Le innovazioni di processo per il silicio cristallino

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1 Le innovazioni di processo per il silicio cristallino Luca Serenelli M. Tucci, S. De Iuliis, M. Izzi, L. Pirozzi, A. Mittiga ENEA- C.R. Casaccia PV ROME Mediterranean 2010 Roma 10 Settembre 2010

2 Outline Mercato del Silicio Cristallino (c-si) Stato dell arte per celle in c-si Innovazioni di processo per celle in c-si Innovazioni in sviluppo in ENEA Casaccia Conclusioni

3 Suddivisione del Mercato PV per tecnologia Produzione mondiale % 6.1% Market share 100 altro: 0.9% CIS: 1.7% CdTe: 9% 90 a-si: 6.1% 80 Ribbon-Si 1.4% Mono-Si 34.1% Poly-Si 46.9% 34.1% Fonte: Photon 46.9% 9% 1.7% 0.8% mc-si c-si ribbon a-si CdTe CIS altro Year Le celle basate su silicio cristallino coprono più dell 80% Nel 2008 era l 85%. Sono cresciute le quote di mercato di a-si e CdTe

4 c-si vs Thin Film Abbondante sulla Terra (sotto forma di quarzo) Non tossico Elevata reperibilità e stabilità Costo elevato c-si vs Nuove soluzioni (grado di purezza-spessore-innovazioni di processo) Le innovazioni di processo sono un mezzo per abbassare il costo dell energia energia prodotta da PV con le celle in silicio cristallino Thin Film Meno materiale attivo, meno energia di produzione Moduli estesi e flessibili Costi ridotti Efficienze ridotte Poca industrializzazione Elementi pericolosi (Cd) Ridotta disponibilità di materiali (In, Te)

5 c-si: stato dell arte Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF

6 c-si: stato dell arte Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF

7 c-si: stato dell arte Pulizia e testurizzazione wafer Texturing Alcalino (anisotropico) Ottimo per c-si monocristallino KOH o NaOH ed alcool isopropilico in soluzione acquosa 10 µm

8 c-si: stato dell arte Pulizia e testurizzazione wafer Texturing Alcalino (anisotropico) Ottimo per c-si monocristallino KOH o NaOH ed alcool isopropilico in soluzione acquosa 10 µm Texturing Acido (isotropico) Necessario per c-si multicristallino HNO3, HF, ed additivi

9 c-si: stato dell arte Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF

10 c-si: stato dell arte Formazione dell emitter emitter Diffusione open tube a) Predeposizione del drogante sulla superficie della fetta b) Drive-in: gli atomi di P diffondono nel wafer T: C; flusso N 2 e O 2 POCl 3 a 25 ºC Aspirazione Tubo di quarzo Navicella Wafers di silicio Termostato Flussimetri di massa N 2p Azoto portante Gas di trasporto Gas reattivo O 2 N 2 Ar Gas diluente

11 c-si: stato dell arte Formazione dell emitter emitter Diffusione open tube a) Predeposizione del drogante sulla superficie della fetta b) Drive-in: gli atomi di P diffondono nel wafer T: C; flusso N 2 e O 2 POCl 3 a 25 ºC Aspirazione Tubo di quarzo Navicella Wafers di silicio Termostato Flussimetri di massa N 2p Azoto portante Gas di trasporto Gas reattivo O 2 N 2 Ar Gas diluente Spray-on e Nebulizzazione C caricamento Predeposizione Firing

12 c-si: stato dell arte Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF

13 c-si: stato dell arte Passivazione ed antiriflesso Deposizione Nitruro di Silicio open tube, CVD, PECVD, LPCVD

14 c-si: stato dell arte Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF

15 c-si: stato dell arte Contatti metallici e BSF Serigrafia di paste metalliche disegno del telaio (emulsione) Argento-Griglia Frontale Alluminio pieno posteriore -BSF Asciugatura Firing(sintering) del contatto C, forno a nastro IR BSF=Back Surface Field Un campo elettrico sul retro della cella fotovoltaicache migliora le prestazioni del dispositivo. L alluminio diffondendo nel silicio di tipo p crea questa zona.

