Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente , 2022, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasThe fabrication of tandem solar cells requires a specific connectivity between layers, with
specific characteristics such as the case of a tunnel junction that is made of two heavily doped narrow
layers of different doping types (e.g. Phosphorus and Boron). When a certain amount of voltage is
applied to the edges of the tunnel junction, the result is the alignment of both valence and conduction
bands of the different subregions, enabling the electron flux from one cell to another without the need
to energy variation of the electron.
The Gas Immersion Laser Doping (GILD) technique uses a laser as the source of radiation and
a dopant gas. A silicon wafer is inserted inside a compartment with a controlled atmosphere saturated
with the doping gas, which receives energy from the laser as pulsed beams, melting and solidifying into
a very fast process. When the melting occurs, the dopants penetrate the wafer and remain there upon
solidification. When a high concentration of the dopant is confined inside an ultra-shallow depth of the
wafer, the probability of forming a tunnel junction is increased. Therefore, before implementing this
process, it is necessary to study the interaction between the laser and silicon samples.
The purpose of this dissertation is to test and pre-select sample areas that were submitted to an
infrared laser irradiation, varying on different sets of parameters, such has laser scan speed, number of
scans, infrared transparent window type, among others. Samples will be evaluated regarding their
topography, in terms of surface and in-depth melt homogeneity. These samples will be used as tests for
the objective of the project in which this dissertation is inserted. The final goal of the project is thus to
develop a process of tunnel junction formation with recurse to the GILD technique, using POCl3 as the
dopant source and to create abrupt n++/p+ doping profiles (with 10 nm wide). The approach should lead
to a scalable and low-cost industrial process for forming tunnel junctions directly integrated in tandem
solar cells.
Optical analysis of laser interaction on the silicon surface can be notable in slower laser scan
speed for more than one successive scattering process. The results show an effective laser processed
areas in a p-type Cz-Si wafer rather than in an emitter p++ on an p+ Cz-Si wafer. The chamber and the
window that confines the sample in a controlled atmosphere affects positively the melting process when
using a Quartz material rather than the Polycarbonate window.A evolução tecnológica tem permitido arranjar solução eficazes para combater a produção de
energia à base de combustíveis fósseis. As energias renováveis estão a ser cada vez mais implementadas
como fontes de conversão de energia primária para autoconsumo e distribuição na rede. A variabilidade
e a inconstância que as fontes de energia renovável apresentam, devem ser colmatadas pontualmente
por fontes alternativas ou convencionais de produção de energia, para garantir ao consumidor final de
energia a sua utilização.
Por definição, uma célula fotovoltaica é um dispositivo elétrico que é afetado pela exposição a
certos tipos de radiação, resultando num diferencial em características como a corrente e a tensão.
Baseia-se num efeito químico e físico, denominado por efeito fotovoltaico. Através da absorção de
fotões por parte de um material semiconductor, ocorre a excitação dos seus eletrões e,
consequentemente, a separação do respetivo átomo. É gerada uma diferença de potencial elétrico
proporcionada pela separação das cargas.
A radiação proveniente do sol é um recurso muito explorado atualmente, para produção de
energia de fonte renovável. A irradiância espetral atinge valores máximos na região do infravermelho,
permitindo correlacionar o grande destaque que o silício detém no mercado fotovoltaico, já que o
intervalo de banda do mesmo encontra-se na região infravermelha, onde converte de forma eficiente
grandes quantidades de radiação.
O aproveitamento das restantes regiões do espetro solar deverá ser considerado para a
implementação nas futuras células solares. O empilhamento de camadas de diferentes materiais, permite
abranger uma maior banda de comprimento de onda. A célula de topo permite absorver intervalos de
banda superiores, enquanto os fotões que não são absorvidos percorrem a junção até chegar à célula
base, onde irá ocorrer a conversão de energia. Uma célula solar tandem como é o caso da
perovskita/silício resulta numa célula mais eficiente em que são aproveitados os fotões de diferentes
regiões do espetro solar.
As células solares tandem são compostas por diferentes sub-células que têm intervalos de banda
do espetro solar distintos. Permitem uma maior absorção de fotões pois abrangem um maior intervalo
do comprimento de onda. A sua fabricação requer uma interligação complexa entre ambas as camadas
denominadas por junção de túnel. Trata-se de uma região altamente dopada com duas camadas com
concentração de dopantes distintos, como por exemplo Boro e Fósforo. Ambas as bandas de valência e
condução das diferentes camadas alinham-se, possibilitando o fluxo de eletrões entre ambas sem
necessidade de o fotão variar a sua energia.
O silício é o material semiconductor mais utilizado para o fabrico de células solares. Consoante
o seu grau de cristalinidade, poderá apresentar diferentes eficiências e consequentemente, custos, face à
complexidade dos processos em que é submetido. A maioria dos módulos fotovoltaicos utilizados nas
centrais são do tipo monocristalino, apresentando uma maior eficiência comparativamente às outras
células de primeira geração.
