Procesos láser en dispositivos fotovoltaicos de silicio en lámina delgada

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1 Asociación Española de Ingeniería Mecánica XVIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA Procesos láser en dispositivos fotovoltaicos de silicio en lámina delgada C. Molpeceres, S. Lauzurica, J.J. García-Ballesteros, M.I. Sánchez, M. Morales, J.L. Ocaña Centro Láser Universidad Politécnica de Madrid Resumen Los procesos láser son hoy en día insustituibles en la fabricación de dispositivos fotovoltaicos. Desde las tecnologías más tradicionales basadas en silicio cristalino, donde se emplea esta herramienta ventajosamente para efectuar los procesos de contacto enterrado o el aislamiento de borde, hasta las más novedosas de lámina delgada (bien sean basadas en Si, CdTe ó CIS) donde los láseres juegan un papel fundamental en la interconexión monolítica y en la eliminación de borde antes del encapsulado, la tecnología láser ha demostrado su carácter de herramienta imprescindible en la fabricación de células y módulos fotovoltaicos de última generación. Por otra parte, la aparición de nuevas fuentes láser, con menor anchura de pulso, mayor estabilidad y mejor calidad de haz hacen que su potencial uso en fabricación permita adivinar un futuro cercano con una mayor eficiencia y una importante reducción de costes de fabricación de estos dispositivos. En este trabajo se presentan los últimos avances en este ámbito desarrollados por el Centro Láser de la Universidad Politécnica de Madrid. Este centro ha contribuido, en colaboración con otros organismos públicos y empresas nacionales, a la consecución de auténticos hitos en el ámbito fotovoltaico nacional, como la obtención del primer módulo de silicio amorfo con tecnología íntegramente española (en colaboración con el CIEMAT). También en el ámbito de los dispositivos de heterounión se han desarrollado técnicas de contacto puntual con láser y desarrollo de contactos frontales mediante técnicas de transferencia de material con láser de forma pionera en nuestro país, habiéndose desarrollado una importante labor de transferencia de tecnología no solo a la industria fotovoltaica sino también al sector de máquina herramienta que ve en este tipo de procesos un nicho de mercado futuro de gran importancia Además, en este trabajo se presentan los últimos desarrollados efectuados en caracterización de procesos mediante técnicas ópticas. Estas técnicas, tal y como se discute en el presente trabajo, abren las puertas a la regulación y control de procesos láser para dispositivos fotovoltaicos en entorno industrial. INTRODUCCIÓN Las técnicas láser son insustituibles en alguno de los procesos críticos de fabricación de dispositivos fotovoltaicos. Desde hace algunos años, el corte por láser de silicio cristalino y policristalino, las técnicas de aislamiento de borde (Laser Edge Isolation) y los contactos enterrados por láser en células de silicio cristalino (Laser Buried Contact) son procesos habituales en producción de células cristalinas. En las tecnologías basadas en lámina delgada, tanto en dispositivos de estructura p-i-n como de heteroestructura, las técnicas láser adquieren un papel todavía de mayor relevancia y de claro carácter estratégico. En concreto, las técnicas de ablación láser en módulos de lámina delgada (laser scribing) han demostrado ser las más eficaces, e industrialmente más favorables, para los procesos de interconexión monolítica de estos dispositivos; mientras que en los dispositivos de heterounión, las nuevas técnicas de contacto con láser (mediante contacto puntual o con micro-sinterizado), abren nuevas expectativas en la mejora de la eficiencia de estos dispositivos Sin embargo, el carácter estratégico en fabricación de estos procesos hace que el acceso a su conocimiento tanto básico como práctico sea muy restringido, quedando las empresas empleadoras de la tecnología con fuerte dependencia de suministradores de equipo o desarrollos con fuerte protección intelectual e industrial. Una

