Abstracto
La caracterización avanzada juega un papel importante para seguir mejorando la rentabilidad ($/Wp) de las células solares. Este artículo presenta una visión general de las técnicas de caracterización avanzadas que se utilizan actualmente para el análisis decélulas solares de oblea de silicio, ya sea en el laboratorio o en las fábricas. Las técnicas cubiertas incluyen
imágenes de luminiscencia, espectroscopia de vida útil y mediciones ópticas y eléctricas. Presentamos un análisis de pérdidas detallado, completamente basado en parámetros medidos, que cuantifica los principales procesos de pérdida en células solares de oblea de silicio. Este análisis de pérdidas se basa completamente en mediciones de alta precisión y proporciona una cuantificación detallada (en
W/cm2) de las pérdidas de potencia de la célula solar debido al sombreado metálico frontal, la reflexión de la superficie frontal del área activa, el escape de la superficie frontal, la resistencia en serie y en derivación, la eficiencia cuántica interna del área activa no perfecta y la polarización directa. corriente en el punto de máxima potencia de un sol. También mostramos que una caracterización exhaustiva de la
Se pueden utilizar pasos de procesamiento individuales y un análisis detallado de pérdidas de las células solares finales para mejorar la eficiencia promedio y el rendimiento de las células solares de oblea de silicio industriales.
1. Introducción
Las células solares de tipo oblea de silicio dominan actualmente el mercado y su cuota de mercado está incluso aumentando. La inmensa mayoría de estas células solares se producen mediante una secuencia de fabricación que consta de los siguientes pasos:
i. Textura de la superficie, incluida la eliminación de daños por sierra
ii. Difusión de fósforo (ya sea en tubo o en línea)
III. Eliminación de vidrio de silicato de fósforo
IV. Deposición de nitruro de silicio
v. Serigrafía de contactos metálicos delanteros y traseros.
vi. Aislamiento de bordes
Para cada célula solar industrial, se medirá su eficiencia de conversión de energía solar. Sin embargo, se puede obtener una cantidad significativa de información a partir de las muestras de silicio antes y después de completar la célula solar de oblea de silicio. En este artículo se presentan algunos problemas típicos relacionados con el proceso que se pueden extraer de obleas de silicio parcialmente procesadas. Además, se presenta un análisis de pérdidas ascendente para una célula solar de oblea de silicio terminada que cuantifica los siete mecanismos de pérdida más importantes. Este método
puede servir como guía en la optimización de células solares de obleas de silicio.
2. Caracterización de obleas de silicio parcialmente procesadas.
2.1. Análisis de obleas crudas mediante imágenes de fotoluminiscencia.
Photoluminescence (PL) imaging has emerged in the last decade as a very versatile characterisation technique in the field of silicon wafer photovoltaics [1]. Of particular interest is that PL enables us to study partly processed silicon wafers in every step of the solar cell fabrication sequence. As an example, Fig. 1 shows PL intensity images taken on a high-quality and a low-quality multi-Si wafer (PL images taken with the LIS-R1 system from BT Imaging, Australia). The wafers were measured in their as-received state, i.e. no processing step was applied at SERIS. The high-quality wafer has a uniform appearance, apart from a lower intensity edge at the right which can be attributed to the block-casting process. The low-quality wafer has a clearly different appearance with a significant portion of the wafer appearing “dark”. It has been shown by Giesecke et al. that dark areas in raw wafers relate to areas with bulk minority carrier lifetimes of < 10 s [2]. Interestingly, the areas close to the grain boundaries are brighter in the PL image of the low-quality multi-Si wafer. This can be explained by the internal gettering of impurities by the grain boundaries, resulting in higher effective lifetimes in the proximity of grain boundaries in multi-Si with a high impurity content. This multi-Si wafer was clearly cut from either the top or bottom of the ingot. This result clearly shows that PL has the potential to assess the quality of as-received wafers before any processing. This information can be used for incoming quality control or to “bin” the incoming wafers into quality groups and to tailor especially the thermal processing in order to get the optimal cell efficiency for each quality group, instead of processing all wafers in the same way.
