Development of photovoltaic cells using upgraded metallurgical grade silicon (Si-GMM)

Orientadores: Paulo Roberto Mei, Francisco das Chagas MarquesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A principal barreira para a expansão do setor fotovoltaico corresponde ao elevado custo da produção do silício grau eletrônico (Si-GE) obtido pelo processo Siemens, matéria-prima para fabricação de mais de 85 % de todas as células fotovoltaicas. Em todo o mundo grupos de pesquisa trabalham em rotas metalúrgicas alternativas para purificação do silício grau metalúrgicas (Si-GM), a fim de produzir um material de menor pureza e de menor custo que o Si-GE, mas que ainda seja adequado para a produção de células fotovoltaicas. Esse material é chamado de silício grau metalúrgico melhorado (Si-GMM). Esta tese apresenta os resultados obtidos na produção do Si-GMM e na fabricação de células fotovoltaicas com o mesmo, testando também processos de gettering com fósforo para a captura de impurezas metálicas. Foram utilizadas, para comparação, lâminas comerciais de Si-GE importadas de diferentes empresas e lâminas de Si-GMM da empresa Rima Industrial S/A. Observou-se que a diferença de composição química entre as lâminas comerciais de Si-GE e as lâminas de Si-GMM da Rima Industrial S/A é devido à concentração de boro e de fósforo. Enquanto que no Si-GE a concentração de boro é menor que 0,1 ppm, no Si- GMM situa-se em torno de 3 ppm, ou seja, um valor 30 vezes maior. Soma-se a isto o fato destes dois elementos serem dopantes, os quais influenciam enormemente o desempenho das células fotovoltaicas. Com a associação de desgaseificação a vácuo em forno de feixe de elétrons e crescimento Czochralski foi possível obter um lingote de silício monocristalino com concentração total de impurezas metálicas igual a 6 ppm, sendo 5,5 ppm de boro, partindo de um silício grau metalúrgico com 219 ppm de impurezas metálicas e 5,5 ppm de boro, o que significa que nenhum dos processos reduziu o teor de boro do silício. A resistividade do silício desgaseificado a vácuo passou de 0,06 para 0,30 ohm.cm após crescimento Czochralski, indicando que o mesmo, além de reduzir a quantidade de impurezas metálicas, que passou de 13 para 6 ppm, também contribuiu para a melhoria da qualidade estrutural do silício ao produzir um lingote monocristalino. O uso de gettering de fósforo na fabricação de células de Si-GMM proporcionou um aumento no comprimento de difusão dos portadores de carga com consequente aumento da eficiência de conversão das mesmas. Dentre os processos de gettering aplicados, os que incluíram etapas de recozimento foram mais eficazes na captura de impurezas metálicas. O resultado obtido com o emprego do gettering na fabricação das células de Si-GMM purificado nesta tese atingiu o valor de 9,7 % de eficiência de conversão fotovoltaica. Com uma otimização no processo de produção de células chegou-se a 13 % de eficiência usando lâminas de Si-GMM com 3 ppm de boro e 3 ppm de fósforo, um valor recorde obtido com este tipo de silício na literaturaAbstract: The main barrier for expanding the photovoltaic industry corresponds to the high production costs of the Electronic grade silicon (EG-Si) obtained through the Siemens process, the raw-material for the production of more than 85% of all photovoltaic cells. Throughout the world, research groups work in alternative metallurgical routes to purify the Metallurgical grade silicon (MG-Si), in order to produce a material with lower purity and lower costs than EG-Si, but which is still adequate for the production of photovoltaic cells. Such material is called Upgraded Metallurgical grade silicon (UMG-Si). This thesis presents the results obtained during the production of UMG-Si and the manufacturing of photovoltaic cells with UMG-Si, also testing gettering processes with phosphorus in order to capture metallic impurities. For comparison, we used commercial EG-Si wafers imported from different companies, and UMG-Si wafers from the company Rima Industrial S/A. We observed that the difference in the chemical composition between the commercial EG-Si wafers and the UMG-Si wafers from Rima Industrial S/A is due to the boron and phosphorus concentration. While in EG-Si the boron concentration is lower than 0.1 ppm, in UMG-Si it corresponds to approximately 3 ppm, that is, a 30 times higher value. In addition to that, both elements are dopants, which markedly affect the development of the photovoltaic cells. With the association of vacuum degassing in an electron beam furnace and Czochralski growth, we were able to obtain a monocrystalline silicon ingot with a total metallic impurity concentration of 6 ppm, considering that 5.5 ppm is boron, from a Metallurgical grade silicon with 219 ppm of metallic impurities and 5.5 ppm of boron, which means that none of the processes reduced the silicon's boron amount. The resistance to the vacuum degassing silicon went from 0.06 to 0.30 ohm.cm after Czochralski growth, which indicates that, in addition to reducing the amount of metallic impurities, which went from 13 to 6 ppm, it also contributes to improve the silicon's structural quality by producing a monocrystalline ingot. The use of phosphorus gettering in the fabrication of UMG-Si cells provided an enhancement in the diffusion length of the charge carriers with a resulting increase in the conversion efficiency of the cells. Among the gettering processes applied, those that included annealing steps were more efficient in capturing metallic impurities. The result obtained by using gettering for the fabrication of purified UMG-Si cells in this thesis reached a 9.7 % efficiency rate for photovoltaic conversion. With an optimization of the cell production process, we reached a 13 % efficiency rate using UMG-Si wafers with 3 ppm of boron and 3 ppm of phosphorus, a record value obtained with this type of silicon in literatureDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutora em Engenharia Mecânic