Tratamientos superficiales antirreflectantes y elaboración de junturas para celdas solares de silicio cristalino

Abstract

Se analizaron los distintos tratamientos antirreflectantes (AR) para celdas solares de silicio monocristalino: las multicapas dieléctricas y la textura superficial. Se optimizaron numéricamente sistemas AR para superficies planas de silicio de una y dos capas dieléctricas considerando distintos espectros de la radiación solar incidente y diferentes características del dispositivo. En particular, se evaluó la influencia del dióxido de silicio pasivante sobre el comportamiento AR de la multicapa. Asimismo, se estudió el caso específico de celdas solares para usos espaciales.

Con respecto a la textura superficial, se realizó un análisis teórico original basado en la resolución electromagnética rigurosa de la dispersión de la radiación incidente, en lugar de los modelos de la óptica geométrica corrientemente utilizados en la literatura. Se realizaron cálculos para un medio conductor perfecto, los cuales constituyen una primera aproximación al problema real.

Se pusieron a punto técnicas de elaboración de textura superficial mediante ataques químicos básicos anisótropos, analizando los resultados obtenidos mediante observación por microscopía electrónica y medición de la reflectancia espectral.

Utilizando estas técnicas, se fabricaron por primera vez en el país celdas solares de silicio cristalino que utilizan textura superficial más una capa dieléctrica como técnica AR. El proceso completo incluye la preparación de muestras, el texturado superficial, la difusión de dopantes para la generación de las junturas, y el depósito de contactos por medio de técnicas fotolitográficas. Los dispositivos obtenidos fueron caracterizados midiendo la curva corrientetensión, la cual fue comparada con el resultado de simulaciones numéricas. Las mejores celdas elaboradas poseen eficiencias de aproximadamente el 17%. En el caso particular del proceso de elaboración de las junturas, el análisis de métodos sencillos presentes en la literatura reciente condujo a proponer nuevas variantes que permiten superar algunas de sus desventajas.

Finalmente, la caracterización electrónica de los dispositivos obtenidos se realizó utilizando un método original basado en la técnica OCVD (decaimiento de la tensión de circuito abierto), el cual permite mediante una interpretación sencilla de los resultados la obtención del tiempo de vida media efectivo de los portadores minoritarios en el dispositivo final.

Different antireflecting (AR) coatings for crystalline silicon solar cells were analyzed: dielectric multilayers and surface texture. One and two layers AR coatings for non textured silicon were optimized using numerical methods, considering several radiation spectra and devices with different electronic parameters. In particular, the influence of the passivating silicon dioxide on the characteristic of the AR coating was analyzed. Moreover, the specific case of solar cells for space applications has been also studied.

With respect to the surface texture, an original theoretical analysis based on the rigorous electromagnetic solution of the incident radiation scattering was performed, instead of the usual ray optics analysis used in the literature. The calculations performed correspond to a perfect conducting medium, so they constitute a first approach to the real problem.

Different texturization techniques based on anisotropic chemical etchings have been set up. The corresponding results were analyzed by means of electronic microscopy observations and spectral reflectance measurements.

Crystalline silicon solar cells with surface texture plus a dielectric AR layer were elaborated for the first time in Argentine. The complete elaboration process includes sample preparation, texturization, dopants diffusion to generate the junctions, and contacts deposition by means of photolithographic methods. The devices obtained were characterized by measuring the current-voltage curves and this experimental results were compared with numerical simulations. The best cells show efficiencies of approximately 17%. In the particular topic of the junctions elaboration process, the analysis of simple methods recently published leaded to propose new variants which allow to overcome some of its disadvantages.

Finally, the electronic characterization of the devices was performed using a novel method based on the OCVD (open circuit voltage decay) technique which allows to obtain, through a simple interpretation of the results, the effective lifetime of the minority carriers on the final device.