Fabrico de junções de túnel para células solares de dupla junção de alto rendimento

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2020O objetivo desta dissertação é delinear um processo para a formação de uma junção de túnel, a ser incorporada numa célula fotovoltaica de multijunção, através de uma técnica que não exija constrangimentos de temperatura, seja facilmente escalável para a produção industrial e de custo reduzido. A procura por uma técnica que preenchesse estes requisitos levou à escolha do processo GILD (Gas Immersion Laser Doping), sendo este de baixo custo, uma vez que o laser é muito menos dispendioso do ponto de vista energético que um forno resistivo, já que permite tratamento térmico local, e tem possibilidade de ser realizada em larga escala quando associado a uma cabeça galvanométrica ou uma mesa x-y. Além disto, a junção produzida não impede que a célula de topo seja potencialmente depositada através de um processo que utilize temperaturas relativamente elevadas (superiores a 200ºC). Um laser do tipo pulsado oferece muito controlo no processo de fusão do silício, com a possibilidade de o programar em termos de densidade energética, frequência e duração do pulso. Esta técnica nunca foi utilizada para a formação de junções de túnel com vista a aplicação em células solares (uma vez que os objetivos das experiências já existentes são a aplicação eletrónica), sendo uma inovação na arquitetura fotovoltaica. A técnica GILD foi reportada pela primeira vez em 1989. Neste primeiro artigo, era a amostra que se deslocava relativamente ao laser, utilizando uma mesa x-y. Na experiência delineada para esta dissertação, optou-se pela aplicação de um laser de rastering, que altera a posição do feixe, mantendo a wafer de silício fixa. Foi também selecionado um laser diferente do que é normalmente reportado na bibliografia (por exemplo 308 nm XeCl), com um comprimento de onda de 1064 nm (Nd:YAG), combinado com uma lente f-teta, que permite assegurar que o feixe está sempre focado na superfície da amostra independentemente da zona desta onde incide. O dopante a ser aplicado na experiência programada é o POCl3 (Cloreto de Fosforila) e, embora a dopagem com fósforo para aplicações fotovoltaicas não seja inovadora, esta fonte ainda não foi reportada noutros processos deste género. Para o ambiente da câmara onde se realiza a dopagem foram estudados dois métodos diferentes: baixa pressão e pressão atmosférica. Para cada um foram elaborados esquemas, estudadas as vantagens, desvantagens e as especificações, optando-se por realizar a técnica à que utiliza pressão ligeiramente superior à atmosférica, uma vez que diminui o risco de fugas e permite a utilização de outros materiais (mais baratos) para os diferentes componentes do sistema. Esta dissertação, estando incluída no primeiro ano de um projeto de deposição de junções de túnel através de um processo escalável e de baixo custo, focou-se sobretudo em pesquisa bibliográfica sobre temas relevantes para esta área e, principalmente, sobre a técnica GILD aplicada no passado, comparando trabalhos e resultados.The aim of this dissertation is to outline a process for the formation of a tunnel junction, to be incorporated on a multijunction photovoltaic cell, through a technique that does not require temperature constraints, is easily scalable for industrial production and cost-effective. The search for a technique that met these requirements led to the choice of the process GILD (Gas Immersion Laser Doping), this being low cost, as the laser is much less expensive from an energy point of view than a resistive furnace, since it allows local heat treatment, and has the possibility of being performed on a large scale when associated with a galvanometric head or an x-y table. In addition, the produced junction does not prevent the top cell from being potentially deposited through a process that uses relatively high temperatures (above 200 ºC). A pulsed laser offers a lot of control in the silicon fusion process, with the possibility of programming it in terms of energy density, frequency and pulse duration. This technique has never been used for the formation of tunnel junctions for application in solar cells (since the objectives of existing experiences are the electronic application), being an innovation in photovoltaic architecture. The GILD technique was first reported in 1989. In this first report it was the sample that moved with respect to the laser, using a x-y table. In the setup outlined in this dissertation, we opted for the application of a rastering laser, which alters the position of the beam, keeping the silicon wafer fixed. A laser was also selected other than that normally reported in the bibliography (e.g. 308 nm XeCl), with a wavelength of 1064 nm (Nd:YAG), combined with an f-theta lens, which allows to ensure that the beam is always focused on the sample surface regardless of the area of this where it focuses. The dopant to be applied in the programmed experience is POCl3 (phosphoryl chloride) and although phosphorus doping for photovoltaic applications is not innovative, this source has not yet been reported in other processes of this kind. For the environment of the chamber where doping is performed, two different methods were studied: low pressure and atmospheric pressure. For each one, schemes were elaborated, the advantages, disadvantages and specifications were studied, choosing to perform the technique at a pressure slightly higher than atmospheric, since it decreases the risk of leakage and allows the use of other materials (cheaper) for the different components of the system. This dissertation, being included in the first year of a project of deposition of tunnel junctions through a scalable and low-cost process, focused mainly on bibliographic research on topics relevant to this area and, mainly, on the GILD technique applied in the past, comparing works and results