada por un octágono dentro de la circunferencia de radio útil.

L X X

45⁰

ℎ

70

Por Pitágoras se encuentra el valor de “h”

ℎ = √𝑟ú𝑡𝑖𝑙2 − (

𝐿

2)

2

ℎ = 2.162(𝑐𝑚)

Dos veces la longitud de “ℎ” es la longitud del bus “𝐿𝑏”, a utilizar para el diseño

del contacto superior.

𝐿𝑏 = 2. ℎ = 4.324(𝑐𝑚)

El área total a utilizar de la celda solar en oblea de dos pulgadas es:

𝐴𝑐𝑒𝑙𝑙 = 8.𝐿. ℎ

2

𝐴𝑐𝑒𝑙𝑙 = 15.47992(𝑐𝑚²)

Siendo ésta el área final total usada de la celda solar, la cual representa el

90% en la región del área con radio útil y en oblea de dos pulgadas. Para

analizar el contacto superior se va a suponer un área cuadrada dibujada por

el recuadro negro en la Figura B.3. De lado “𝐿𝑏" ó 𝐿 + 2𝑋.

1.2. Diseño actual celda solar de 1(cm²) en el INAOE.

La fabricación actual de las celdas solares en el INAOE, a base de silicio

cristalino tipo p y con emisor difundido dopado tipo n en área de 1cm², manejan

un contacto superior formado por un bus y 10 dedos como muestra la

figura B.4, Los mejores datos obtenidos con este tipo de mascarilla hasta el

momento son mostrados en la tabla B.1 y serán utilizados como referencia

para la fabricación de las nuevas mascarillas para obleas de 2” y 4”.

71

Tabla B.1 Datos actuales obtenidos en el INAOE con mascarilla de 1cm².

Datos

Potencia de entrada (𝑷𝒊𝒏) 0.1(𝑊 𝑐𝑚²⁄ )

Área de la celda (𝑨𝒄𝒆𝒍𝒍) 1(𝑐𝑚²)

Voltaje en corto circuito (𝑽𝒐𝒄) 0.56(𝑉)

Corriente en corto circuito (𝑰𝒔𝒄) 39.7(𝑚𝐴)

Potencia máxima (𝑷𝒎á𝒙) 15.6(𝑚𝑊)

Densidad de corriente (𝑱𝒔𝒄) 39.7(𝑚𝐴 𝑐𝑚²⁄ )

Factor de llenado (𝑭𝑭) 0.677

Eficiencia (ƞ) 15.06

1.3. Pérdidas en el contacto superior.

En el contacto superior hay varias pérdidas, sin embargo para el diseño

solo se tomaron en cuenta 4 pérdidas:

1) Pérdidas ópticas (𝐿𝑜𝑠𝑠𝑜𝑝𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙). La cual está determinada por el área

cubierta por los contactos metálicos, respecto al área total.

Figura B.4 Contacto superior. (Diseño actual en el INAOE).

72

2) Pérdidas resistivas debido al flujo de corriente lateral en la capa del

emisor n+. (𝐿𝑜𝑠𝑠𝑛)

3) Pérdidas resistivas en los dedos. (𝐿𝑜𝑠𝑠𝑓𝑖𝑛𝑔𝑒𝑟𝑠)

4) Perdidas resistivas en las barras colectoras o buses. (𝐿𝑜𝑠𝑠𝑏𝑢𝑠𝑠𝑏𝑎𝑟)

𝑳𝒐𝒔𝒔𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 = 𝑳𝒐𝒔𝒔𝒐𝒑𝒕𝒊𝒄𝒂𝒍 + 𝑳𝒐𝒔𝒔𝒏 + 𝑳𝒐𝒔𝒔𝒇𝒊𝒏𝒈𝒆𝒓𝒔 + 𝑳𝒐𝒔𝒔𝒃𝒖𝒔𝒔𝒃𝒂𝒓 (B.10)

La adición de dedos y buses causa mayor pérdida óptica, sin embargo menos

dedos y buses conlleva a mayores pérdidas resistivas en la capa n+. También

se asume que la densidad de corriente dada de 39.7(𝑚𝐴 𝑐𝑚²⁄ ), es uniforme

en toda la superficie de la oblea, y que esta a su vez, viajara la menor distancia

hacia los dedos, como lo indica la Figura No.5.

