Diseño óptimo y realización de celdas solares de silicio para producción industrial. Estado del arte de la investigación en México
A. Morales-Acevedo
CINVESTAV, IPN Departamento de Ingeniería Eléctrica. Avenida IPN No. 2508, 07360, México, D.F., Mex. e-mail: amorales@gasparin.solar.cinvestav.mx.
Recibido el 26 de febrero de 04. ]]> Aceptado el 17 de mayo de 04.
Resumen
Mostramos aquí el trabajo que el autor y su grupo han desarrollado a lo largo de varios arios para el diseño y realización de celdas solares de silicio con emisores selectivos factibles de fabricarse en ambientes industriales. La metodología de diseño de las celdas solares se basa en la solución de las ecuaciones de transporte de carga en dispositivos semiconductores, tomando en cuenta la variación de movilidades y tiempos de vida en regiones con impurificación no uniforme (perfil tipo Gaussiano como se obtiene a partir de procesos de difusión o de implantación iónica), y fenómenos tales como la recombinación Auger y la reducción de banda prohibida en silicio altamente impurificado. Igualmente, se desarrolló un programa de computadora para el diseño del enrejado colector de corriente, tomando en cuenta el flujo lateral de corriente en el emisor, así como las limitaciones debidas a la tecnología de fabricación de los dedos colectores de corriente. Además, se cuenta con un programa que permite optimizar el espesor de capas antireflejantes múltiples, dado el índice de refracción respectivo, dependiendo del método de obtención de las mismas. También se describen los procesos que se requieren para hacer celdas solares de silicio, así como diversos experimentos que nos han permitido mejorar la eficiencia de conversión de este tipo de dispositivos. Por ejemplo, se han depositado capas de nitruro de silicio por la técnica de depósito en fase vapor ayudado por plasma (PECVD) a partir de SiH4/NH3, y se han optimizado las condiciones de depósito para lograr la pasivación de estados de superficie en el emisor, al mismo tiempo que actúe como capa antireflejante óptima. Igualmente, se muestra la realización de un nuevo proceso de aleación de aluminio en la parte posterior que causa un incremento de más del 20 % en la eficiencia de conversión respecto a celdas realizadas con técnicas convencionales, debido a efectos de gettering de impurezas metálicas. También se muestra el diseño y obtención de una doble capa antireflejante óptima sobre celdas solares de silicio en base a TiO2/SiO2.
Descriptores: Celdas solares; silicio; energía fotovoltaica.
Abstract
We present here the work that the author and his group have developed during several years for the design and fabrication of silicon solar cells with selective emitters with potential for industrial production. The solar cell design methodology is based on the solution of the carrier transport equations in semiconductor devices, taking into account the variation of mobility and lifetime in non-uniformly doped regions (Gaussian profiles as obtained from diffusion or ion implantation processes), and phenomena such as Auger recombination and bandgap shrinkage in highly doped silicon. A computer program was also developed for the design of the metal grid, taking into account the lateral flux of current in the emitter, and also the technological limitations for the fabrication of the grid fingers. In addition, another computer program was developed for optimizing the thickness of anti-reflection layers, given the index of refraction, in order to have a complete set of programs for the design of silicon solar cells. We describe the processes required for making the silicon solar cells, and several experiments that have allowed the improvement of the conversion efficiency of this kind of solar cells. For example, silicon nitride layers were deposited by Plasma Enhanced Vapor Deposition (PECVD) from SiH4/NH3, and the deposition conditions were optimized for achieving surface state passivation at the emitter, and at the same time working as optimal anti-reflection layer. Similarly, a new process of aluminum alloying at the back of the cells was added to cell fabrication, leading to an increase in the efficiency by more than 20 % with respect to cells made by conventional processes, due to effects of metallic impurity gettering. Finally, the benefit due to an optimum double anti-reflection layer TiO2/SiO2 is also shown.
Keywords: Solar cells; silicon; photovoltaic energy.
]]> PACS: 84.60.Jt; 85.30.De; 89.30.Cc
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