f 590 - iniciação científica i -...

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Universidade Estadual de Campinas

Instituto de Física “Gleb Wataghin”

F 590

- Iniciação Científica I –

Texturização da superfície de silício para redução da

reflexão em células solares

Aluno: Hugo da S. Alvarez

hugodasilvaalvarez x(arroba)x hotmail.com

Orientador: Prof. Dr. Francisco das Chagas Marques

marques x(arroba)x ifi.unicamp.br

Campinas

2011

2

1. OBJETIVO

Continuação do projeto de iniciação científica apresentado na matéria F590 (Iniciação

Científica I). Nesta etapa, iremos fazer a texturização da superfície de silício monocristalino

(100) NaOH para a geração randômica de pirâmides, utilizando-se do aparato montado no

experimento anterior.

2. INTRODUÇÃO

Dentre as chamadas fontes alternativas ou renováveis de energia, a energia solar destaca-se

devido à abundância do recurso. Na solar fotovoltaica, os fótons da radiação solar (energia

luminosa) são diretamente convertidos em energia elétrica através do efeito fotovoltaico. O

efeito fotovoltaico foi reportado inicialmente por Edmund Becquerel em 1839, quando

observou que a ação da luz em um eletrodo de platina recoberto com prata imerso em um

eletrólito produzia corrente elétrica. Quarenta anos mais tarde, os primeiros dispositivos

fotovoltaicos em estado sólido foram construídos por pesquisadores que investigavam a

recém-descoberta da fotocondutividade do selênio. Somente em 1954 a primeira célula

fotovoltaica de silício foi reportada por Chapin, Fuller e Pearson, cuja eficiência de conversão

era de 6%1.

As células fotovoltaicas, em geral, são fabricadas utilizando-se lâminas de silício, que podem

alcançar eficiência de conversão de 24,7% 2. Diversos grupos de pesquisa trabalhando com o

desafio de aumentar a eficiência de conversão das células. Por exemplo, o projeto da empresa

Spectrolab, juntamente com o NREL, que alcançou a eficiência de conversão de 40,7% fazendo

células de 3 junções (GaInp/GaInAS/Ge)3. Embora esse resultado seja muito importante, o alto

custo de fabricação destas células impossibilita que essa tecnologia seja empregada pela

indústria fotovoltaica.

O emprego de técnicas de menor custo visando aumento da eficiência de conversão das

células é largamente encontrado na literatura. Dentre estes processos está a texturização

randômica, o de pirâmides invertidas e o de honeycombs (formato de colmeia)4. Dos processos

citados a texturização randômica é o mais empregado, reduzindo a reflexão da luz na

superfície da célula em até 10%5.

Neste trabalho, serão testados processos de texturização randômica em lâminas de silício. A

sequência experimental adotada na texturização das amostras já é empregada no Laboratório

de Pesquisa de Fotovoltaicas (LPF/DFA/IFGW). Entretanto, o processo atual não é otimizado, o

que dificulta a reprodutibilidade do experimento.

1.1 PROCESSO DE TEXTURIZAÇÃO

A texturização consiste em aumentar a área de superfície exposta ao Sol, maximizando a

absorção de fótons, fazendo com que os fótons refletidos tenham outra chance de serem

absorvidos devido a alteração na superfícies. Reduzir a refletância da superfície através da

texturização também é um processo importante na melhoria da eficiência de células

fotovoltaicas. Existem três tipos mais utilizados de texturização: a randômica, a de pirâmides

invertidas e a de colmeias. A texturização randômica é feita utilizando-se o agente corrosivo

3

NaOH (hidróxido de sódio), juntamente com o álcool isopropílico (IP) que é catalizador para

esta reação.