2.2. Eliminación de daños por sierra y texturizado.
Las obleas de silicio tal como se reciben contienen una capa defectuosa en cada superficie (delantera y trasera), como resultado del proceso de aserrado. La vida útil del portador minoritario en esta capa dañada por el aserrado es relativamente baja debido a las impurezas químicas y las imperfecciones de los cristales resultantes del proceso de aserrado. Esta capa defectuosa se elimina mediante procesamiento químico, normalmente en el mismo paso que se utiliza para texturizar las superficies deloblea de silicio. Es de vital importancia que la capa defectuosa se elimine por completo en este paso químico.
Sin embargo, el espesor de la capa defectuosa varía entre los proveedores de obleas, por lo que se requiere una secuencia de caracterización para garantizar que la capa defectuosa se elimine por completo. En la Fig. 2 (a), se muestra un flujo de proceso que permite la extracción del tiempo mínimo requerido de grabado por daño de sierra (SDE) para un tipo de oblea de silicio en particular. Se preparan estructuras de por vida pasivadas simétricamente a partir de obleas de Si que han recibido varios tiempos de SDE (KOH a 80oC). Posteriormente, la vida útil efectiva se determina, por ejemplo, mediante la caída de la fotoconductancia en estado casi estacionario (WCT-120, Sinton Consulting, EE. UU.) [3]). En la Fig. 2 (b) podemos ver que el tiempo mínimo de SDE es de 4 minutos para este tipo particular de oblea.
Fig. 2. (a) Flujo del proceso experimental utilizado para determinar el tiempo mínimo de grabado por daño de la sierra requerido para una oblea de silicio; (b) La vida útil efectiva del portador minoritario de la muestra de vida útil pasivada simétricamente aumenta significativamente al aumentar el tiempo de grabado del daño de la sierra. Para este tipo de oblea de Si, un tiempo mínimo de grabado del daño de la sierra es de 4
Se deben utilizar minutos.
2.3. Difusión de fósforo
La forma estándar para la formación de emisores es la difusión de fósforo, ya sea por difusión en línea o en tubos. Los principales parámetros de interés de la difusión de P son el valor absoluto de la resistencia laminar y su uniformidad lateral. En la Fig. 3 se muestra un mapa de resistencia de la lámina que se obtuvo tomando 49 mediciones individuales con una sonda de cuatro puntos (Crestbox, Napson, Japón) en una oblea mono-Si. Para esta oblea específica, la uniformidad es relativamente pobre, lo que puede provocar problemas de contacto en la metalización frontal de Ag. En este caso, las obleas mono-Si se cargaron espalda con espalda para minimizar la difusión de dopantes en la superficie posterior de la oblea. Sin embargo, la imagen de intensidad de PL muestra un borde de alta intensidad alrededor de la oblea que puede atribuirse a la difusión parásita de P en la parte posterior de la oblea. Por lo tanto, esta difusión parásita debe tenerse en cuenta en el resto de la secuencia de fabricación de la célula solar, ya que podría provocar una derivación de la célula o un mal contacto o pasivación en la parte trasera.
Fig. 3. (a) Distribución de la resistencia laminar medida de una oblea mono-Si pseudocuadrada n+ difusa tipo p de 156 mm de ancho con una resistencia laminar objetivo de 60 ohmios/cuadrado. Se observa una clara falta de uniformidad, lo que puede causar problemas en etapas posteriores de la fabricación de las células solares; (b) La imagen de intensidad PL de la misma oblea revela además importantes
irregularidades en la parte posterior de la oblea relacionadas con la carga no óptima de las obleas en el proceso de difusión del tubo.
2.4. Deposición de nitruro de silicio
El nitruro de silicio es actualmente el recubrimiento antirreflectante (ARC) de última generación para células solares de obleas de silicio, ya que la película reduce las pérdidas por reflexión y proporciona simultáneamente pasivación masiva y superficial. Es bien sabido que el mejor nivel de pasivación de la superficie no siempre coincide con las mejores propiedades ARC de la película; por lo tanto, ambas propiedades deben abordarse en paralelo. En la Fig. 4, las propiedades ARC y de pasivación de la superficie se representan en función del índice de refracción de la película de nitruro de silicio (SiNx). Las pérdidas por absorción y reflexión óptica se determinaron mediante una combinación de trazado de rayos y el método de matriz de transferencia, como se describe en detalle en la Ref. [4]. Se puede ver que es importante considerar las pérdidas por reflexión y absorción inducidas por la película de nitruro de silicio en obleas texturizadas de mono-Si. La transmisión de la película debe optimizarse, ya que esto limita la corriente obtenible de la célula solar.