La potencia máxima suministrada por las celdas actuales en el INAOE es:

𝑃𝑚á𝑥 = 𝐹𝐹. 𝑉𝑜𝑐. 𝐽𝑠𝑐 . 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑙

𝑃𝑚á𝑥 = (0.677497)(0.560071[𝑉])(39.7[𝑚𝐴])(1[𝑐𝑚²]) = 15.06[𝑚𝑊]

Por lo tanto la potencia máxima que se tiene en el área a estudiar, la encerrada

por los dedos y el bus Figura B.5 seria:

𝑃𝑚á𝑥 = (0.677497)(0.560071[𝑉])(39.7[𝑚𝐴])(𝐿𝑏2 [𝑐𝑚²]) = 281.65[𝑚𝑊]

Si se tiene solamente un bus, toda la corriente circula por éste bus, teniendo

en cuenta esta corriente, las dimensiones del bus serian:

Figura B.5 Dirección asumida por la corriente colectada.

𝑆 2⁄

𝑆 2⁄

𝑆 2⁄

𝑆 2⁄

Dedo

Dedo

Bu

s

73

𝑃𝑚á𝑥 = 281.65[𝑚𝑊] = 𝐼𝑚á𝑥2 𝑅 = 𝐼𝑚á𝑥

2 .𝜌𝐴𝑙 . 𝐿𝑏

𝑡𝐴𝑙. 𝑊𝑏 (B.11)

Donde:

𝜌𝐴𝑙 → Es la resistividad del aluminio. (Ω. 𝑐𝑚)

𝑡𝐴𝑙 → Es el espesor del aluminio. (𝑐𝑚)

𝑊𝑏 → Es el ancho del bus que se va a encontrar. (𝑐𝑚)

El espesor máximo de aluminio depositado en un ciclo de evaporación está

entre 1(𝜇𝑚) ≥ 𝑡𝐴𝑙 ≥ 0.7(𝜇𝑚), para cálculos se asume 𝑡𝐴𝑙 = 0.7(𝜇𝑚). El ancho

del bus se calcula despejando 𝑊𝑏 de la ecuación (B.11):

𝑊𝑏 =𝜌𝐴𝑙 . 𝐿𝑏

𝑡𝐴𝑙 . 𝑃𝑚á𝑥. 𝐼𝑚á𝑥

2 =𝜌𝐴𝑙 . 𝐿𝑏

𝑡𝐴𝑙 . 𝑃𝑚á𝑥. (𝐽𝑠𝑐. 𝐿𝑏

2 )2 = 𝜌𝐴𝑙 . 𝐿𝑏

5 . 𝐽𝑠𝑐2

𝑡𝐴𝑙 . 𝑃𝑚á𝑥

𝑊𝑏 =(2.732987155𝑥10−6)(4.324)5(39.7𝑥10−3)2

(0.7𝑥10−4)(0.2816516758)= 3.30245304[𝑚𝑚]

La resistencia del bus viene determinada por la relación 𝑅𝑏=(𝑅)𝐿𝑏

𝑊𝑏= (4)

𝐿𝑏

𝑊𝑏

que en la celda de 1(𝑐𝑚2) tiene un valor de 𝑅𝑏 = 131.14(Ω), mientras que en

el nuevo bus da como resultado 𝑅𝑏 = 52.37(Ω). Se propone usar dos buses

en los extremos, dividiendo el área en dos partes iguales tal y como muestra

la Figura B.6, de esta manera se despejó el área central de la oblea. El ancho

de estos buses es igual a 𝑊𝑏 calculado anteriormente, para dos buses seria

𝑊𝑏 2⁄ = 1.65122652𝑚𝑚. Estimando que en trabajos a futuro se logre disminuir

las pérdidas por recombinación, aumentar la longitud de recombinación

pasivando las uniones metal semiconductor y aumentando la densidad de

corriente. Se aproxima 𝑊𝑏 2⁄ a un ancho de un bus de 𝑊𝑏1 = 2(𝑚𝑚), con el

que se trabajó este diseño. En este ancho de bus se circula una densidad de

corriente en corto circuito deseada igual a:

𝐽𝑠𝑐 =(0.4)(0.7𝑥10−4)(0.677497)(0.560071)

(2.732987155𝑥10−6)(4.324)3= 48.08546801 (𝑚𝐴

𝑐𝑚2⁄ )

La potencia máxima que manejaría la celda seria:

𝑃𝑚á𝑥 = (6.677497)(0.560071)(48.08546 𝑥10−3)(4.324)2 = 341.1423841[𝑚𝑊]

74

La potencia de entrada es:

𝑃𝑖𝑛 = (0.1(𝑊 𝑐𝑚2⁄ ))(4.324(𝑐𝑚2)) = 1.869676(𝑊)

La eficiencia esperada es:

