Técnica de cristalização de silício por zona fundida elétrica

O desenvolvimento das sociedades humanas modernas é demonstradamente acompanhado de um aumento do seu consumo energético. A justa ambição dos povos à qualidade de vida coloca, neste contexto, uma pressão significativa nos recursos naturais do planeta, nomeadamente na capacidade da atmosfera de acomodar o resultado do crescente consumo de combustíveis de origem fóssil, intensivo em emissões de CO2, ou mesmo na capacidade de absorção de resíduos provenientes da exploração energética sem colocar em risco os ecossistemas ou as sociedades. A eletrificação progressiva da sociedade coloca grande ênfase nas soluções de produção de energia elétrica com reduzidos impactos. Neste enquadramento, a expansão da produção fotovoltaica destaca-se como potencial solução de futuro. O silício cristalino, sendo presentemente a tecnologia de conversão fotovoltaica mais madura, apresenta espaço para melhorias tecnológicas com elevado potencial de impacto na sua disseminação. Nesta tese, explora-se uma nova forma de cristalização de silício, potencialmente extensível a qualquer semiconductor, que faz uso, para a fusão no material, do calor de Joule gerado no próprio material numa região linear naturalmente concentrada devido às propriedades físicas material. O propósito deste trabalho centrou-se em dois pontos principais: (i) O desenvolvimento de um sistema capaz de cristalizar amostras por Zona Fundida Elétrica (ZFE) de forma reprodutível e com capacidade para resistirem à manipulação mecânica necessária para a sujeição a processos diversos de caracterização e à formação de células solares. (ii) A proposta e tentativa de demonstração experimental de um novo fenómeno de segregação elétrica de impurezas na ZFE. No âmbito do primeiro ponto (i), foi desenvolvido um sistema experimental com vista à formação de zonas fundidas elétricas adaptado para o varrimento de uma amostra por uma ZFE assegurando que a zona fundida apenas contacta silício sólido de forma a conter os riscos de contaminação, entrando assim na categoria dos processos de zona fundida flutuante. A reprodutibilidade do processo inclui o desenvolvimento de um sistema de controlo de velocidade de varrimento em ciclo fechado, comandado por um microcontrolador programável. Para a caracterização da qualidade do material obtido foram aplicadas diversas técnicas, nomeadamente, medição de tensões residuais por birrefringências no infravermelho, medição de densidade de deslocações, perfil de espessura e mapeamento de deformação. Uma observação emergente no decorrer dos processos de caracterização foi a inadequabilidade generalizada dos sistemas de caracterização e processamento a amostras que não apresentem superfícies planas. Neste sentido foram produzidas adaptações a diversos métodos de forma a contornar esta dificuldade. Como resultado, foi possível produzir células solares funcionais e obter informação significativa para caracterizar o processo de cristalização por ZFE. Foi ainda aplicado o processo a silício com estrutura material diversa. Para o segundo ponto (ii) foi definido o conceito e desenvolvido um modelo teórico que pretende estimar a intensidade do efeito de segregação de impurezas no silício no estado líquido por ação de uma corrente elétrica. Todas as experiências após a consolidação do processo de cristalização por ZFE foram feitas tendo como pano de fundo a tentativa de demonstrar experimentalmente o efeito, desde amostras produzidas com contaminação intencional à observação comparativa do desempenho de dispositivos (células solares) formados a partir de regiões diferentes das amostras. Neste ponto não foram alcançados resultados que demonstrem inequivocamente o efeito não pondo, no entanto, de parte a sua ocorrência