Fig. 4. (a) Reflexión, absorción y transmisión promedio ponderadas en función del índice de refracción de la película de SiNx en obleas de mono-Si de textura alcalina. El espesor óptico de la película de SiNx se mantuvo constante en 150 y la reflexión, absorción y transmisión se modelaron utilizando trazado de rayos en combinación con el método de matriz de transferencia. Las pérdidas ópticas se ponderaron por el flujo de fotones del espectro AM1,5G; (b) Densidad de corriente de saturación del emisor medida por desintegración de fotoconductancia en obleas mono-Si texturizadas pasivadas con SiNx con una difusión de 70 ohmios/sq n+ en ambos lados, en función del índice de refracción de la película de SiNx.
Con respecto a la pasivación de la superficie, se puede ver que una variedad de películas de nitruro de silicio proporcionan un buen nivel de pasivación de la superficie en un emisor tipo n, pero se debe tener cuidado si la película es estable bajo una cocción industrial estándar. Combinando las propiedades ARC y de pasivación se puede seleccionar la mejor película de nitruro de silicio (en este caso, una película de nitruro de silicio con un índice de refracción de 2,0).
2.5. Serigrafía y cocción.
Los contactos metálicos delantero y trasero de una célula solar de oblea de Si típica se forman mediante serigrafía y posterior cocción conjunta de los contactos en un horno de cocción. El desafío es obtener una baja resistencia en serie en combinación con una baja recombinación de portadores de carga promediada espacialmente en la parte delantera y trasera de la célula solar. Además, se debe minimizar la fracción de metalización en la parte frontal de la célula solar. Los problemas de contacto graves se pueden detectar fácilmente monitoreando el factor de llenado y la resistencia en serie de la celda (consulte
Sección 3), sin embargo, algunos problemas del proceso requieren una caracterización resuelta espacialmente para ser detectados. En la Fig. 5 se muestran dos imágenes de intensidad de electroluminiscencia (EL) para células solares de oblea de Si con problemas de contacto en la parte delantera y trasera de la célula solar. El ancho de las líneas de la rejilla metálica frontal se reduce constantemente para reducir la fracción de metalización en la parte frontal de la célula solar. Sin embargo, esto puede provocar un aumento en la resistencia en serie causado por la conductancia de la línea o por dedos desconectados. De la Fig. 5 (a) puede
Se puede observar que las imágenes EL pueden detectar muy fácilmente los dedos rotos. Los problemas de contacto y/o pasivación del contacto posterior también se pueden detectar fácilmente en las imágenes EL, consulte la Fig. 5(b). En este caso específico se ve en la imagen una imagen especular de la cinta metálica del horno de cocción, por lo que la combustión no óptima da como resultado un mal contacto localizado en la parte posterior, reduciendo así el factor de llenado de la célula solar.
Fig. 5. (a) Imagen de intensidad EL de una célula solar de oblea mono-Si con dedos frontales de Ag rotos; (b) Imagen de intensidad EL de una célula solar de oblea mono-Si con un contacto trasero deficiente de Al.
3. Caracterización de células solares terminadas.
Para todas las células solares se mide la curva IV de un sol y se determina la eficiencia de conversión de energía. Sin embargo, para los investigadores de células solares es de vital importancia saber qué factores limitan la eficiencia de una célula solar determinada. Por esta razón, en SERIS se desarrolló un método novedoso que realiza un análisis de pérdida ascendente para células solares de oblea de Si y cuantifica los siete mecanismos de pérdida más importantes de una célula solar en el punto de máxima potencia (MPP) de 1 sol, asumiendo que la El voltaje MPP corregido por resistencia en serie (Vmpp) de la celda permanece constante [5]. Por lo tanto, este análisis no pretende cuantificar las pérdidas relativas al límite de eficiencia teórico (pero prácticamente inalcanzable) de las células solares. En cambio, se pretende utilizarlo de forma iterativa, determinando los mecanismos de pérdida dominantes en una célula solar particular, luego fabricando una versión mejorada de la célula solar, luego repitiendo el análisis de pérdidas, y así sucesivamente. El método de análisis de pérdidas se demuestra aquí en una célula solar de oblea mono-Si Cz tipo p con una eficiencia del 18,1%.