2 C. Molpeceres et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 2 situación ilustrativa es la de sistemas de ablación láser para interconexión monolítica de módulos de lámina delgada. La tecnología láser se aplica en estos dispositivos como la forma de subdividir la célula única obtenida en el depósito de silicio en un conjunto de células independientes. Éstas, posteriormente, deben conectarse eléctricamente en serie por medio de nuevas combinaciones de ablación láser de capas y nuevos depósitos que en su conjunto permitan, según cada caso, dividir, conectar y aislar eléctricamente las capas de dichas células. De este modo, la combinación de las técnicas de depósito de láminas delgadas (OCT, silicio y contactos) y el procesado láser permite obtener estructuras monolíticas, esto es, módulos fotovoltaicos elaborados en una única línea de fabricación y sin distintas partes que ensamblar Limpieza Depósito OCT Ablación dir. OCT Depósito Silicio (PE/HWCVD) Laser Scribing Depósito OCT + Metal Laser Scribing Laser Scribing Contactos + Encapsulado Fig. 1: Secuencia de fabricación de un módulo de lámina de silicio delgada. Como se observa la presencia de procesos láser es imprescindible en el proceso de definición del dispositivo. El papel clave comentado de de las tecnologías láser en el ámbito fotovoltaico se ve reflejado en que algunos autores consideran que la herramienta láser aparece como elemento estratégico para la consecución de dispositivos en capa delgada, hasta el punto de condicionar temas habitualmente dejados a criterios puramente electrónicos, como disposición y espesor de lámina, a los resultados obtenidos con las técnicas de procesado láser. Así, referencias tan relevantes en este ámbito como SANYO (que con su producto de heterounión HIT mantiene aproximadamente el 5% del mercado fotovoltaico mundial), dedican un esfuerzo preferente al desarrollo de nuevas tecnologías de producción de dispositivos con técnicas láser [1]. Por otro lado, las técnicas láser también se emplean ventajosamente en el desarrollo de dispositivos de heterounión. En concreto, el uso de fuentes láser ha permitido un avance espectacular en los últimos años en el desarrollo de técnicas de contacto y pasivación. Entre ellas, las más prometedoras han sido las de contacto puntual con láser (laser firing) y, más recientemente, las de microsinterizado láser para desarrollo del contacto frontal, técnicas ambas en las que las contribuciones del Instituto Fraunhofer de Energía Solar de Friburgo (ISE), y la enorme red de Centros de Investigación en Tecnología Láser en Alemania, han sido decisivas [2]. Con esta perspectiva, este trabajo muestra la labor desarrollada en los últimos años por el Centro Láser de la UPM para introducir de forma eficaz las técnicas láser necesarias en la industria fotovoltaica española. Para ello ha sido imprescindible contar con la colaboración mantenida todos estos años con los grupos más distinguidos en el desarrollo de tecnologías de materiales fotovoltaicos en nuestro país, especialmente las basadas en silicio amorfo (a-si). Sin ninguna duda este trabajo ha sido posible al esfuerzo conjunto con los grupos de fotovoltaica del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), de la Universidad de Barcelona (UB) y de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC). Lo que se muestra a continuación es un resumen, presentado por áreas de aplicación, de las técnicas láser que ha sido posible desarrollar y que están en fase de transferencia a la industria en la actualidad en el ámbito concreto de las tecnologías fotovoltaicas basadas en silicio amorfo, tanto en módulos estrictamente de lámina delgada como en dispositivos de heterounión. SISTEMAS EXPERIMENTALES Y TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN En los procesos que se van a mostrar a continuación se han utilizado fundamentalmente láseres de estado sólido bombeado por diodos (DPSS), trabajando en sus tres primeros armónicos (longitudes de onda de 1064nm, 532