A determinação da orientação cristalográfica das lâminas usadas no processo de texturização é

importante. O silício tem seus átomos arranjados em um modelo periódico tridimensional

chamado rede cristalina. O silício possui a mesma rede cristalina do diamante, caracterizado

por ligações covalentes tetraédricas entre os átomos. Esta estrutura pertence à família de

redes cúbicas de face centrada e parâmetro de rede igual a 3,42Å. Quando se fala em

processos de corrosão anisotrópica, onde a anisotropia está associada à orientação cristalina

dos planos atômicos do cristal, torna-se necessário definir os planos principais de uma rede

cúbica e indexá-los de acordo com os índices de Miller6. Para a rede cristalina do silício o plano

<111> possui maior densidade de ligações entre átomos por unidade de área que os planos

<110> e <100>. Portanto, espera-se que a taxa de corrosão do plano <111> seja menor se

comparado às demais orientações. A Fig. 1 traz um desenho dos planos cristalinos <111>,

<110> e <100>7. Portanto, graças à facilidade de corrosão no plano <100>, utilizam-se lâminas

de silício com esta orientação cristalográfica, pois a direção deste plano cristalino é normal a

superfície da lâmina8.

9

2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Antes da texturização as lâminas são submetidas ao ataque químico com solução aquosa de

NaOH em alta concentração (decapagem), que tem como objetivo remover marcas do

processo mecânico de corte das lâminas e cria pequenos defeitos na superfície que favorecem

a texturização. A decapagem utiliza NaOH (44g) dissolvido em água deionizada (100 ml),

temperatura de 89ºC por 10 minutos. Após o ataque químico as lâminas são neutralizadas com

água corrente e secas com gás nitrogênio.

Em seguida, faz-se a texturização das lâminas, com solução de NaOH em baixa concentração. A

limpeza da lâmina com solventes orgânicos, após a texturização, é feita para remover vestígios

dos produtos usados na texturização. Esse procedimento é importante antes de se iniciar o

processo de confecção de células, pois qualquer resíduo poderá atrapalhar no processo de

confecção das células.

Para a texturização são preparadas duas soluções: A solução 1: num béquer dissolve-se NaOH

(2 g) em água deionizada (10 ml). Para a solução 2: num balão volumétrico são diluídos 10 ml

da solução 1 em 100 ml de água deionizada a temperatura da solução deve atingir ~ 90°C. Em

Figura 1: Planos cristalinos <111>, <100> e <110>, respectivamente.

4

seguida são adicionados, 10ml de álcool isopropílico, que tem função de catalizador. A lâmina

permanece submersa na solução por 11 minutos, tempo necessário para que a texturização

ocorra em toda a superfície da amostra. Decorrido esse tempo a amostra é rapidamente

retirada da solução e neutralizada com água deionizada. Em geral, a primeira lâmina

texturizada apresenta algumas manchas indicando que a texturização não foi completa.

Comparando o nosso processo de texturização com o utilizado na Tese de doutorado de Nair

Stem10

que também utiliza o processo de ataque químico antes da texturização, podemos

observar que ela utiliza 2g de silício em pó em sua receita. Nesta tese ela faz comparação entre

dois processos de texturização já realizados por ela, tendo como objetivo a otimização do

tempo de texturização das amostras. O primeiro processo demorou 144 min para texturizar

todas as lâminas, enquanto o segundo, que utiliza dois gramas de silício demorou 30 min.

Portanto, podemos inferir que a adição de silício em pó na solução poderá servir como

catalizador da texturização das lâminas. Como a nossa solução inicialmente não tem silício

dissolvido, utilizamos a primeira lâmina como sacrifício para fornecer silício para a solução

fazendo com que o tempo de texturização das outras lâminas diminua e a texturização se

realize sobre toda a superfície da lâmina. Para a próxima texturização, são adicionados 2 ml de

álcool isopropílico.

Com o processo de texturização descrito acima, é possível texturizar quatro amostras e o

tempo médio do experimento é de 44 minutos. Durante esse tempo parte da solução evapora

ocasionando diminuição do volume e alteração da concentração de NaOH na solução.