16 c-si: stato dell arte Efficienze medie di produzione su silicio di tipo p secondo lo stato dell arte Da migliorare: - Materiale - Testurizzazione - Emitter - Passivazione - Metallizzazione % su multi % su mono Diverse innovazioni di processo sono state studiate nei laboratori ri di tutto il mondo, molte già industrializzate o in fase di pre-industrializzazione

17 c-si: innovazioni Due modi di superare lo stato dell arte 1) Migliorare con nuovi tipi di processo ogni singolo step Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF 2) Orientarsi verso altri tipi di architettura/tecnologia

18 c-si: innovazioni di processo Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF

19 c-si: innovazioni di processo Pulizia e testurizzazione wafer Processi in plasma: Gas contenenti fluoro possono essere utilizzati per rimuovere silicio in modo omogeneo per wafers multi-cristallini Soluzione giàindustriale (Secon) con SF 6 Stabile Ripetibile no reflui Risultato comparabile o migliore dello Stato dell Arte Possibile processo all-in-one 0.4 (pulizia e texturing) o solo 0.3 texturing su wafer puliti Reflectance 0.2 Secon Semiconductor Equipment GmbH Soluzione ENEA in sviluppo in Casaccia con NF 3 alkaline etched acidic isotextured NF 3 /O 2 textured NF 3 /O 2 textured+sin x Wavelength (nm)

20 c-si: innovazioni di processo Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF

21 c-si: innovazioni di processo Formazione dell emitter emitter Nuove architetture: Emitter leggero ottimizzazione di processi esistenti fine tuning Emitter selettivo Incremento tensione e corrente Diffusioni su wafer n Meno degrado Maggiori performances Diffusioni da sorgenti di Boro serigrafate o open tube problema boron skin- maggiori temperature di processo.

22 c-si: innovazioni di processo Formazione dell emitter emitter selettivo Processo serigrafico- ENEA Wafer testurizzato Serigrafia pasta drogante Diffusione pesante locale Rimozione eccesso pasta Diffusione leggera Passivazione con SiNx Ablazione del nitrurolocale con un laser UV a fs per via chimica con HF spruzzato via ink-jet con specifiche paste serigrafiche

23 c-si: innovazioni di processo Formazione dell emitter emitter selettivo Emitter selettivo innovazione in sviluppo in ENEA processo per silicio p- o n-type NF 3 / Ar PLASMA DRY ETCHING Doping concentration (cm -3 ) Diffusione pesante omogenea Metallizzazione fronte e retro per serigrafia Plasma etchingfino ad ottenere uno strato poco drogato=emitter leggero depth (µm) Sheet resistance (Ω/square) a-si:h / SiN x PLASMA DEPOSITION Passivazione dell emitter leggero con Silicio amorfo e Nitruro di Silicio

24 c-si: innovazioni di processo Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF

25 c-si: innovazioni di processo Passivazione ed antiriflesso A seconda del tipo di materiale (monoo multicritallino, p-o n-type) si può scegliere di integrare o sostituire quanto usato allo stato dell arte. Improved gettering& passivation: Combinare diffusioni di fosforo con deposizioni via plasma di SiNx per migliorare le proprietà elettriche del silicio, nonchè la passivazione dei bordi di grano e superfici Al 2 O 3 via AtomicLayerDeposition Ottimo per passivareemitterdi boro su silicio n-type in via di sviluppo a livello industriale a-si:h/sinx(silicio amorfo e nitrurodi silicio) Ottima passivazione superficiale dal a-si:h Migliore per via delle cariche positive all interfaccia a-si:h/sinx

26 c-si: innovazioni di processo Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF

27 c-si: innovazioni di processo Contatti metallici e BSF Il miglior contatto frontale èquello che garantisce la maggiore sezione possibile, il minore ombreggiamento e la migliore conducibilità e proprietà meccaniche. Light Induced plating: Si crea un contatto molto sottile con serigrafia o altra tecnica(seed) e poi si ispessisce il contatto con crescita chimica stimolata con luce M. Horteis, CrystalClearWorkshop on Metallization, Utrecht, 2008

28 c-si: innovazioni di processo Contatti metallici e BSF Aerosol Jet Printing La pasta serigraficaviene vaporizzata e depositata con un sistema di inkjet-aerosol, producendo linee di conduttore molto sottili (20-40 micron) e spesse M. Horteis, CrystalClearWorkshop on Metallization, Utrecht, 2008