3 Procesos láser en dispositivos fotovoltaicos de silicio en lámina delgada 3 nm y 355nm respectivamente) y anchos temporales de pulso en el rango de los ns y ps. Como sistemas de irradiación y manipulación de muestras se han utilizado diferentes sistemas, en su mayor parte diseñados por el propio Centro Láser de la UPM, con áreas planas de proceso del orden de 100mm x100mm y precisiones en el rango de 1µm en todo el área. Los sistemas de irradiación considerados permiten trabajar tanto en punto focal (con tamaños mínimos de mancha focal del orden de 1 µm) como con escáneres que posibilitan altas velocidades de proceso (hasta 12 m/s) aun a costa de utilizar manchas focales considerablemente mayores (40 µm). Fig. 2: Sistema de irradiación láser para procesado de materiales fotovoltaicos equipado con una fuente láser Spectra Physics HIPPO emitiendo a 532 y 355 nm. El equipo integra escáneres (visibles en la figura en primer término) con recubrimientos antirreflejantes para cada una de las longitudes de onda consideradas. Como sistemas de caracterización se han utilizado técnicas de microscopía confocal de barrido con láser, microscopía interferométrica, microscopía electrónica de barrido (SEM), espectrometría dispersiva de rayos (EDX), espectrometría por transformada de Fourier (VIS-IR FT) y medida eléctrica de cuatro puntas. 5.8 m Fig. 3. Imagen de un surco de ablación selectiva en un óxido conductor transparente (OCT) de interés fotovoltaico (ZnO:Al) efectuado a 355 nm y caracterizado mediante microscopia confocal de barrido con láser. Se muestra el perfil transversal del surco y la imagen 3D reconstruida, donde son evidentes las alteraciones morfológicas en el borde del surco y la proyección de material a los lados del mismo. PROCESOS DE INTERCONEXIÓN MONOLÍTICA EN MÓDULOS DE LÁMINA DELGADA Posiblemente de todas las técnicas láser aplicadas en industria fotovoltaica el proceso de interconexión monolítica en tecnologías de a-si sea el más importante (por falta de procesos alternativos y por nicho de mercado para los fabricantes de dispositivos). Actualmente se fabrican dos tipos de configuraciones de lámina delgada, una en la que la luz entra a través del substrato (vidrio) y atraviesa la estructura del dispositivo que es, en este orden, el substrato, un óxido conductor transparente (OCT), la estructura semiconductora (sándwich p-i-n de a-si) y el contacto posterior (normalmente un metal o metal + OCT), denominada habitualmente configuración de superestrato y que es la normalmente empleada en dispositivos comerciales. Sin embargo la

4 C. Molpeceres et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 4 posibilidad de emplear substratos flexibles, aunque opacos, es de gran interés para la industria fotovoltaica aunque en ese caso la luz entra a través del contacto frontal (en este caso un OCT) y le proceso de interconexión monolítica se complica notablemente. Fig. 4. Estructura de lámina delgada de a-si en configuración de substrato y superestrato (izqda.) junto con los tres pasos de interconexión monolítica por láser (esbozados a la dcha.) En la actualidad las técnicas de depósito permiten abordar áreas muy grandes de dispositivo (de varios m 2 ) pero la configuración de lámina delgada limita la extracción de corrientes tan grandes por lo que es necesario dividir el dispositivo en células que se aíslan primeramente y después se conectan en serie mediante procesos de ablación selectiva con láser que se realizan después del depósito de cada material. El problema implicado representa eliminar selectivamente capas de unos centenares de nanómetros sobre otras de espesor similar sin dañar las subyacentes, con anchos de línea entorno a las 40 micras, sin afectación térmica de los bordes y todo ello a velocidades de proceso de varios m/s. El problema, uno de los más complejos a los que ha dado solución la tecnología láser, se realiza para dispositivos en configuración de substrato con un primer proceso de ablación del OCT que hace de contacto frontal en IR o UV (denominado paso P1), seguido con dos pasos más de eliminación de la estructura de silicio y del contacto frontal (pasos P2 y P3 de interconexión) que se realizan habitualmente en verde (532 nm) para aprovechar la fuerte absorción del silicio a esa longitud de onda. Es también habitual al final del proceso de fabricación efectuar un proceso a más energía que delimite todo el borde del dispositivo (P4) para evitar los cortocircuitos de borde generados en el depósito sucesivo de las capas de material [3-7]. Fig. 5. Esquema de interconexión en configuración en configuración de superestrato e imagen de microscopía óptica de los tres surcos de ablación ejecutados por el Centro Láser de la UPM en un módulo de a-si de más de un 7% de eficiencia. El centro láser de la UPM ha desarrollado, en colaboración con el CIEMAT, procesos optimizados de interconexión utilizando láseres en el rango de los ns que han llevado a la fabricación de los primeros módulos

