Lifetime measurements
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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.
Lifetime measurements
- 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 2
- 3. Introdução Mono-Si Multi-Si Célula PV convencional Módulo PV Wafers c-Si 87,6% das células PV (2010) 3
- 4. Introdução Material que constitui wafer muito importante na relação custo-eficiência do sistema PV Caracterização do material Tempos de vida 4
- 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 5
- 6. Conceitos teóricos Mecanismos de recombinação SRH, Auger, Radiativa Maior fatia de perdas em células de c-Si 6
- 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 7
- 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) 8
- 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 9
- 10. Instrumentos de medida - WCT-120 Sinton Luz branca + filtro passa I.V. Diâmetro sensor RF: 4 cm Gerador RF: 13,56 MHz Wn 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 10
- 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) 11
- 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 12
- 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 13
- 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 14
- 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) 15
- 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 16
- 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 17
- 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 18
- 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 19
- 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 20
- 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 21
- 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) 22
- 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! 23