29 c-si: innovazioni di processo Contatti metallici e BSF Laser firedcontact Utile per contatto posteriore in combinazione con passivazione Adatto per processi a bassa temperatura 65 nm 10 nm 5 nm Possibilitàdi usare diversi schemi di passivazioneposteriore per processi innovativi. Lens Laser: Nd-YAG 1064 nm TEM 00 Q-Switched 320 mw 100 ms 1KHz Mirror M. Tucci, E. Talgorn, L. Serenelli, E. Salza, M. Izzi, P. Mangiapane ThinSolidFilms(2008)

30 c-si: innovazioni di processo Due modi di superare lo stato dell arte 1) Migliorare con nuovi tipi di processo ogni singolo step Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF 2) Orientarsi verso altri tipi di architettura/tecnologia

31 Tecnologie in c-si ad alta efficienza disponibili sul mercato:pluto -Suntech Principali innovazioni di processo Gettering del materiale Emitter selettivo Griglia a linee sottili con LIP Silicio monocristallino di tipo p CZ 19% in lab 18.3% in linea di produzione +2% stato dell arte

32 c-si: innovazioni di processo Due modi di superare lo stato dell arte 1) Migliorare con nuovi tipi di processo ogni singolo step Pulizia e testurizzazione wafer Formazione dell emitter Passivazione ed antiriflesso Contatti metallici e BSF 2) Orientarsi verso altri tipi di architettura/tecnologia

33 Tecnologie in c-si ad alta efficienza disponibili sul mercato: SUNPOWER Silicio monocristallino di tipo n CZ ad alta purezza 24.2% in lab 22.6% in linea di produzione Courtesy of Sunpower

34 Tecnologie in c-si ad alta efficienza disponibili sul mercato: HIT-Sanyo Voc = 743 mv Isc = 3.9 A Eff = 22.8 % Spess = 0.08 mm!! Silicio monocristallino di tipo n CZ ad alta purezza Richiede particolari accorgimenti tecnologici 23% in lab 19% in linea di produzione

35 Attività di ENEA Casaccia per l alta efficienza su c-si luca.serenelli@enea.it

36 Attività di ENEA Casaccia per l alta efficienza su c-si Emitter selettivo serigrafico Eff = 17.5% incapsulato LGBC and SP Optimized Al Back Surface Field Eff = 18% Contatti sepolti con serigrafia Eff = 17% luca.serenelli@enea.it Efficiency (%) Q.E Esternal QE Internal QE Efficiency vs Concentration Eff=19.8%@30sun wavelength (nm) Concentration (Suns)

37 Attività di ENEA Casaccia per l alta efficienza su c-si Eterogiunzione su silicio mono o multi cristallino di TIPO P Ag Eterogiunzione con specchio dielettrico posteriore per substrati sottili ITO n-a-si:h + CrSi i a-si.h p-type mc-si multicrystalline 65 nm 10 nm 5 nm Screen printed Ag ITO n a-si:h + CrSi i a-si:h i a-si:h p asi:h ITO p c-si Al DBR Ag ITO n-a-si:h + CrSi i a-si B-SOD 200 nm Al 2 µm Lens monocrystalline p-type c-si NdYAG 1064 nm Laser Mirror diffusione Al Al

38 Attività di ENEA Casaccia per l alta efficienza su c-si Accoppiamento di concetti di alta efficienza: Eterogiunzione e Tutto Dietro BEHIND CELL patent # BO2007A Back Enhanced Heterostructure with INter terdigitated contact cell Fronte libero Vista frontale sezione Current density (ma/cm 2 ) BEHIND Cell PC1D simulation V oc = 695 mv J sc = 35.3 ma/cm 2 FF = 60.9 % Eff = 15 % Area = 6.25 cm 2 Contatti posteriori interdigitati Vista retro Voltage (V) Questa struttura permette di ottenere valori di efficienza oltre il 23%

39 Conclusioni La frazione di mercato del c-si c è ancora dominante, anche se si registra una lievissima flessione. Per mantenere questo status quo è necessario introdurre nuove tecnologie e nuove architetture capaci di migliorare lo stato dell arte ottenendo il miglior rapporto prezzo/prestazioni

40 Le innovazioni di processo per il silicio cristallino Luca Serenelli ENEA- C.R. Casaccia PV ROME Mediterranean 2010 Roma 10 Settembre 2010