5.2 Approximate diameter
5.2.3 Recursively solving the problem in G `
Desde la aparición del concepto de células solares pasivadas (PERC) surge la necesidad de crear contactos locales a través de las capas dieléctricas. Una propuesta son los contactos ejecutados con láser (Laser Fired Contact ó LFC). Este proceso, que entra conceptualmente en la categoría de técnicas que pretenden mejorar el comportamiento de los contactos en una célula y que se detallarán en el capítulo 3,
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surge como solución para mejorar las prestaciones eléctricas de la parte trasera de una célula solar de silicio, tanto ópticas como eléctricas, para la generación futura de células de alta eficiencia.
Se recuerda que, en su aproximación convencional, el contacto trasero de las células comerciales se crea mediante la aleación de una capa homogénea de aluminio (Al) en contacto directo con el silicio (Si) semiconductor [Caballero05, Alcántara07]. Dicho aluminio se aplica en forma de pasta que se extiende previamente con técnicas de serigrafía y después se somete el conjunto a una tratamiento térmico para crear una aleación Al-Si (se requieren del orden de 700-800 ºC para conseguir un buen contacto, con tiempos de duración entre 1 a 5 minutos). Esta configuración de contacto posterior presenta varias restricciones:
- En particular los mecanismos de recombinación en la parte posterior son muy elevados. Otro inconveniente de esta estructura es la dificultad que presenta para tener un buen contacto óhmico en obleas de silicio poco dopadas.
- Los procesos térmicos a los que se ve sometida la célula para alear el aluminio con el semiconductor causa deformaciones importantes de la oblea que se derivan en problemas de rendimiento (ver Figura 4-a).
A pesar de los inconvenientes y limitaciones de esta técnica es, sin embargo, el concepto de metalización posterior de mayor uso industrial. Esto es debido principalmente a que es una técnica fácil, económica y, además, presenta ciertas ventajas como la de extracción de impurezas y la generación del efecto conocido como campo superficial posterior (BSF por sus siglas en inglés) [Caballero10, Alamo81]. Este mecanismo se genera cuando el aluminio alcanza la temperatura eutéctica (577 ºC) para la aleación aluminio-silicio, en ese momento la capa líquida de aluminio actúa de sumidero para impurezas del silicio que presentan mayor solubilidad en el aluminio líquido (efecto de gettering). Durante el enfriamiento el aluminio recristaliza y dopa el silicio con átomos de aluminio creando una región p+, denominada BSF, que desemboca en una reducción de las velocidades de recombinación [Muñoz08]. Otra ventaja de la
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capa homogénea de aluminio en la cara trasera de la célula, como se puede ver en la Figura 4-b, es que la luz incidente se ve reflejada, principalmente debido a procesos de reflexión difusa, lo que permite un mayor aprovechamiento de la radiación incidente con unos valores de reflexión óptica interna que alcanzan el 70 – 80 % [Schneiderlochner02].
Figura 4. En la imagen a) se muestra una fotografía de la deformación de una oblea como consecuencia del proceso térmico al que se ve sometida en la creación del contacto posterior. Las dimensiones de la oblea son 125 mm2, 100 µm de espesor y la deformación alcanza 16 mm en su punto más alto [Schneiderlochner02]. En la imagen b) se representa, de forma esquemática, la reflexión óptica interna debida a la capa de aluminio de la cara trasera de una célula solar de silicio cristalino.
La cuestión es entonces cómo mejorar el comportamiento de este contacto, y la respuestas inmediata viene de la mano de la introducción de las capas dieléctricas pasivantes que, además de reducir las velocidades de recombinación, pueden aumentar la captura óptica con la optimización del espesor de estas capas dieléctricas. Sin embargo, y aunque esta aproximación es un enfoque prometedor para alcanzar células de alta eficiencia, requiere resolver el problema tecnológico de abrir aperturas locales en la capa pasivante para conseguir crear el contacto óhmico trasero, es decir, aquel que se produce entre la metalización posterior y la propia oblea de semiconductor. En el ámbito de laboratorio es habitual resolver el problema utilizando técnicas fotolitográficas para abrir los contactos, sin embargo, es bien sabido que esta técnica requiere de muchos pasos de producción y además es muy costosa [Caballero10, Knorz10].