Acredita-se que se a texturização fosse feita num sistema fechado, que permitisse coletar a

água e o álcool perdidos pela evaporação e, reabastecer a solução, mantendo o volume e a

concentração de NaOH constantes, seria possível prolongar e reproduzir com maior sucesso o

experimento. Por isto foi feito a montagem de um novo sistema que permita reutilizar a água

e o álcool perdidos durante o processo de texturização foi a motivação deste trabalho. A Fig. 2

apresenta o desenho sistema projetado e como ele ficou ao ser montado. Com o equipamento

montado, foi feita algumas séries de texturização.

Figura 2: Desenho e fotografia do sistema projetado para ser usado na texturização das amostras

5

3. O EXPERIMENTO:

Com o porta-amostras e o aparato montados, chegou-se o momento de fazer a texturização de

uma série de quatro lâminas. Para isto, utilizou-se como base a receita que já era utilizada no

laboratório. Entretanto, foi necessário que aumentasse a quantidade de cada componente,

pois o experimento está sendo feito em um volume de 800 ml ao invés de 100 ml. Portanto,

utilizamos 16g de NaOH e 80 ml de álcool que agora foi adicionado somente quando a solução

chega a temperatura de 40°C. O procedimento da decapagem, que é realizado antes da

texturização continua o mesmo. Durante a texturização foram retiradas as medidas de pH e

temperatura.

3.1 SÉRIES:

3.1.1 SÉRIE 1:

A primeira lâmina foi posta na solução quando a temperatura da água chegou a 85°C, deixando

cada uma das lâminas na solução por 11 min. Para a primeira lâmina observou-se uma fraca

reação sobre a sua superfície durante todo o tempo que ela ficou na solução, podendo indicar

que, de fato, a solução necessita de um pouco de silício dissolvido para que a texturização

ocorra de maneira satisfatória. Enquanto nas outras três lâminas observou-se que a reação

sobre a superfície de ambas ocorreu normalmente. O pH durante a texturização manteve-se

entre 11,40 e 11,60, tendo como valor médio 11,54. A temperatura média foi de 84°C.

3.1.2 SÉRIE 2:

Devido a observação na série 1 sobre a solução necessitar de silício dissolvido para poder

servir como catalizador da reação, uma lâmina de sacrifício (2,5 x 2,5cm) foi deixada na

solução enquanto ela aquecia. Esta lâmina não teve nenhum tratamento químico, como a

decapagem, antes de ser colocada na solução. A aproximadamente 18 minutos e a 66°C

observou-se que uma reação intensa e homogênea começou sobre a superfície desta lâmina,

graças a imagem obtida pelo microscópio de varredura, pode-se dizer que ela começou a

texturizar neste momento.

Quando a solução chegou à temperatura desejada, retirou-se a lâmina de sacrifício e colocou-

se a primeira lâmina para texturizar que teve uma reação e texturização igual as três últimas

da série 1. Enquanto as outras tiveram uma reação lenta e não intensa sobre a sua superfície.

3.2 DADOS E GRÁFICOS:

Analisou-se a refletância das lâminas utilizando-se o Espectrofotômetro Perkin-Elmer Lambda

9, UV/VIS/NIR, por esfera integradora. Utilizou-se uma lâmina polida como base comparativa.

A diferença entre a reflexão da lâmina das nossas lâminas foi:

6

O método para determinar tal diferença foi preciso calcular a área de cada de cada gráfico

depois subtrair e dividir pela área do gráfico do substrato (lâmina polida). Encontrando, assim,

o quanto a menos de luz lâmina refletiu em comparação do substrato. As curvas de cada

gráfico demonstram a refletância de cada lâmina em relação ao comprimento de onda.

Os gráficos seguem a baixo:

No gráfico 1, as curvas são as medidas da refletância das lâminas produzidas na Série 1 as em

preto, vermelho, azul e verde são das lâminas 1 a 4, respectivamente, com suas diferenças de

refletância entre a lâmina polida. A lâmina que melhor se saiu nesta série foi à segunda lâmina.