5 Procesos láser en dispositivos fotovoltaicos de silicio en lámina delgada 5 de a-si ejecutados con tecnología íntegramente española, y que muestran eficiencias superiores al 7%, lo que es comparable a las figuras que ofrecen los mejores módulos comerciales accesibles en mercado. Fig. 6. Curvas IV para las diferentes asociaciones de células del módulo de ocho células mostrado a la dcha. e interconectado con láser por el Centro Láser de la UPM. Este módulo, con una eficiencia del 7,1 % y desarrollado en el marco del Proyecto Singular y estratégico Microsil08, supone un auténtico hito en el desarrollo de tecnologías fotovoltaicas en nuestro país. Por otro lado, el Centro Láser de la UPM es pionero en el estudio de la interconexión monolítica con láser en configuración de substrato (caso en el que todos los procesos hay que hacerlos por el lado de la lámina), y en la actualidad está en disposición de abordar la tarea de contactar dispositivos en dicha configuración. Como ejemplo se muestran los resultados obtenidos para la ejecución de un proceso P3 (ablación selectiva de capa de OCT sobre silicio) en una muetsra de ZnO:Al sobre una estructura p-i-n de silicio amorfo. La calidad morfológica del surco y la ausencia de OCT en el surco de ablación tal y como muestran los resultados de EDX, hacen de estos resultados francamente prometedores para sus uso en dispositivos finales Fig. 6. Ablación selectiva para tercer paso de interconexión en configuración de substrato. Se muestran resultados para láseres de ns (izqda.) y ps (dcha.). Los perfiles de EDX junto con las imágenes de SEM (arriba) muestran la eliminación total del OCT sobre las capas de silicio. Los perfiles y las imágenes 3D confocales muestran una morfología óptima del surco para ejecutar el proceso sobre dispositivo. PROCESOS EN DISPOSITIVOS DE HETEROUNIÓN Con el fin de mejorar el rendimiento de las células de heterounión de capa fina, el Centro Láser de la UPM también está llevando a cabo estudios para la creación de contactos puntuales mediante la técnica de LFC (Laser Fired Contact) y generación de contactos frontales aunando técnicas de transferencia de material con láser (LIFT) y microsinterizado láser [8].

6 C. Molpeceres et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 6 El objetivo del desarrollo de contactos puntuales con láser (LFC) es mejorar las prestaciones del contacto posterior en células solares mediante alternativas fáciles de implementar en la industria. El proceso consiste en enterrar aluminio mediante un golpe láser a través de una capa pasivante, de esta forma se pone en contacto el semiconductor y el aluminio formando un contacto puntual. El aluminio impurifica y hace al silicio tipo p+, por lo que debido a la distribución de cargas aparece un campo eléctrico entre las regiones p y p+ (efecto BSF Back Surface Field) que ayuda a reducir la recombinación en el contacto posterior y al mismo tiempo permite formar un buen contacto óhmico. Las muestras utilizadas en este trabajo han sido obleas de silicio cristalino dopado p (c-si(p)) en el que se ha depositado una capa de Carburo de Silicio (SiCx) mediante PCEVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) en ambas caras de la oblea y con contacto posterior de Al (2µm de espesor) depositado por evaporación catódica. Fig. 6. Esquema del sistema de irradiación de muestras para el contacto puntual (izqda.) y detalle de la estructura de las muestras utilizadas (dcha.) En la siguiente figura se observa la morfología de los mejores contactos obtenidos a diferentes potencias, en los que se garantiza presencia de Al en el fondo del surco generado y, por lo tanto, un muy buen contacto ohmico entre metal y semiconductor a través de la capa pasivante. Con este proceso aplicado a muestras de launiversidad Politécnica de Cataluña, se han conseguido células de heterounión con eficiencias superiores al 20%, y se espera llegar a la anualidad de 2010 a superar el rango del 22%. LFC Al-SiC x 20 KHz N=2 pulsos por punto Profundidad del perfil ( m) W W W W 1.36 W m 6.4 m 41.2 m 6.1 m 36.2 m 5.4 m 36.4 m 4 m 22.1 m 0.2 m Distancia Horizontal ( m) Fig. 7: Imágenes Confocales de LFC a diferentes potencias láser para muestras con Al:SiCx. A la derecha se muestran perfiles con la profundidad de los surcos a diferentes potencias de irradiación (532nm, 20KHz, 2 pulsos por punto).

