Desenvolvimento de Técnicas de Recristalização de Fitas de Silício para Aplicação Fotovoltaica

A presente tese começa por oferecer uma perspectiva geral da indústria fotovoltaica actual, no que respeita às tecnologias e materiais empregues e seus méritos relativos, em particular do ponto de vista económico, pois o objectivo das tecnologias desenvolvidas é, afinal, a redução dos custos dos sistemas fotovoltaicos, condição essencial ao sucesso desta alternativa energética. Procura-se enquadrar as técnicas desenvolvidas no contexto mais vasto da indústria e demostrar a sua pertinência, evidenciando as limitações das tecnologias convencionais e as vantagens das técnicas de cristalização de silício directamente sob a forma de fitas finas. Apresentam- se para tal exemplos de outras técnicas de sucesso na indústria, que servem de referência e de alguma forma inspiraram o presente trabalho. Os detalhes construtivos e critérios de projecto do presente sistema de recristalização por zona fundida, ZMR (Zone Melting Recystallization), são apresentados no capítulo 2. Neste sistema a zona fundida é obtida por concentração óptica com espelhos cilíndricos elípticos confocais. O processo pode eventualmente ser complementado por aquecimento resistivo da fita. Segue-se, no capítulo 3, uma descrição das principais técnicas de recristalização implementadas, a saber, a recristalização óptica e a recristalização por Zona Fundida Linear (óptico-resistiva), cada uma das quais exploradas em diversas variantes com características específicas. De Sinopse X realçar as variantes de STTRECH (Silicon Tape Thickness Reduction and Crystallization) realizadas em atmosfera oxidante e inerte com aumento de área e correspondente redução de espessura dos materiais recristalizados. São referidas as diversas soluções encontradas para um dos problemas mais importantes nas técnicas de geração de fitas, a estabilização dos bordos, e as dificuldades no controlo dos processos, inerentes ao facto de estes estarem ainda num estágio muito incipiente do seu desenvolvimento. Apresentam-se, no capítulo 4, resultados das medidas da distribuição de temperatura no sistema e efeitos desta na velocidade limite de recristalização. Mostra-se que nos regimes limites de funcionamento ocorrem instabilidades da interface sólido-líquido, como o aumento anómalo da curvatura desta, fusão superficial com transporte de massa e formação de facetas, que condicionam a qualidade das fitas produzidas. Mostram-se também resultados relativos aos transientes de temperatura dos processos. As tensões internas, induzidas nas fitas durante o crescimento, constituem a principal limitação à taxa de produção em todas as técnicas de crescimento vertical e são objecto de estudo no capítulo 5. Dada a complexidade do problema são apenas aflorados, principalmente de forma qualitativa, alguns aspectos considerados pertinentes, dos efeitos da distribuição de temperatura nas referidas tensões e indicadas as propriedades mecânicas do silício relevantes para o efeito. São apresentados resultados de medidas das tensões residuais nas fitas produzidas e possíveis razões para a deformação estrutural observada nas mais finas e largas. Sugerem-se também formas de melhorar a distribuição de temperatura no presente sistema, por comparação com outras técnicas de crescimento de fitas. O efeito de parâmetros de recristalização, como a velocidade e a largura da zona, na distribuição das impurezas nas fitas são evidenciados no capítulo 6, apresentando para tal os princípios básicos da técnica de ZMR. São referidos os efeitos da presença dos contaminantes do silício mais relevantes no trabalho desenvolvido, o oxigénio, o carbono e o azoto, e apresentados resultados relativos à concentração destes nas fitas produzidas, assim como observações dos precipitados que lhes estão associados. Finalmente indicam-se diversos tratamentos térmicos que, embora não tenham sido objecto de estudo no presente trabalho, constituem opções de pós-processamento que já demonstraram notáveis incrementos de qualidade em materiais produzidos por outras técnicas de cristalização. No capítulo 7 analisam-se algumas características morfológicas e microestruturais das fitas produzidas, realçando a qualidade da superfície das fitas de recristalização simples em atmosfera oxidante e os problemas inerentes à camada de óxido nas fitas de STTRECH recristalizadas na mesma atmosfera. Não são esquecidos os defeitos específicos das fitas recristalizadas em atmosfera inerte e, em ambos os casos, são oferecidas Sinopse XI explicações para os mesmos. A respeito da microestrutura são recordados alguns conceitos básicos sobre fronteiras de grão, maclas, falhas de empilhamento e deslocações, mecanismos de geração e efeitos na qualidade dos materiais, sendo dados exemplos destes defeitos nos materiais estudados, incluindo de alguns associados à recristalização superficial e à precipitação de oxigénio. Apresentam-se resultados relativos à dimensão característica de grão e densidade de deslocações nas diversas variantes de recristalização, sugerindo em vários casos, tratamentos térmicos específicos para reduzir a densidade dos defeitos observados. Uma breve referência às propriedades ópticas e eléctricas do materiais recristalizados e da forma como estas são afectadas pelas impurezas e defeitos estruturais, indicados anteriormente, é dada no capítulo 8. O comprimento de difusão dos portadores minoritários é tomado como o principal parâmetro de qualidade dos materiais neste trabalho, pelo que a sua influência no rendimento das células fotovoltaicas é evidenciado, assim como os resultados da suas medidas, pela técnica de resposta espectral, para as diversas variantes de recristalização. São também apresentados parâmetros característicos de células realizadas nos mesmos materiais. Finalmente conclui-se fazendo um revisão crítica das técnicas desenvolvidas, dos principais avanços e inovações, e das características dos materiais produzidos, estabelecendo um critério objectivo de avaliação das referidas técnicas.