Tese de mestrado, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2009As necessidades energéticas da humanidade têm crescido aceleradamente, criando uma forte dependência do mundo civilizado pelas reservas de combustíveis fósseis que se sabe não serem inesgotáveis. Pelo contrário, estas são limitadas e colocam actualmente problemas ecológicos que se prendem com a produção de dióxido de carbono resultante da sua queima, que agravam e aceleram o Aquecimento Global. Este problema implica actualmente a necessidade da procura de fontes de energia alternativa, que sejam renováveis e limpas. Dentro das actualmente viáveis, a energia fotovoltaica, utilizando a radiação solar, é uma das alternativas mais limpas ainda que não suficiente para suprir de imediato as necessidades actuais. Por essa razão tem uma grande importância política, social e económica, todo o desenvolvimento que favoreça uma maior eficiência das células solares. Neste trabalho pretende-se contribuir para esse desenvolvimento, estudando a utilização de filmes texturizados de óxido de zinco dopados com alumínio para janela de entrada da luz, com o objectivo de obter uma maior eficiência de colecção da luz solar e uma melhor conversão fotoeléctrica dessa radiação. Para esse fim, neste trabalho foram depositados por pulverização catódica assistida por magnetrão sobre substratos de vidro, filmes finos de zinco dopado com alumínio (ZnO:Al) com propriedades adequadas para serem usados como a camada de óxido condutor transparente (TCO) em células solares. O estudo da influência da texturização dos filmes finos de ZnO:Al foi realizado, recorrendo a um processo de texturização e construindo células solares do tipo p-i-n sobre esses filme finos seguindo o processo que se descreve em seguida. Todo o trabalho apresentado foi realizado na Universitade de Barcelona com o Grupo de Energia Solar. Numa primeira fase, foi desenvolvido e optimizado um processo de limpeza dos substratos de vidro de modo a assegurar que estes se encontravam o mais limpo possível antes da deposição do TCO. Depois de se verificar que o processo de limpeza era adequado, os filmes finos de ZnO:Al foram depositados por pulverização catódica assistida por magnetrão e a texturização foi realizada através de um ataque químico com uma solução de ácido clorídrico (0,5% HCl). As diferentes texturizações obtidas foram morfológica, eléctrica e opticamente analisadas. Alguns dos filmes texturizados foram escolhidos pelas suas características e sobre eles foram fabricadas, pela técnica de deposição química de vapores catalítica por filamento aquecido (HWCVD), células solares de filmes finos de silício amorfo hidrogenado (a-Si:H), para se estudar a influência da texturização no desempenho dos dispositivos. Neste trabalho foi desenvolvida a montagem para a texturização e escolhidas as condições de ataque químico definindo algumas variáveis das quais a morfologia resultante depende. Os resultados para a textura são comparados entre si e o comportamento das características medidas das células de a-Si:H depositadas (curva IV, eficiência quântica, factor de preenchimento, tensão em circuito aberto e corrente de curto circuito) é relacionado com a morfologia do TCO. Apresentam-se ainda os resultados obtidos por um programa em MATLAB desenvolvido neste trabalho para se obter uma estimativa do período médio da superfície texturizada e como este valor está relacionado com os parâmetros característicos das células solares. A estrutura do texto apresentado nesta dissertação é apresentada de seguida. No Prefácio faz-se uma apresentação da importância da energia fotovoltaica e consequentemente do desenvolvimento das células solares tendo em consideração a situação energética mundial. Apresenta-se o tema do trabalho e a estrutura do texto. No capítulo 1 faz-se uma apresentação da constituição e funcionamento das células solares bem como das suas características principais e dos parâmetros mais utilizados para classificar o seu funcionamento. Introduzem-se as diferentes gerações de células solares, as suas vantagens e desvantagens. No capítulo 2 são explicados todos os métodos experimentais aplicados neste trabalho. Dão se os detalhes sobre o processo de limpeza do substrato, desenvolvido e optimizado no quadro desta tese, enunciando-se os protocolos definidos de forma a que o substrato de vidro esteja adequadamente limpo antes da deposição do TCO. Descreve-se o processo de pulverização catódica assistida por magnetrão utilizado para depositar os filmes de ZnO:Al e a montagem utilizada para o processo de texturização. Para estudar o efeito da texturização na qualidade das células solares, utilizou-se a técnica de HWCVD para produzir células solares sobre os diferentes TCO obtidos. Esta técnica é explicada e descrita, bem como o processo de fabrico das células solares. No capítulo 3 são apresentados os resultados da caracterização óptica e eléctrica dos filmes atacados, bem como as suas características morfológicas. Foi ainda realizado o estudo da evolução destas propriedades em função das variáveis do ataque químico. Os resultados são comparados entre si e o comportamento das características medidas das células de a-Si:H depositadas (curva IV, eficiência quântica, factor