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Estudo de um processo de crescimento de silício cristalino por zona fundida eléctrica
Publication . Pera, David; Alves, Jorge Maia
Desde o início da exploração do efeito fotovoltaico para produção de energia eléctrica, as células solares de silício cristalino têm demonstrado ser a tecnologia com a melhor relação eficiência/custo de produção e com menos limitações do ponto de vista dos recursos naturais. Hoje em dia, a sua penetração no mercado da energia solar fotovoltaica é superior a 95%. Com o aumento do mercado das energias renováveis o custo de produção desta tecnologia tem vindo a decrescer de acordo com a sua curva de aprendizagem, como acontece em geral com qualquer tecnologia, contudo, os processos industriais contam ainda com elevados desperdícios de matéria-prima e consumos energéticos.
Neste contexto, as tecnologias de crescimento de fitas de silício cristalino são alternativas aos métodos convencionais de processamento de substratos de silício para o fabrico de células solares fotovoltaicas que podem contribuir para novas diminuições dos custos da electricidade solar. Através destas, os substratos de silício cristalino são crescidos na sua forma final de utilização, reduzindo assim, perdas significativas de matéria-prima de elevado custo e carga energética associada. Comparativamente com a indústria tradicional, os processos envolvidos nestas técnicas são energeticamente mais eficientes, o que, juntamente com a supressão de vários passos da cadeia industrial actual, pode contribuir para um melhoramento significativo do consumo energético na produção de células solares fotovoltaicas e também para a redução do seu custo.
A presente tese propõem-se contribuir para o desenvolvimento de um processo de crescimento de fitas de silício com elevada eficiência energética e sem desperdício de matéria-prima, denominada por EZ-Ribbon (EZ - electric zone). O princípio do processo EZ-Ribbon baseia-se no crescimento cristalino a partir de um capilar fundido electricamente, que é alimentado por matéria-prima de elevada pureza, fundida em pequeno volume e conduzida por capilaridade sem entrar em contacto com outros materiais que não o silício. O conceito já foi validado experimentalmente, mas demonstrou uma reprodutibilidade extremamente baixa. Os trabalhos decorrentes, tiveram como objectivo geral a detecção da origem das falhas e propor um regime de parametrização que permita aumentar a taxa de sucesso experimental da técnica e, eventualmente, alcançar um modelo optimizado para produção piloto. Para tal optimizou-se um protótipo utilizado no estudo da técnica recorrendo à modelação computacional do sistema como ferramenta de apoio à decisão, com o qual se executaram-se simulações de dinâmica de fluidos, comportamento óptico e de análise de tensões termomecânicas. Introduziu-se uma nova metodologia de imagiologia para monitorização remota de temperatura, a termografia, e de controlo local dos ganhos térmicos radiativos, através varrimento laser.
Estimulou-se pela primeira vez uma zona fundida eléctrica em silício multicristalino com recurso a radiação laser. Detectou-se que a maior barreira ao desenvolvimento da técnica são as quebras da fita de silício durante o procedimento de estimulação do capilar fundido eléctrico ou, em geral, logo após o início do crescimento cristalino, tendo sido possível concluir que a origem destas quebras está relacionada com a distribuição e amplitude de tensões termomecânicas induzidas pelo processamento térmico. Adoptaram-se estratégias de manipulação do gradiente térmico ao longo do arrefecimento, através de varrimento laser de 808 nm, com vista à redução das tensões. Com esta estratégia reduziu-se a taxa de ruptura das fitas. Medições de tensão mecânica residual nas amostras por fotoelasticidade, sugeriram que a origem das falhas poderá estar correlacionada com a geometria característica da técnica de crescimento.
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SFRH
Número da atribuição
SFRH/BD/66675/2009