𝜂 = 𝑃𝑚á𝑥

𝑃𝑖𝑛𝑥100% = 18.245%

Se puede observar que la longitud de los dedos se puede calcular con la

siguiente ecuación:

𝐿𝑏 =2.𝑊𝑏 + 4. 𝐿𝑓

Despejando 𝐿𝑓:

𝐿𝑓 =𝐿𝑏

4−

2. 𝑊𝑏

4=

4.324(𝑐𝑚)

4−

2(0.2(𝑐𝑚))

4= 0.981(𝑐𝑚)

El siguiente paso es determinar el número de dedos (𝑁𝑓) y el ancho de los

dedos (𝑊𝑓). Tentativamente se tiene que la suma total del área de los dedos

debe ser igual al área del bus para recolectar la misma corriente, pero hay que

tener en cuenta la distancia optima entre los dedos “S”, ya que esta distancia

deja pasar la luz fotovoltaica y también determina las perdidas por emisor que

son debidas al flujo de corriente lateral en la capa del emisor tipo n. Como se

observa en la figura B.5. Este flujo de corriente se asumió que va de la mitad

de “S” hacia cada dedo respectivamente, por lo que se tiene que la potencia

Figura B.6 Ubicación de los buses y cálculo de 𝐿𝑓.

75

en esta área está determinada por la pérdida a lo largo de la mitad de la

distancia entre los dedos.

Las pérdidas ópticas se pueden determinar ya que el área mínima requerida

por el bus es la misma área requerida por la distribución de los dedos.

𝐿𝑜𝑠𝑠𝑜𝑝𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 =𝐿𝑏 . 𝑁𝑏 . 𝑊𝑏 + 𝑁𝑓 . 𝑊𝑓 . 𝐿𝑓

𝐴𝑐𝑒𝑙𝑙

Como 𝐿𝑏 . 𝑁𝑏 . 𝑊𝑏 = 𝑁𝑓 . 𝑊𝑓 . 𝐿𝑓 entonces:

𝐿𝑜𝑠𝑠𝑜𝑝𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 =2. 𝐿𝑏 . 𝑁𝑏 . 𝑊𝑏

𝐴𝑐𝑒𝑙𝑙=

2(2)(0.2)(4.324)

4.3242𝑥100 = 18.5%

Para las pérdidas por emisor se observa la densidad de corriente que recolecta

uno de los dedos de la figura B.5. Donde la potencia se determina como:

𝑃𝑛 = 𝐼𝑚á𝑥2 . 𝑅𝑛 y, 𝑡𝑛 es la profundidad de unión 𝑋𝑗 = 0.7(𝜇𝑚), entonces:

𝐼 = 𝐽. 𝐿𝑓 . (𝑆

2+

𝑆

2) = 𝐽. 𝐿𝑓 . 𝑆 (B.12)

𝑅𝑛 =𝜌𝑛

𝑡𝑛. 𝐿𝑓. 𝑆 (B.13)

𝑑𝑅𝑛 =𝜌𝑛

𝑡𝑛. 𝐿𝑓. 𝑑𝑆

Derivando 𝑃𝑛 a ambos lados de la igualdad queda:

𝑑𝑃𝑛 = 𝐼𝑚á𝑥2 . 𝑑𝑅𝑛 = (𝐽. 𝐿𝑓 . 𝑆)

2.

𝜌𝑛

𝑡𝑛. 𝐿𝑓. 𝑑𝑆

Integrando a ambos lados de la ecuación:

𝑃𝑛 = ∫ 𝐽2. 𝐿𝑓

2 . 𝜌𝑛

𝑡𝑛. 𝐿𝑓. 𝑆2. 𝑑𝑆

𝑆2⁄

0

𝑃𝑛 = 𝐽2. 𝐿𝑓². 𝜌𝑛

𝑡𝑛. 𝐿𝑓.𝑆³

3|0

𝑆 2⁄=

𝐽2. 𝐿𝑓². 𝜌𝑛

3. 𝑡𝑛. 𝐿𝑓. (

𝑆

2)

3

= 𝐽2. 𝐿𝑓

2 . 𝜌𝑛. 𝑆³

24. 𝑡𝑛. 𝐿𝑓

𝑃𝑛 = 𝐽2. 𝐿𝑓 . 𝜌𝑛. 𝑆³

24. 𝑡𝑛 (B.14)

Acomodando de la forma 𝑃𝑛 = 𝐼𝑚á𝑥2 . 𝑅𝑛 la ecuación (B.14) queda:

76

𝑃𝑛 = (𝐽2. (𝑆

2)

2

𝐿𝑓2) (

𝜌𝑛. 𝑆

6. 𝑡𝑛. 𝐿𝑓)

Se obtiene que las perdidas resistivas en el emisor son directamente

proporcional a la distancia entre los dedos “S”.

