Ultrapurification of Silicon for Photovoltaic Applications

The recent explosive growth of Photovoltaics and the relative avidity for silicon of the predominant solar cell technology have resulted in a dramatic change of the polysilicon industry structure. While in the past the polysilicon was manufactured almost exclusively for the semiconductor industry, now more than half of the market is devoted to the solar industry. The different alternative routes to purify silicon for photovoltaic applications are presented in the paper, analysing their advantages and drawbacks. Emphasis is made on the CENTESIL initiative, a new private-public partnership venture promoting a pilot plant that is in an advanced state of construction. The goal is to allow the photovoltaic companies worldwide to count with an independent research centre to help them to establish their own polysilicon plant

Is silicon the ultimate photovoltaic material?

Conferencia invitada en el "Mechanical Engineering Colloquium 2014-2015

Present and Future of Photovoltaic Solar Electricity

Ponencia Invitada presentada en el IEEE Region 8 Student Branch and GOLD Congres

R&D on crystalline silicon technology: From metallurgical silicon to the PV module

Founded by Antonio Luque in 1979 Personnel: Personnel: 6464 full full-time time staff (19 professors staff (19 professors, 44 PhD PhD researchers 28 PhD students 13 researchers, 28 PhD students, 13 administrative and maintenance staff), 19 “part time” (11 “external PhD students”, 8 master students) Objective: Objective: Contribute to the deployment of Photovoltaic Solar Electricity through R&D& Contribute to the deployment of Photovoltaic Solar Electricity through R&D&

Procesos de extracción de impurezas contaminantes y aplicación a estructuras de células solares

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

On track for solar grade silicon through a Siemens process-type laboratory reactor: operating conditions and energy savings

Polysilicon cost impacts significantly on the photovoltaics (PV) cost and on the energy payback time. Nowadays, the besetting production process is the so called Siemens process, polysilicon deposition by chemical vapor deposition (CVD) from Trichlorosilane. Polysilicon purification level for PV is to a certain extent less demanding that for microelectronics. At the Instituto de Energía Solar (IES) research on this subject is performed through a Siemens process-type laboratory reactor. Through the laboratory CVD prototype at the IES laboratories, valuable information about the phenomena involved in the polysilicon deposition process and the operating conditions is obtained. Polysilicon deposition by CVD is a complex process due to the big number of parameters involved. A study on the influence of temperature and inlet gas mixture composition on the polysilicon deposition growth rate, based on experimental experience, is shown. Moreover, CVD process accounts for the largest contribution to the energy consumption of the polysilicon production. In addition, radiation phenomenon is the major responsible for low energetic efficiency of the whole process. This work presents a model of radiation heat loss, and the theoretical calculations are confirmed experimentally through a prototype reactor at our disposal, yielding a valuable know-how for energy consumption reduction at industrial Siemens reactorsPostprint (published version

Disclosing the polysilicon deposition process

The chemical route for producing hyperpure silicon, referred to as polysilicon, is energy intensive. In this work two paths are analysed to reduce energy consumption during polysilicon deposition: reduce power loss and increase polysilicon productivity. The solutions proposed for reducing power loss are: enlarging the reactor capacities and increasing the wall reflectivity. The proposals for increasing the productivity are: working at the optimum deposition conditions, that maximises the polysilicon growth rate, and stopping the process at higher rod diameters. By doing so, the process uses the energy more efficiently

The Impact of Silicon Feedstock on the PV Module Cost

The impact of the use of new (solar grade) silicon feedstock materials on the manufacturing cost of wafer-based crystalline silicon photovoltaic modules is analyzed considering effects of material cost, efficiency of utilisation, and quality. Calculations based on data provided by European industry partners are presented for a baseline manufacturing technology and for four advanced wafer silicon technologies which may be ready for industrial implementation in the near future. Iso-cost curves show the technology parameter combinations that yield a constant total module cost for varying feedstock cost, silicon utilisation, and cell efficiency. A large variation of feedstock cost for different production processes, from near semiconductor grade Si (30 €/kg) to upgraded metallurgical grade Si (10 €/kg), changes the cost of crystalline silicon modules by 11% for present module technologies or by 7% for advanced technologies, if the cell efficiency can be maintained. However, this cost advantage is completely lost if cell efficiency is reduced, due to quality degradation, by an absolute 1.7% for present module technology or by an absolute 1.3% for advanced technologies

Solar photovoltaic power-to-heat-to-power energy storage

This article summarizes part of the work developed, and already published, in the context of the AMADEUS project (www.amadeusproject. eu), a FET-OPEN project funded by the European Commission to research a new generation of materials and solid state devices for ultra-high temperature energy storage and conversion. New silicon-based alloys as new phase change materials (PCMs) are explored, achieving latent heat in the range of 1000-2000 kWh/m3, which means an order of magnitude greater than that of typical saltbased PCMs used in concentrated solar power (CSP). In addition, silicon-based PCMs lead to storage temperatures well beyond 1000 ºC, and so this project aims at breaking the mark of ~ 600 ºC rarely exceeded by current state of the art thermal energy storage (TES). Furthermore, this article presents the most significant outcomes of work developed to assesses whether it is profitable to store solar photovoltaic (PV) electricity in the form of heat and convert it back to electricity on demand in the residential sector