7 Procesos láser en dispositivos fotovoltaicos de silicio en lámina delgada 7 Por otra parte también se han desarrollado proceso láser para la mejora de los contactos frontales en este tipo de célula, con objeto de sustituir los procesos tradicionales de serigrafiado que se hacen en la actualidad. El objetivo es depositar líneas muy finas de material metálico (anchuras inferiores a 100 μm con alturas en el orden de las 30 μm) para luego sinterizarlas mediante procesos térmicos convencionales como RTA (Rapid Thermal Annealing) o mediante también la irradiación con fuentes láser. De esa forma se consigue disminuir el área metalizada en la célula reduciendo así las pérdidas por sombra, disminuir la resistencia de contacto y mejorar el proceso de extracción de carga con la consiguiente mejora en eficiencia del dispositivo. Para tal fin el Centro Láser de la UPM ha adaptado un proceso de transferencia de material con inducido por láser (LIFT, Laser Induced Forward Transfer) con este método se puede transferir material y dibujar patrones con un alto grado de resolución espacial, esta técnica focaliza los pulsos láser para transferir y depositar pequeños volúmenes de material desde una lámina precursora hacia la superficie del sustrato aceptor [20]. El proceso consiste en focalizar el láser en una lámina precursora transparente, en la que previamente se ha depositado la pasta conductora, la incidencia del pulso láser transfiere la pasta en el sustrato receptor. Fig. 8: Presentación conceptual del proceso de transferencia de material con láser mediante técnicas LIFT para la generación de contactos frontales (izqda.) y fotografía de una línea de Ag depositada por dicha técnica sobre silicio texturado en el Centro Láser de la UPM. La siguiente figura muestra imágenes SEM y análisis por EDX de una sección transversal de las muestras depositadas, donde se aprecia claramente la geometría óptima de la línea 30μm Fig. 9: Imagen SEM (izqda.) y análisis con EDX (centro y dcha.) de una pasta de Ag transferida con láser en visible (λ=532 nm, P=0,35 W, frec.= 20 KHz y v=2 m/s) En la actualidad se está en fase de optimización del sinterizado del material depositado para hacer una evaluación final de la viabilida de la técnica propuesta para su uso industrial. APROXIMACIONES AL PROBLEMA DE CONTROL DE PROCESOS Como último ejemplo de los procesos que han sido desarrollados en el Centro Láser de la UPM para su

8 C. Molpeceres et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 8 aplicación en fotovoltaica se consideran estudios orientados al control y regulación de los proceso láser en producción. En concreto la caracterización de la zona afectada térmicamente en el material durante el proceso de ablación selectiva para la interconexión monolítica en dispositivos p-i-n de a-si, abre la puerta a la definición de una variable característica, una longitud de afectación térmica, que parece una variable óptima para la regulación y control de dicho proceso. Para llegar a tal conclusión fue necesario caracterizar ópticamente la zona afectada térmicamente, lo que se hizo mediante técnicas de espectroscopia Raman y espectrometría VIS-IR FT. Estas técnicas combinadas permiten evaluar el grado de afectación del material a diferentes distancias del borde del surco de ablación, bien sea viendo la variación de índice de refracción (espectrometría FT) o bien el cambio en fase cristalina del material (técnicas Raman). Con un ajuste adecuado de los parámetros geométricos del pulso a esos resultados, es posible extraer una