fabricado en SERIS. La celda tiene un emisor homogéneo de tipo n en la superficie frontal y una capa de campo de superficie posterior de aleación de área completa en la superficie posterior. Tanto el contacto delantero de Ag como el contacto trasero de Al fueron serigrafiados. Los mecanismos de pérdida investigados en el análisis de pérdidas de SERIS son:
Sombreado de rejilla metálica frontal
Reflectancia de la superficie frontal en el área activa;
Escape de la superficie frontal
Resistencia en serie
Resistencia de derivación
Eficiencia cuántica no perfecta
Recombinación de diodos
En primer lugar se determinan las propiedades eléctricas de la célula solar. En este trabajo se utilizó un probador IV de un sol (SolSim-210, Aescusoft, Alemania) con un simulador solar superclase A (WXS-220S-L2, Wacom, Japón). De la curva de luz JV (no se muestra aquí) se derivan los parámetros estándar de la célula solar: voltaje de circuito abierto Voc, densidad de corriente de cortocircuito Jsc, factor de llenado FF, eficiencia Eff, voltaje del punto de máxima potencia Vmpp y densidad de corriente del punto de máxima potencia Jmpp. Desde la curva JV oscura, la resistencia en derivación
se determina mediante un ajuste lineal en el rango de -50 mV a 50 mV. Al desplazar la curva JV de un sol en Jsc del cuarto al primer cuadrante (como se muestra en la Fig. 6) y suponiendo que la célula solar obedece al principio de superposición, la resistencia en serie en el punto de máxima potencia de un sol (Rs.light ) se determina a partir de la diferencia de voltaje entre la curva JV oscura y de un sol desplazada en Impp, como lo describen Aberle et al. [6]. Además, la densidad de corriente de saturación efectiva del diodo J0.eff y el factor de idealidad efectivo neff se determinan a partir de la curva JV de luz corregida con Rs. Todos estos valores derivados se resumen en la Tabla 1.
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La eficiencia cuántica de la célula solar se determina en este trabajo con el método de respuesta espectral diferencial, utilizando una combinación de luz monocromática modulada con luz blanca de polarización en estado estacionario [7]. El sistema utilizado en este trabajo (Fimo-210, Aescusoft, Alemania) tiene un monocromador basado en rueda de filtros con 34 filtros de banda estrecha y la linealidad de la celda se verifica antes de la medición. La eficiencia cuántica externa e interna para el área libre de metales de la célula solar se muestra en la Fig. 7.
El área metalizada de la superficie frontal de la celda se midió utilizando un sistema automatizado de medición por visión 3D (MeasurVision, Sunny Instruments, Singapur). Posteriormente se calcula la reflectancia Raa del área de la celda activa a partir de la reflectancia hemisférica medida (Lambda 950, PerkinElmer, EE. UU.), la fracción de metalización medida de la superficie frontal y la reflectancia medida de la rejilla metálica frontal usada. Luego se calcula el IQE del área activa (IQEaa) utilizando la fracción de metalización medida de la celda y el Raa calculado del área libre de metal. El IQEaa se utiliza a continuación para la cuantificación de las pérdidas por recombinación en la celda en cortocircuito.