𝑅𝑛 =𝜌𝑛. 𝑆

6. 𝑡𝑛. 𝐿𝑓

Los valores obtenidos en el laboratorio dan como resultado la 𝑅 =𝜌𝑛

𝑡𝑛 con

valores entre 3 ≤𝜌𝑛

𝑡𝑛≤ 4. Por lo que:

𝑅𝑛 = 0.66𝑆

𝐿𝑓

Si 𝐿𝑓 = 0.981(𝑐𝑚) entonces:

𝑹𝒏 = 0.6795786612. 𝑺

Por lo que “S” puede variar de 0 a 1(cm) y su perdida resistiva no superara el

valor de 0.6795786612(Ω) por dedo o más general se puede asumir a 𝑆 ≤ 𝐿𝑓.

Continuando con el diseño de la Figura B.6. Donde ahora se diseña la

distribución de los dedos. Para esto por homogeneidad entre las mitades de la

celda solo se analizara una mitad como lo muestra la Figura B.7.

.

Figura B.7 Diseño para determinar la distribución de dedos.

77

Para calcular y definir el ancho y número de dedos se buscó una ecuación que

define la relación entre ellos. La ecuación (B.15) sale observando la Figura

No.7.

𝐿𝑏 = (𝑆 + 𝑊𝑓) (𝑁𝑓

2) (B.151)

Recordando que 𝐿𝑏 . 𝑁𝑏 . 𝑊𝑏 = 𝑁𝑓 . 𝑊𝑓 . 𝐿𝑓 entonces. Se proponen dos diseños

uno Suponiendo el ancho de los dedos (𝑊𝑓), calculando espacio entre dedos

(𝑆) y número de dedos (𝑁𝐹).

El segundo suponiendo el número de dedos (𝑁𝑓), calculando espacio entre

dedos (𝑆) y ancho de dedos (𝑊𝐹).

1.4. Diseños Propuestos del contacto superior para obleas de 2”.

En el Primer diseño se propone un ancho de los dedos de 𝑊𝑓 = 220(𝜇𝑚) con

este valor se calcula 𝑁𝑓 y 𝑆, con la ecuación (B.15) y 𝐿𝑏 . 𝑁𝑏 . 𝑊𝑏 = 𝑁𝑓 . 𝑊𝑓 . 𝐿𝑓.

𝑁𝑓 =𝐿𝑏 . 𝑁𝑏 . 𝑊𝑏

𝑊𝑓 . 𝐿𝑓=

(4.354(𝑐𝑚))(0.2(𝑐𝑚))

(0.022(𝑐𝑚))(0.981(𝑐𝑚))= 40.3484(𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠)

Aproximando 𝑁𝑓 = 40(𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠) por ambos lados de cada bus.

𝑆 = 2.𝐿𝑏

𝑁𝑓− 𝑊𝑓 = 2.

4.354(𝑐𝑚)

40− 0.022(𝑐𝑚) = 0.1957(𝑐𝑚)

Con todos los datos obtenidos el primer diseño se elaboró la mascarilla con el

programa L-EDIT de Tanner quedando como lo muestra la Figura B.8.

78

En el Segundo diseño se propone un número de dedos de 𝑁𝑓 = 28(𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠) por

ambos lados. Con este valor se calcula 𝑊𝑓 y 𝑆, con la ecuación (B.15) y

𝐿𝑏 . 𝑁𝑏 . 𝑊𝑏 = 𝑁𝑓 . 𝑊𝑓 . 𝐿𝑓.

𝑊𝑓 =𝐿𝑏 . 𝑁𝑏 . 𝑊𝑏

𝑁𝑓 . 𝐿𝑓=

(4.354(𝑐𝑚))(0.2(𝑐𝑚))

(28)(0.981(𝑐𝑚))= 317.0234(𝜇𝑚)

Aproximando 𝑊𝑓 = 317(𝜇𝑚).

𝑆 = 2.𝐿𝑏

𝑁𝑓− 𝑊𝑓 = 2.

4.354(𝑐𝑚)

28− 0.0317(𝑐𝑚) = 0.2793(𝑐𝑚)

Con todos los datos obtenidos el diseño 2 se elaboró en el programa L-EDIT

de Tanner y quedó como lo muestra la Figura B.9.