No gráfico 2, as curvas são as medidas da refletância das lâminas produzidas na Série 2 as em

preto, vermelho, azul, verde e rosa são das lâminas 1 a 4 e a de sacrifício, respectivamente,

com suas diferenças de refletância entre a lâmina polida. A lâmina que teve melhor resultado

foi à terceira. O ruído observado na medida da refletância da primeira lâmina é artifício do

aparelho.

Série 1 Série 2

Lâmina de sacrifício - 41,1% Lâmina 1 22,3 % 24,0% Lâmina 2 35,8 % 29,1% Lâmina 3 31,8 % 45,6% Lâmina 4 29,1 % 28,6%

0 200 400 600 800 1000 1200

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Re

fle

tân

cia

(%

)

Comprimento de Onda (nm)

S1L1 (22,3%)

S1L2 (35,8%)

S1L3 (31,8%)

S1L4 (29,1%)

Gráfico 1: curvas das medidas de refletância da Série 1.

Tabela 2: diferença de reflexão entre as lâminas de cada série e a lâmina polida.

7

Com estes dados conclui-se que conseguimos texturizar as lâminas, como podemos observar

nas imagens de microscopia abaixo. No entanto, não obtivemos o patamar desejado, da ordem

de 15% na refletância, nas lâminas da série 1 e as lâminas 1,2, 4 da série 2. Entretanto a lâmina

de sacrifício e a S2L3 chegaram próximos a este patamar estando na ordem de refletância de

19% e 16% respectivamente. A lâmina de sacrifício teve este resultado possivelmente porque

ficou em contato com a solução por mais tempo e assim obtivemos um maior ataque químico,

enquanto a grande diferença entre a refletância da lâmina 3 com relação as outras da série

seja porque a solução talvez tenha atingido em uma condição ideal para sua texturização.

Contudo as medidas de refletância foram feitas em uma região específica de cada lâmina

(meio) para podermos ter algum controle sobre a medida, e por isto, talvez, tenha-se

escolhido a região melhor ou pior texturizada de cada lâmina.

As lâminas que tiveram melhor e pior resultado e a de sacrifício foram analisadas em um

Microscópio Eletrônico de Varredura para podermos ver a superfície de cada amostra:

0 200 400 600 800 1000 1200

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Re

fle

tân

cia

(%

)

Comprimento de Onda (nm)

S2L1 (24,0%)

S2L2 - (29,1%)

S2L3 - (45,6%)

S2L4 - (28,6%)

Sacrificio - (41,1%)

Figura 4: fotografia da superfície da L1S1. A imagem da direita foi ampliada 2500x.

Gráfico 2 : curvas das medidas de refletância da série 2.

8

Figura 6: fotografia da superfície da lâmina de sacrifício. A imagem da direita foi ampliada 2500x.

Com estas imagens, observa-se que conseguimos texturizar a superfície do silício com a nossa

solução criando sobre a superfície de algumas lâminas, como a S2L3 pequenas pirâmides.

Entretanto, pode-se ver que ainda há muitas pirâmides em formação na superfície do silício

das amostras. Indicando que a receita utilizada não é a ideal para o experimento ou para o

tempo que as lâminas ficam em solução. Na figura 4, pode-se observar o contorno de algumas

pequenas pirâmides ainda em formação na imagem a direita. Na figura 5, pode-se observar 2

pirâmides bem formadas e uma terceira em formação na imagem a direita, enquanto a da

esquerda vê-se alguns pontos sobre a lâmina, que são, na verdade, pirâmides bem formadas. A

figura 6, na imagem da direta, pode-se observar algumas pirâmides em formação, mas de

maneira bastante irregular devido a superfície do silício que não foi decapado, por isto

observa-se algumas ranhuras sobre a sua superfície.

Devido aos resultados mostrados pensou-se em uma maneira de encontrar uma nova receita

para a texturização das lâminas.