En la parte final del análisis se calculan las pérdidas de potencia (en mW/cm2) en el MPP de la célula solar para cada uno de los siete mecanismos de pérdida estudiados, asumiendo que la célula obedece al principio de superposición. Las pérdidas ópticas y las pérdidas debidas a un IQEaa no perfecto se calculan ponderando los datos medidos con el espectro AM1.5G, por lo que la pérdida de corriente calculada en caso de cortocircuito se convierte en una pérdida de potencia en MPP multiplicando por Vmpp. Las pérdidas resistivas y el sesgo directo
La corriente se calcula en condiciones MPP, utilizando los valores medidos de la célula solar de la Tabla 1 y el modelo de circuito equivalente de un diodo. Por lo tanto, nuestro análisis supone que la diferencia entre Jsc y Jmpp se debe completamente a la recombinación adicional provocada en el dispositivo por el voltaje de polarización directa, lo cual es cierto si la celda obedece el principio de superposición y la resistencia en derivación es suficientemente alta. Los resultados de pérdida de potencia de este análisis se dan en la Tabla 2. Como se mencionó anteriormente, el análisis supone que el voltaje del punto de máxima potencia corregido por resistencia en serie permanece constante. Se puede observar que para esta celda en particular, la pérdida de energía debido al IQEaa no perfecto es dominante (37%), seguida por la pérdida de energía debido al sombreado metálico frontal (24%). También se puede ver que la pérdida de corriente total en MPP (12,6 mA/cm2) combinada
con el Jmpp medido suma 47,2 mA/cm2, lo que está muy cerca de la corriente total posible del espectro AM1.5G para longitudes de onda de hasta 1200 nm (47,0 mA/cm2). Por lo tanto, se han tenido en cuenta todos los principales procesos de pérdida de corriente de fotones.
4. Conclusiones
En este artículo hemos demostrado que se puede extraer una cantidad significativa de información a partir de obleas de silicio parcialmente procesadas, aplicando una variedad de técnicas de caracterización. Además, hemos presentado un método de análisis de pérdida de energía para células solares de oblea de silicio que cuantifica los siete principales mecanismos de pérdida de energía en el punto de máxima potencia de la célula basándose en un análisis ascendente. El método supone que el Vmpp de la célula permanece constante cuando se eliminan los distintos mecanismos de pérdida; de este modo,
debe usarse de forma iterativa al mejorar las células solares, ya que el Vmpp también cambiará. Este análisis se puede adaptar fácilmente a otras tecnologías fotovoltaicas comoSi película delgada, CIGS y células solares basadas en CdTe, y hasta módulos fotovoltaicos. Como se describe en este artículo, la caracterización avanzada juega un papel clave en la mejora de la eficiencia y el rendimiento de las tecnologías fotovoltaicas.
Referencias
[1] Trupke T, Bardos RA, Schubert MC, Warta W. Imágenes por fotoluminiscencia de obleas de silicio. Aplica. Física. Letón. 2006; 89:044107.
[2] Giesecke JA, The M, Kasemann M, Warta W. Caracterización espacialmente resuelta de obleas de silicio cortadas con imágenes de fotoluminiscencia. Prog. Fotovoltio. 2009; 17: 217.
[3] Sinton RA, Cuevas A. Determinación sin contacto de las características de corriente-voltaje y la vida útil de los portadores minoritarios en semiconductores a partir de datos de fotoconductancia en estado casi estacionario. Aplica. Física. Letón. 1996; 69:2510.
[4] Duttagupta S, Ma F, Hoex B, Mueller T, Aberle AG. Recubrimientos antirreflectantes optimizados utilizando nitruro de silicio sobre superficies de silicio texturizadas basadas en mediciones y modelado multidimensional. Proc. Conferencia Internacional. en Materiales para
Tecnologías Avanzadas 2011, Simposio O, Singapur; Procedimiento Energético, 2011.
[5] Aberle AG, Zhang W, Hoex B. Método avanzado de análisis de pérdidas para células solares de obleas de silicio. Proc. Conferencia SiliconPV 2011. (Primera Conferencia Internacional sobre Energía Fotovoltaica de Silicio Cristalino), Friburgo, Alemania; Energy Procedia, 2011, volumen 8, pág. 244-9.
[6] Aberle AG, Wenham SR, Green MA. Un nuevo método para mediciones precisas de la resistencia en serie agrupada de células solares. Proc. 23ª Conferencia de Especialistas Fotovoltaicos del IEEE, Louisville, EE.UU.; 1993, pág. 133-8.
[7] Metzdorf J. Calibración de células solares. 1: El método de respuesta espectral diferencial. Aplica. Óptica 1987; 26: 1701
Fuente: Sciencedirect
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