de preenchimento, tensão em circuito aberto e corrente de curto circuito) foi relacionado com a morfologia do TCO. Apresentam-se ainda os resultados obtidos por um programa em MATLAB desenvolvido para se obter uma estimativa do período médio da superfície texturizada e a análise de como estes valores estão relacionados com os parâmetros das células solares. No capítulo 4 são apresentadas as conclusões a tirar dos resultados obtidos e sugeridas propostas para um estudo mais profundo e completo nesta área. Os resultados principais deste trabalho relacionados com o papel da texturização da camada TCO são os que se descrevem em seguida: Com o tratamento químico, a resistência superficial (sheet resistance) de todos os filmes finos de ZnO:Al aumentou, sendo este resultado atribuído à diminuição da sua espessura. Este tratamento químico deve ser realizado numa geometria horizontal para assegurar a homogeneidade da espessura final; As condições de pulverização para o crescimento do filme são determinantes no processo de texturização; A caracterização óptica dos filmes, medindo a transmissão total e a transmissão difusa e calculando-se a fracção de luz dispersa (“haze”) permitiram concluir que: todos os filmes apresentavam transmitâncias superiores a 83% na banda da luz visível; a transmissão total no infra-vermelho próximo aumenta com o tempo de ataque químico; a transmissão difusa na banda de luz visível aumenta com o ataque químico, atribuído a um aumento da rugosidade da superfície; Para as células construídas sobre os filmes de ZnO:Al texturizados, foram analisados os parâmetros seguintes: eficiência quântica externa (EQE), densidade de corrente de curto circuito (Jsc ) e a curva característica (IV), tendo- se concluído que: A texturização realizada nos filmes ZnO:Al foi transmitida a todas as camadas da célula; As células depositadas sobre filmes texturizados têm densidades de corrente de curto-circuito mais elevadas que os filmes não texturizados; A melhor eficiência obtida, melhor do que as células construídas sobre substratos comercialmente disponíveis Asahi-U, foi conseguida numa célula texturizada por ataque químico durante 20s com orientação horizontal; Com os filmes ZnO:Al texturizados, obtiveram-se células solares com eficiências de 3,31% que devem ser comparados com o valor 3,25% obtido nas células depositadas sobre substratos Asahi-U. Das conclusões retiradas através dos resultados obtidos, são sugeridas algumas propostas para um estudo mais profundo e completo nesta área. As condições de deposição dos filmes finos de ZnO:Al são um parâmetro crítico que determina o resultado da texturização por ataque químico. Neste estudo a melhor escolha de parâmetros incidiu em filmes depositados com uma potência r.f. de 200 W e uma temperatura de 350 ºC para o substrato. Um tratamento mais exaustivo em que sistematicamente se variem estes parâmetros poderá conduzir a filmes cuja texturização resultante seja de melhor qualidade. O tipo e uniformidade da texturização podem também ser melhor caracterizados recorrendo a estudos da distribuição angular da luz dispersa e a imagens de microscopia electrónica de varrimento em secções rectas da superfície.The present work was developed in Barcelona University, with the Solar Energy Group. In this work, ZnO:Al thin films with optimum properties to be used as transparent conductive oxide (TCO) contact layers in solar cells, were deposited by radio-frequency magnetron sputtering onto glass substrates. The main goal of this work was to texturize the as-deposited ZnO:Al thin films for light confinement purposes to achieve an improvement in efficiency of thin film silicon solar cells. The texturization was carried out by wet chemical etching with diluted hydrochloric acid (0,5%HCl), a simple and economic method, with which is possible to improve the light trapping in thin film silicon solar cells. Additionally, amorphous silicon (a-Si:H) thin film solar cells were deposited by HWCVD over the different achieved TCOs, to study the influence of the texturization in the devices performance. First, a cleaning process was developed and optimized to ensure the glass substrates were very clean prior to deposition of TCO. After checking the cleaning process fulfilled the requisites, the ZnO:Al films were deposited by r.f. magnetron sputtering with optimized process conditions. The texturization set-up was developed, the etching conditions were chosen and the films were etched changing some variables on which the resulting surface morphology depends. The properties of the different resulting textures were morphologically, electrically and optically analyzed. Using the experimental results, some textured films were selected to built a-Si:H solar cells over them. The performance of such solar cells was related with the morphology of the TCO layer. A MATLAB program was developed within the project to find out the average period of the textured surface and how these values are related with the parameters of the solar cells. The effect of the different textured TCOs in the performance of the deposited a-Si:H solar cells were analyzed and compared. From the conclusions taken are suggested proposals to do a more deep and complete study on this area