Figura 5: fotografia da superfície da S2L3. A imagem da direita foi ampliada 5350x.

9

3.3 NOVO PROCESSO:

Para descobrir qual será a nova receita, fizemos um aparato que consiste de 9 tubos de ensaio

em banho térmico de 88°C fazendo, assim, com que a temperatura de cada tubo seja igual.

Foram preparadas 3 soluções de NaOH (1,5%, 2,5% e 3,5% em massa) adicionando água a

80oC em 3 balões volumétricos de 100ml.

Montou-se 3 fileiras de tubos de ensaio com cada uma das 3 concentrações e para cada fileira

houvesse um tubo de ensaio com 0,3 ml, 0,6ml e 0,9ml de álcool isopropílico. As lâminas

utilizadas foram cortadas na dimensão 2x1 cm e decapadas em uma solução uma solução de

8% de NaOH em massa, por 2 minutos. O NaOH foi adicionado com a água a 80oC. As lâminas

foram enxaguadas em água deionizadas, e submetidas ao ultrassom 2 vezes, por 5 minutos

cada vez. Depois da decapagem pipetamos as soluções (3 ml) em seus tubos de ensaio e

depois pipetou-se o álcool isopropílico. As lâminas ficaram texturizando por 15 min.

Analisamos essas lâminas no espectrofotômetro e obtemos o seguinte gráfico:

Os saltos por volta de 380nm e 850nm são artifícios do espectrofotômetro.

As melhores lâminas foram L3, L4 e L8, que tiveram uma redução de reflexão 48,5%, 49,5%,

49,3% respectivamente, com refletância em 700nm de 13,1, 12,7% e 12,8%. Tanto a redução

de reflexão como o valor da refletância estão no patamar desejado, demonstrando que

aquelas concentrações podem ser as ideais.

0 200 400 600 800 1000 1200

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9 Si polido

L1

L2

L3

L4

L5

L6

L7

L8

L9

Refletâ

ncia

(%

)

(nm)

Gráfico 3: refletância das lâminas de silício texturizadas pelo novo processo. As em violeta, preto,

vermelho, verde, azul, azul claro, rosa, amarelo, amarelo escuro e roxo são as curvas das lâminas do

silício polido e das lâminas 1 a 9 respectivamente.

10

Independente da concentração de NaOH (pelo menos na faixa estudada) parece haver uma

quantidade ideal de álcool que permite obter resultados semelhantes. No entanto, para 3,5%

de NaOH, a qualidade da texturização parece depender menos da quantidade de álcool.

Para a texturização com 1,5% NaOH, o melhor resultado foi com a maior

1,5% NaOH 2,5% NaOH 3,5% NaOH

2,9% álcool L1 L4 L7



Gráfico 4: refletância das lâminas texturizadas na solução de 3,5% NaOH em massa.

0 200 400 600 800 1000 1200

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

L7: 2,9% Alcool

L8: 5,7% Alcool

L9: 8,3% Alcool

Si polido

3,5% NaOH (em massa)

Refletâ

ncia

(%

)

(nm)

0 200 400 600 800 1000 1200

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9 L1: 2,9% Alcool

L2: 5,7% Alcool

L3: 8,3% Alcool

Si polido

Re

fle

tân

cia

(%

)

(nm)



Tabela 3: disposição dos tubos de ensaio com as suas respectivas concentrações de

álcool e NaOH.

11

Para a texturização com 2,5% de NaOH, a melhor texturização foi com a menor quantidade de

álcool.

Comparação entre o melhor resultado da texturização deste experimento e o método utilizado

pelo laboratório:

Experimento Antigo

Decapagem

8 46 % de NaOH em massa 2 10 Tempo (min) 80 89 Temperatura °C

Texturização (L8)

2,5% 2 % de NaOH em massa 2,9% 9,1 % de álcool no volume 20 11 Tempo (min) 88 oC (no banho) 89oC (fundo do becker) Temperatura

O próximo passo seria a realização dos experimentos com pirâmides invertidas. No entanto, o

procedimento não pode ser realizado, pois a fabricação da máscara litográfica não foi possível

ser fabricada a tempo. Contudo, pretendemos realizar esse experimento no futuro, utilizando

nosso aparato.