longitud característica de afectación que podría determinarse en tiempo real en producción y utilizarse como variable de control. Los detalles concretos del procedimiento exceden al ámbito de este trabajo pero pueden encontrarse con todo grado de detalle en la referencia de los autores Fig. 10: variación del índice de refracción frente a la distancia al borde del surco de ablación (izqda.) y ajuste con los parámetros de haz gaussiano de la fuente láser para la determinación de la variable de control Δd, que representa una longitud característica de afectación térmica De esta forma sería posible efectuar regulación del proceso en cuanto a irradiación láser se refiere tanto en el paso P3 o en el P2 como se muestra en el esquema adjunto. Limpieza Glass Cristal cleaning 1 Sputtering Sputtering TCO TCO 2 Láser Laser 3 Depósito Si deposition Si 4 P1 PIN Láser Laser 5 TCO+Al 6 Láser 7 P2 SputteringTCO + Laser P3 Contactos Contacts 8 Encapsulado 9 Test 10 SP3 Encapsulation SP2 Substrato Substrate (Glass) - Vidrio OCT TCO PIN a Si:H a-si:h Ag/Al y/o Al EVA, PVB, PTU Vidrio o Tedlar Fig. 11: Esquema del bucle de regulación de procesos láser en interconexión monolítica a partir de la determinación, mediante técnicas ópticas, de la zona afectada térmicamente alrededor de los surcos de ablación CONCLUSIONES En lo últimos años el Centro Láser de la UPM ha puesto a punto una serie de procesos basados en tecnologías láser y orientados a la industria fotovoltaica que han permitido, en colaboración con otros centros públicos,

9 Procesos láser en dispositivos fotovoltaicos de silicio en lámina delgada 9 transferir al entramado industrial español de dicho ámbito desarrollos punteros que les situen en mejor posición competitiva en este mercado. Procesos de interconexión monolítica, contacto puntual con láser o desarrollo de contactos frontales son algunos de los más significativos y que han llevado a la consecución de auténticos hitos en el ámbito fotovoltaico español, como la definición de dispositivos de lámina delgada basados en a-si:h, íntegramente desarrollados en centros públicos de nuestro país, con figuras de mérito equiparables a los de los laboratorios de referencia en este ámbito en todo el mundo. AGRADECIMIENTOS Vaya el agradecimiento de los autores a las entidades que han colaborado en estos últimos seis años en el desarrollo de las tecnologías fotovoltaicas en los que los procesos láser aquí desarrollados encuentran aplicación, en especial a los grupos de fotovoltaica del CIEMAT, Universidad de Barcelona y Universidad Politécnica de Cataluña. Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el MICINN a través del proyecto del Plan Nacional de I+D+i CLÁSICO y del Proyecto Singular y Estratégico MICROSIL08 PSE con financiación FEDER. REFERENCIAS [1] W. Shinohara et al. Proc. SPIE 6107 (2006), 61070J J18 [2] E. Schneiderlöchner. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, (1): p. 29. [3] B. Rech, et al. Appl. Phys. A 69, (1999) [4] S. Golay, et al, Proc. of the 16th EU Photovoltaic Solar Energy Conference, Glasgow, [5] S.R. Praschek, et al, Photovoltaic specialists conference, in: Conference Record of the Twenty Second IEEE 1991, vol. 2, 1991, [6] H.J. Booth, Thin Solid Films (2004) [7] C. Molpeceres, et. al, J. Micromech. Microeng. 15 (2005) [8] C. Molpeceres, et al. Materials Science and Engineering: B. Volumes , 15 March 2009, Pages [9] S. W. Glunz, et al. 21st European Photovoltaic Solar Energy. September [10] C. Molpeceres et al. Proc. SPIE/Volume 7202 (2009) R-10 (2009); doi: /