Este documento discute a caracterização de wafers de silício monocristalino usados em células solares fotovoltaicas. Ele descreve métodos para medir o tempo de vida dos portadores de carga nos wafers, como variar a espessura dos wafers e passivar a superfície. Os resultados mostram que a passivação da superfície com SiO2 ou iodo-etanol aumenta significativamente o tempo de vida em comparação com wafers não passivados.

2. Índice
1) Introdução
2) Conceitos teóricos
3) Métodos e instrumentos de medida
4) Medidas em wafers de silício
5) Estudo comparativo entre os dois sistemas
6) Conclusão
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3. Introdução
Mono-Si
Multi-Si
Célula PV
convencional
Módulo PV
Wafers c-Si
87,6% das células PV (2010)
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4. Introdução
Material que constitui wafer muito importante na relação custo-eficiência do
sistema PV
Caracterização do material
Tempos de vida
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5. Introdução
Tempos de vida Material de má Decréscimo da eficiência
baixos qualidade Aumento dos custos do
Wp
Identificação e remoção das wafers de má qualidade
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6. Conceitos teóricos
Mecanismos de recombinação
SRH, Auger, Radiativa
Maior fatia de
perdas em
células de c-Si
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7. Conceitos teóricos
Superfície
1 1 1
 
Bulk  eff b s
Superfície
Operações de corte e polimento criam Aumento dos eventos de
novos estados à superfície recombinação à superfície
Diminuição do tempo de vida à
superfície
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8. Conceitos teóricos
Reduzir ao máximo a densidade de estados energéticos à superfície
Passivação da superfície
SiO2 Iodo-Etanol
Região de deplecção positiva repele os buracos da superfície (em p-Si)
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9. Técnicas de medida de tempos de vida em semicondutores
RF-QSSPC e μW-PCD determinam o tempo de vida recorrendo à fotocondutância.
Diferem no tipo de sensor e excitação
WCT-120 Sinton
Sensor RF – correntes induzidas ∝ fotocondutância
Excitação – pulso luz longo com decaimento lento
WT-1000 Semilab
Sensor refletância μW – diferença amplitudes das microondas ∝ fotocondutância
Excitação – pulso luz abruptamente interrompido
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10. Instrumentos de medida - WCT-120 Sinton
Luz branca + filtro passa I.V.
Diâmetro sensor RF: 4 cm
Gerador RF: 13,56 MHz
Wn
 QSS 
d
N ph f abs  W n
dt
Taxa de
fotogeração
W – Espessura da wafer
Δn – Concentração de electrões
em excesso
Nph- Fluxo de fotões
Fabs – Coeficiente de absorção
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11. Instrumentos de medida - WT-1000 Semilab
Laser I.V.
Diâmetro laser: 3 mm
Gerador μW: 10,3 GHz
1
 PCD 
1 d
n
n dt
 t 
n(t )  n(0) exp
 

 PCD 
Após remoção da excitação , o tempo de vida é o tempo t até que Δn(t)=e-1Δn(0)
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12. Medidas de tempos de vida em wafers de silício
1 1 1 Objectivo:
 
 eff b s τeff ≈ τb
Eliminar o efeito das superficies:
1 1 2s
1. Variando a espessura   se s1=s2=s
 eff b W
2. Passivando a superfície
s - velocidade de recombinação à superfície
W - espessura
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13. Medidas em wafers de silício – variação da espessura
Polimento mecânico
 Melhor resultado (40 μm): lixa 80, 400 rpm e 5 min. de polimento
 Reproductibilidade: Amostras partiam ou quantidade de material polido
reduzido (5-10 μm)
Abandonou-se este método
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14. Medidas em wafers de silício – variação da espessura
Polimento químico
(a) Polish
(b) Água do polish
(c) HF
(d) Água do HF
 Polish - 75% de HNO3, 15% de HF e 10% de CH3COOH (polimento)
 HF - remove SiO2 da superfície das amostras
 Águas desionizadas – limpam resíduos dos processos de polish e HF
Apenas alguns min. para polir 30-40 μm
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15. Medidas em wafers de silício - resultados
WCT-120 WT-1000
0.8
Tempo de vida (μs)
0.6
0.4
0.2
0.0
100 150 200 250
Espessura (μm)
WCT-120 WT-1000
8
Tempo de vida (μs)
6
4
2
0
250 270 290 310 330 350 370
Espessura (μm)
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16. Medidas em wafers de silício monocristalino – passivação da superfície com SiO2
Wafer 270 μm espessura
Tempo de vida medido (μs)
WCT-120 WT-1000
sem
1,50 3,00
passivação
com
0,42 0,41
passivação
T set point = 840 °C T real = 895 °C
Espessura SiO2 30 nm Tempo no forno: 30 min.
Tempo no forno: 27 min. Espessura SiO2 50 nm
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17. Medidas em wafers de silício monocristalino – passivação da superfície com SiO2
Tempo de vida medido (μs)
WCT-120 WT-1000
sem
1,50 3,00
passivação
com
0,42 0,41
passivação
Depois do
0,32 0,38
HF
O processamento a altas temperaturas pode levar à
degradação dos tempos de vida da wafer
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18. Medidas em wafers de silício monocristalino – passivação da superfície com iodo-etanol
Wafer 360 μm espessura
Tempo de vida medido (μs)
WCT-120 WT-1000
sem passivação 3,75 5,96
com passivação 12,75 12,09
Iodo 10g
Ambas as superfícies da amostra com
Etanol 99% 100 mL
solução de iodo-etanol
Concentração 0,08 moldm-3
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19. Medidas em wafers de silício monocristalino – estimativa da velocidade de recombinação
à superfície
A. Sem passivação
W
10000
sn 
recombinação à superfície
se τb → ∞
8000 2 eff
Velocidade de
6000
(cm/s)
4000 WCT-120
2000 WT-1000
0
250 300 350 400
Espessura (μm)
B. Após passivação com iodo-etanol
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20. Estudo comparativo entre os dois sistemas – medida de referência
Wafer monocristalina 5 sistemas de μW-PCD
400 μm de espessura Semilab Hungria
2 one-point
3 mapping
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21. Estudo comparativo entre os dois sistemas – medida de referência
Resultados:
Tempo de vida medido (μs)
Lisboa (FCUL) Hungria (Semilab)
Média de todos os
WCT-120 WT-1000 Diferentes sistemas
sistemas
2,14 5,84 4,60 4,34 - 4,80
Boa estimativa feita pelos instrumentos de medida WCT-120 e WT-1000
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22. Estudo comparativo entre os dois sistemas - WCT120 Sinton e WT1000 Semilab
s/ passivação SiO2 Iodo-Etanol
2.5
2.0
+50%
+41%
Diferença dos τeff (μs)
1.5
+37%
1.0
0.5
-2%
0.0
250 270 290 310 330 350 370
-0.5
-5%
-1.0
Espessura (μm)
Fórmula de cálculo da diferença
τeff (Semilab) - τeff (Sinton)
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23. Conclusão
• Os sistemas do lab. da FCUL dão boas estimativas das medidas dos tempos de vida em
mono-Si
• Após passivação da superfície observam-se menores discrepâncias entre os sistemas
• Sem passivação da superfície
Em geral, τeff (WT-1000 Semilab) > τeff (WCT-120 Sinton)
WT-1000 Semilab é o que mais se aproxima do valor de referência
Obrigada pela atenção!
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