Fuente: pv-manufacture.org
La industria fotovoltaica se basa en obleas de silicio multicristalino y monocristalino para fabricar células solares. Juntos representan casi el 90% de todo el material de sustrato de obleas utilizado en la industria. Debido a las diferentes orientaciones de los granos dentro de la misma oblea, el grabado alcalino no se puede usar para texturizar el silicio multicristalino, ya que esto daría como resultado una textura no uniforme en la superficie ya que los diferentes granos se graban a diferentes velocidades. Las obleas de silicio monocristalino con orientación [100] son el tipo más común de oblea monocristalina en la industria porque se puede texturizar fácilmente usando un grabador alcalino, por ejemplo KOH. El silicio cristaliza en una celosía cúbica de diamante (dos celosías cúbicas interpenetrantes centradas en las caras) y se muestra en la Fig. 1. Las líneas azul, verde y roja en la Fig. 1 representan [100], [110] y [111] aviones, respectivamente.
Figura 1Representación de la celosía cúbica de diamante de un cristal de silicio y la representación de los diferentes planos indicados por líneas de colores.
Figura 1Representación de la celosía cúbica de diamante de un cristal de silicio y la representación de los diferentes planos indicados por líneas de colores.
Los grabadores alcalinos graban las superficies de silicio [100] mucho más rápido que las superficies de silicio [111], que es la base del proceso de grabado anisotrópico utilizado para hacer la textura piramidal. La principal diferencia entre el grabado de daños por sierra y el texturizado es la tasa de grabado. Para aumentar la anisotropía del proceso, la velocidad de grabado debe ser baja, es decir, 2 µm / min o menos. Para lograr tasas de grabado más bajas, se puede bajar la temperatura del proceso y / o disminuir la concentración del grabador. Por ejemplo, una receta típica de texturizado que usa una concentración de KOH del 1-2% (en comparación con una concentración del 30-40% en la eliminación de daños por sierra) a 70-80 ° C. El resultado es una superficie poblada con pirámides cuadradas aleatorias donde los lados están formados por planos [111] y la base es el plano [100]. Esto se muestra en la Fig. 2. En realidad, las pirámides grabadas no son tetraedros cuadrados perfectos con un ángulo de base, a, de 54,74 °. Para la mayoría de los procesos industriales de texturizado, a está entre 49 y 53 °. Esto se debe a que la punta de la pirámide está grabada durante más tiempo.
Figura 2Pirámides cuadradas al azar en la superficie de silicio. El borde de la base es de 5-6 µm.
La solución de texturización también incluye isopropanol (u otro aditivo industrial). El isopropanol actúa como un surfactante que mejora la humectación de la superficie y asegura que H2el gas (liberado por el grabado) no se adhiere a la superficie. Si no se usa isopropanol, se pueden formar "montículos" redondos debido a H2burbujas que bloquean la velocidad de grabado en la superficie. El isopropilo reduce la tensión superficial y permite que H2burbujas para soltar de la superficie más fácilmente.
Hay muchos factores que contribuyen a la calidad del texturizado:
El resultado de la textura depende de la superficie inicial.
El proceso es sensible a la presencia de silicatos residuales del grabado del daño de la sierra.
El equilibrio entre la nucleación de la pirámide y la destrucción de la pirámide.
El grabado excesivo puede provocar la destrucción de las pirámides.
La evaporación del isopropanol ocurre después de que la temperatura del baño alcanza los 90 ° C.
El isopropanol tiene una función humectante: evita que las burbujas de H2 se adhieran a la superficie.
La ventilación es importante, pero puede afectar la velocidad de evaporación del isopropanol.
Las duraciones típicas del proceso son de 15 a 20 minutos, por lo tanto, se debe controlar la velocidad de evaporación.
Circulación de lotes: burbujeo de N2puede ayudar a mantener bien mezclados los componentes del baño.
La textura correcta es importante porque la textura de la superficie está directamente relacionada con la capacidad de la célula solar para recolectar luz y generar corriente. Texturizar las superficies mejora la corriente de la celda a través de tres mecanismos distintos.
La reflexión de los rayos de luz de una superficie inclinada a otra mejora la probabilidad de absorción.
Los fotones refractados en el silicio se propagarán en ángulo, aumentando su longitud de trayectoria efectiva dentro de la celda, lo que a su vez aumenta la posibilidad de generación de pares de electrones y huecos.
Los fotones de longitud de onda larga reflejados desde la superficie trasera se encuentran con una superficie de silicio en ángulo, lo que mejora la posibilidad de reflejarse internamente (atrapamiento de luz)
Una buena textura debería conducir a una menor reflectividad para todo el rango de longitud de onda visible.
En la Fig. 6, se representa gráficamente la diferente reflectividad para diferentes tiempos de grabado en función de la longitud de onda. Para una textura óptima, el tamaño de las pirámides debe ser de 3-10 µm (tamaño del borde en la base) y la cobertura de la superficie debe ser cercana al 100%.