Tanto los inconvenientes que comporta trabajar a temperaturas elevadas, como las desventajas asociadas al uso de etapas fotolitográficas en los procesos de depósito de
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los contactos, pueden resolverse mediante la técnica de Laser Fired Contact [Sterk94], que como se ha introducido, consiste en enterrar aluminio mediante un golpe láser a través de una capa pasivante (Figura 5), de esta forma se pone en contacto el semiconductor y el aluminio formando un contacto puntual. Esta técnica fue desarrollada originalmente en el Instituto de Energía Solar de Friburgo (Fraunhofer ISE) [Schneiderlochner03] tomando ideas provenientes del campo de la microelectrónica [Platakis76, Narajan78, Nakajima83], demostrándose la posibilidad de fabricar células solares con LFC con velocidades de proceso compatibles con la producción industrial, abriendo muy buenas perspectivas de aplicación de este concepto para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos de alta eficiencia.
Figura 5. Dibujo esquemático del proceso láser para contactado posterior mediante Laser Fired Contact
(LFC).
Las ventajas que ofrece esta técnica se pueden resumir en los siguientes puntos [Glunz00] (ver Figura 6):
- Creación de contactos locales a través de aperturas selectivas en las capas pasivantes.
- Debido a la migración de átomos de aluminio, puede crear BSF locales reduciendo la recombinación superficial de la cara posterior y mejorando la calidad del contacto.
- La creación de los contactos locales con esta técnica tiene aplicabilidad en superficies texturadas, hazaña que no se podía conseguir o estaba muy limitada en el caso de máscaras.
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- No requiere de procesos de alta temperatura que degradan la eficiencia de la célula. - Posee más libertad en el patrón de diseño que técnicas comerciales.
- No hay presión mecánica aplicada a la muestra durante la metalización.
- Ofrece la posibilidad de crear contactos más pequeños con una mejor relación de aspecto.
- Aporta una reducción de pasos de fabricación al eliminar el proceso de fotolitografía.
- Es una técnica fácil, rápida y de bajo coste para la fabricación de células.
Sin embargo, para contactar la cara posterior se requieren de 10.000 a 20.000 puntos por célula, con diámetros de contacto en torno a las 100 μm . Para poder ejecutarlos en tiempos característicos de producción (1-3 s). La forma más habitual de ejecutarlos es mediante el empleo de un láser con longitud de onda de 1064 nm [Schneiderlochner03] y un escáner para irradiar a alta velocidad la muestra. Sin embargo, y a pesar de los excelentes resultados reportados, esta técnica láser está muy lejos de la optimización y es por ello que uno de los objetivos de esta Tesis es estudiar la mejora y optimización de dichos contactos láser. Como se verá en este trabajo se propone la optimización del proceso mediante el empleo de fuentes láseres de estado sólido en el rango de nanosegundos [Ortega11].
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Figura 6. Comparación entre un proceso de fabricación de contactos puntuales mediante fotolitografía frente al proceso que implementa LFC, como se aprecia hay una importante reducción de pasos al eliminar el proceso de fotolitografía.
A la luz de los argumentos expuestos hasta ahora se advierte la ventaja competitiva que introducen los contactos LFC en células pasivadas, frente al contacto homogéneo de aluminio y las técnicas fotolitográficas, de ahí que esta técnica despierte tanto interés y sea una aplicación clave de investigación para la reducción de costes en la fabricación y el aumento del eficiencia de dispositivos fotovoltaicos.
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Para finalizar se resumen a continuación las características físicas de los contactos locales creados con láser frente a la técnica comercial de capa homogénea de aluminio (Al-BSF) [Tanner12]:
Tabla 2.Tabla comparativa de las principales características que diferencian un contacto homogéneo de aluminio y los contactos posteriores LFC. Se puede deducir que el contacto LFC en una superficie pasivada presenta mejoras tanto en la reducción de la superfice efectiva de recombinación como en la reflectividad interna y es preferible a un contacto homogéneo de aluminio.