Figura B.8 Primer diseño oblea de 2” con dos buses y 40 dedos por bus. El círculo azul es el área útil de la oblea y el círculo punteado negro es la

oblea de 2”.

79

1.5. Diseños Propuestos del contacto superior para obleas de 4”.

Para este diseño se siguieron los mismos pasos propuestos y las mismas

ecuaciones para el análisis de la oblea de 2” solo se cambió su área de trabajo.

El radio útil es:

𝑟ú𝑡𝑖𝑙 = 5.08(𝑐𝑚) − 0.2(𝑐𝑚) = 4,88(𝑐𝑚)

𝐿 = 𝑟ú𝑡𝑖𝑙√2 − 2𝑐𝑜𝑠45⁰ = 3.735(𝑐𝑚)

ℎ = √𝑟ú𝑡𝑖𝑙2 − (

𝐿

2)

2

= √4.882 − (3.735

2)

2

= 4.5084(𝑐𝑚)

𝐿𝑏 = 2ℎ = 9.0168(𝑐𝑚)

El área total de la celda es:

𝐴𝑐𝑒𝑙𝑙 = 8.𝐿. ℎ

2

𝐴𝑐𝑒𝑙𝑙 = 67.35699(𝑐𝑚²)

Lo cual es el 90% del área útil.

Figura B.9 Segundo Diseño oblea de 2” con dos buses y 28 dedos por bus. El círculo azul es el área útil de la oblea y el círculo punteado negro es

la oblea de 2”.

80

La potencia máxima que entrega esta celda es:

𝑃𝑚á𝑥 = (0.677497)(0.560071)(39.7𝑥10−3)(9.017)2 = 1.224799805(𝑊)

Para circular esta potencia y reducir las pérdidas ópticas se necesita mínimo

un espesor del aluminio 𝑡𝐴𝑙 ≥ 2(𝜇𝑚).

El ancho del bus (𝑊𝑏):

𝑊𝑏 =𝜌𝐴𝑙 . 𝐿𝑏

5 . 𝐽𝑠𝑐2

𝑡𝐴𝑙 . 𝑃𝑚á𝑥

𝑊𝑏 =(2.732987155𝑥10−6)(9.017)5(39.7𝑥10−3)2

(2𝑥10−4)(1.224799805)= 1.048175123[𝑐𝑚]

La resistencia del bus 𝑅𝑏 = 4𝐿𝑏

𝑊𝑏= 34.41(Ω)

Y pérdidas ópticas 𝐿𝑜𝑠𝑠𝑜𝑝𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 =2(9.0168(𝑐𝑚))(1.048175122(𝑐𝑚))

67.35699(𝑐𝑚²)𝑥100% = 28.063%

La eficiencia esperada:

𝜂 = 𝑃𝑚á𝑥

𝑃𝑖𝑛𝑥100% =

1.224799805

(0.1(𝑊 𝑐𝑚2⁄ ))(9.0168(𝑐𝑚2))𝑥100% = 15.0647%

El diseño que se propone lleva 4 buses, por lo que cada ancho de bus es de:

𝑊𝑏 =1.04(𝑐𝑚)

4= 0.26(𝑐𝑚)

La longitud de los dedos está relacionada por:

𝐿𝑏 = 4. 𝑊𝑏 + 8. 𝐿𝑓

Despejando 𝐿𝑓:

𝐿𝑓 =𝐿𝑏

8−

4. 𝑊𝑏

8=

9.0168(𝑐𝑚)

8−

4(0.26(𝑐𝑚))

8= 0.9971(𝑐𝑚)

Se propone un solo diseño con un número de dedos 𝑁𝑓 = 58(𝑑𝑒𝑑𝑜𝑠) por

ambos lados de cada bus.

𝑊𝑓 =𝐿𝑏 . 𝑁𝑏 . 𝑊𝑏

𝑁𝑓 . 𝐿𝑓=

(9.0168(𝑐𝑚))(0.26(𝑐𝑚))

(58)(0.9971(𝑐𝑚))= 405.377(𝜇𝑚)

Aproximando 𝑊𝑓 = 406(𝜇𝑚).

𝑆 = 2.𝐿𝑏

𝑁𝑓− 𝑊𝑓 = 2.

9.0168(𝑐𝑚)

58− 0.0406(𝑐𝑚) = 0.2703(𝑐𝑚)

81

Con todos los datos obtenidos el diseño de la oblea de 4” se elaboró en el

programa L-EDIT de Tanner y quedó como lo muestra la figura B.10.

Las referencias de este apéndice son [B1] y [B2]

Figura B.10 Diseño oblea de 4” con 4 buses y 58 dedos por bus.

82

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