5. CONCLUSÃO: Neste trabalho, desenvolvemos um aparato experimental, com o objetivo de aprimorarmos o

processo de texturização de silício cristalino utilizado na fabricação de células solares. Esse

aparato permitiu um maior controle das variáveis envolvidas no processo de texturização,

permitindo controlar o pH, a temperatura e a perda de álcool isopropílico na solução, fatores

diretamente relacionados à qualidade da texturização.

0 200 400 600 800 1000 1200

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

L4: 2,9% Alcool

L5: 5,7% Alcool

L6: 8,3% Alcool

Si polido


Refletâ

ncia

(%

)

(nm)


Tabela 4: comparação entre os melhores resultados.

12

Conseguimos, com esse aparato, reduzir a refletância nas lâminas de silício cristalino para

índices da ordem de 12% pelo processo de texturização.

O processo de texturização poderá ser ainda aprimorado com a utilização de outras técnicas,

como por exemplo, máscara litográfica para a obtenção de pirâmides invertidas e a aplicação

de uma camada anti-refletora, técnicas essas que aplicaremos no próximo trabalho, e que

poderá diminuir ainda mais a refletância nas lâminas de silício.

6. MEU ORIENTADOR CONCORDA COM O EXPRESSADO NESTE RELATÓRIO FINA

E DEU A SEGUINTE OPINIÃO:

Hugo vem realizando um bom trabalho sobre texturização randômica de silício monocristalino

(100) para uso como superfície anti-refletora em células solares. E já obteve sucesso nas

texturizações.

Considero que ele tem tido um bom desempenho.

7. OPNIÃO DO COORDENADOR:

Projeto: Aprovado.

Relatório parcial: RP aprovado. Falto indicar a escolha de horário para o evento de painéis.

8. FONTES:

1 NELSON, J. The Physics of Solar Cells, Imperial College Press, UK, 2003.

PROENÇA, Fernanda. Tecnologia Para Texturização Hemisférica Suave De Células

Solares Fotovoltaicas. Tese de mestrado. p. 19, 24.Belo Horizonte, 2007. 2 http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_solar/3_3_2.htm 3 NATIONAL RENEWABLE ENERGY LABORATORY – NREL. Disponível em: <www.nrel.gov/ncpv>.

Acesso em Ago. 2007. 4 MACDONALD, D. Texturing Industrial Multicrystalline Silicon Solar Cells, Solar World Congress,

Australia, 2001; TAN et al. Mechanisms of Etch Hillock Formation, Journal of Microelectromechanical systems, vol.5, n.1, March 1996.

5 Shu-Chung Chiao, Jiu-lin Zhou, and H.A. Macleod, Optmized design of an

antireflection coating for textured silicon solar cells. 6 SAUL, Cyro. Corrosão Anisotrópica de Silício em Soluções Alcalinas Fundamentos e

Aplicações. Sensores y Microsistemenas, Vol I, Tecnologias de fabricacion CYTED,

Subprograma IX, Microelectronica Red IX.I, Tecnologias para el Desarrollo de Sensores y

Microsistemas. p. 45-76 Fev. 2004, Buenos Aires - Argentina. 7 COSTA, Rodolfo. Investigação de aspectos topológicos de componentes e dispositivos

microfabricados em silício. Tese de mestrado. p. 9,10. Belo Horizonte, 2010. 8 SAUL, Cyro, idem. 9 COSTA, Rodolfo, idem. 10 STEM, N. Células solares de silício de alto rendimento: Otimizações teóricas e

implementações experimentais utilizando processos de baixo custo. Tese de doutorado. p.

116-119. São Paulo, 2007.

http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/energia_solar/3_3_2.htm

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