A eficiência da tecnologia fotovoltaica pode ser maximizada através de um processo
denominado por dopagem. Ao introduzir impurezas em amostras, como por exemplo de silício, a
conversão de energia é realizada de forma mais eficaz devido à alteração das propriedades elétricas.
Dependendo da natureza das impurezas que serão inseridas nas amostras, será possível obter amostras do tipo p ou do tipo n. A alteração da cristalinidade de uma bolacha de silício afetará as ligações
covalentes entre os átomos. A liberdade de movimento de um eletrão em amostras do tipo n, aumentará
a condutividade e, consequentemente, a eficiência da célula num todo.
A técnica GILD (Gas Immersion Laser Doping) é uma das alternativas para realizar processos
de dopagem em silício. É utilizado um laser pulsado como fonte principal de radiação e uma atmosfera
com um gás dopante. A amostra de silício permanece confinada num compartimento que possibilite
criar uma atmosfera controlada com alta concentração de gás dopante. O laser pulsado incide na
superfície da amostra proporcionando a fusão e solidificação intercalada, num processo extremamente
rápido. Durante a fusão do silício, o dopante penetra a amostra, que permanece em profundidade quando
ocorre a solidificação. Uma elevada concentração de dopante alocada numa camada ultra-fina, propicia
a formação de uma junção de túnel. De forma a maximizar a eficácia da dopagem para o resultado
pretendido, é fundamental analisar a interação entre o laser e o silício, e todos os fatores que estão
associados.
A técnica SEM (Scanning Electron Microscopy) é bastante utilizada para estudar a topografia
de células após a interação direta com fontes de energia muito elevadas. Um feixe primário de eletrões
é disparado diretamente na superfície da amostra que, após o contacto, resulta na emissão de eletrões
secundários. Estes são armazenados e filtrados por um sistema de deteção que, consequentemente, irá
correlacionar a variação na topografia da superfície amostral. O estudo da interação entre fontes de
energia e amostras de silício é fundamental de modo a compreender a os fatores que possibilitam uma
melhor homogeneidade superficial.
O principal objetivo desta dissertação é testar, analisar e escolher as áreas amostrais que serão
submetidas a um processo de irradiação recorrendo a um laser infravermelho, variando um conjunto de
parâmetros, tais como, a velocidade de varrimento do laser, o número de repetições de cada ciclo de
varrimento, o material que constitui a janela onde incide o laser, entre outros. Futuramente, as amostras
que forem escolhidas, serão avaliadas relativamente à sua topografia, tanto em termos superficiais, como
na fusão homogénea em profundidade. As amostras serão utilizadas como amostras teste para o objetivo
do projeto em que esta dissertação se insere. O projeto tem a finalidade de desenvolver o processo de
formação de junções de túnel pelo método de Gas Immersion Laser Doping utilizando como gás dopante
o POCl3, de forma a criar uma camada ultra-fina e altamente dopada do tipo n (n++) através de toda a
bolacha de silício.
Um estudo preliminar acerca da interação entre laser e silício permite compreender de que
maneira os vários fatores, tal como o tipo de equipamento, parâmetros e o tipo de amostra de silício
utilizada, influenciam a homogeneidade do processo de fusão. Foram estudados e analisados os
diferentes resultados comparando diretamente as várias variáveis. O material que constituía a janela
onde incidia o laser, a velocidade de varrimento do pulso, a distância entre pontos focais (sucessivos e
verticais) e a repetição do varrimento do laser, as diferentes amostras (emissor p++/p+ e bolacha p+,
ambos de silício), foram comparados no âmbito desta dissertação. O processo de fabricação deverá
conduzir a um método escalável e de baixo custo na produção industrial de junções de túnel para integrar
nas células solares tandem.
Numa análise microscópica das diferentes áreas amostrais é possível observar que a velocidade
de varrimento do laser e o número de repetições dos ciclos de varrimento são as variáveis que mais
influenciam na eficácia da fusão do silício. Em velocidades mais baixas do feixe do laser, é possível
obter uma maior área cujo laser interagiu com sucesso. Mesmo que existam pequenas zonas escuras, a
sucessiva repetição do processo resulta numa correção da zona não tratada. Num emissor sobre um wafer dopado (p++/p+) a interação do laser tornou-se numa fusão
deficiente da superfície face à bolacha padrão (bolacha de silício tipo p). A grande concentração de boro
na camada superior afeta negativamente a eficácia do processo de varrimento.
A fusão homogénea do silício foi afetada positivamente quando utilizada uma janela de Quartzo
como superfície transparente que permite a incidência do laser. Face à janela de policarbonato, os fatores
óticos dos dois tipos de materiais, são notavelmente relevantes nos resultados obtidos
