Fonte: pv-manufacturing.org
L'industria fotovoltaica si affida a wafer di silicio multicristallino e monocristallino per la produzione di celle solari. Insieme rappresentano quasi il 90% di tutto il materiale di substrato per wafer utilizzato nell'industria. A causa dei diversi orientamenti dei grani all'interno dello stesso wafer, l'incisione alcalina non può essere utilizzata per strutturare il silicio multicristallino, poiché ciò comporterebbe una strutturazione non uniforme sulla superficie poiché i diversi grani incidono a velocità diverse. I wafer di silicio monocristallino con orientamento [100] sono il tipo più comune di wafer monocristallino nell'industria perché può essere facilmente strutturato utilizzando un agente di attacco alcalino, ad esempio KOH. Il silicio cristallizza in un reticolo cubico a diamante (due reticoli cubici centrati sulla faccia che si compenetrano) ed è illustrato in Fig. 1. Le linee blu, verde e rossa in Fig. 1 rappresentano [100], [110] e [111] aerei, rispettivamente.
Figura 1Rappresentazione del reticolo cubico di diamante di un cristallo di silicio e rappresentazione dei diversi piani come indicato da linee colorate.
Figura 1Rappresentazione del reticolo cubico di diamante di un cristallo di silicio e rappresentazione dei diversi piani come indicato da linee colorate.
Gli agenti di attacco alcalino intaccano le superfici di silicio [100] molto più rapidamente delle superfici di silicio [111], che è la base per il processo di incisione anisotropa utilizzato per creare la struttura della piramide. La principale differenza tra l'incisione del danno da sega e la testurizzazione è il tasso di incisione. Per aumentare l'anisotropia del processo, la velocità di incisione deve essere bassa, ovvero 2 µm/min o inferiore. Per ottenere velocità di incisione inferiori, è possibile abbassare la temperatura di processo e/o diminuire la concentrazione dell'agente corrosivo. Ad esempio, una tipica ricetta di testurizzazione che utilizza una concentrazione di KOH dell'1-2% (rispetto a una concentrazione del 30-40% nella rimozione dei danni alla sega) a 70-80°C. Il risultato è una superficie popolata da piramidi randomizzate a base quadrata dove i lati sono formati da [111] piani e la base è il [100] piano. Questo è raffigurato in Fig 2. In realtà, le piramidi incise non sono perfetti tetraedri a base quadrata con un angolo alla base, a, di 54,74°. Per la maggior parte dei processi di testurizzazione industriale, a è compreso tra 49 e 53°. Questo perché la punta della piramide è incisa per la durata più lunga.
figura 2Piramidi quadrate casuali sulla superficie del silicio. Il bordo di base è 5-6 µm.
La soluzione di testurizzazione include anche isopropanolo (o un altro additivo industriale). L'isopropanolo agisce come un tensioattivo che migliora la bagnatura superficiale e assicura che H2il gas (rilasciato dall'attacco) non si attacca alla superficie. Se l'isopropanolo non viene utilizzato, si possono formare "colline" rotonde a causa di H2bolle che bloccano la velocità di incisione sulla superficie. L'isopropile riduce la tensione superficiale e consente H2bolle per uscire più facilmente dalla superficie.
Ci sono molti fattori che contribuiscono alla qualità della testurizzazione:
Il risultato della testurizzazione dipende dalla superficie iniziale.
Il processo è sensibile alla presenza di silicati residui dall'incisione dei danni alla sega.
L'equilibrio tra la nucleazione della piramide e la distruzione della piramide.
L'incisione eccessiva può portare alla distruzione delle piramidi.
L'evaporazione dell'isopropanolo avviene dopo che la temperatura del bagno raggiunge i 90 °C.
L'isopropanolo ha una funzione bagnante: impedisce alle bolle di H2 di attaccarsi alla superficie.
La ventilazione è importante, ma può influire sulla velocità di evaporazione dell'isopropanolo
La durata tipica del processo è di 15-20 minuti, pertanto è necessario monitorare la velocità di evaporazione.
Circolazione batch – gorgogliamento con N2può aiutare a mantenere ben miscelati i componenti del bagno.
La texture corretta è importante perché la struttura della superficie è direttamente correlata alla capacità della cella solare di raccogliere luce e generare corrente. La testurizzazione delle superfici migliora la corrente cellulare attraverso tre meccanismi distinti.
La riflessione dei raggi luminosi da una superficie angolata su un'altra migliora la probabilità di assorbimento.
I fotoni rifratti nel silicio si propagheranno ad angolo, aumentando la loro lunghezza effettiva del percorso all'interno della cella, che a sua volta aumenta la possibilità di generazione di coppie elettrone-lacuna.
I fotoni a lunga lunghezza d'onda riflessi dalla superficie posteriore incontrano una superficie di silicio angolata, migliorando la possibilità di essere riflessi internamente (intrappolamento della luce)
Una buona testurizzazione dovrebbe portare a una riflettività inferiore per l'intera gamma di lunghezze d'onda visibili.
In Fig. 6, la diversa riflettività per diversi tempi di attacco è tracciata in funzione della lunghezza d'onda. Per una testurizzazione ottimale, la dimensione delle piramidi dovrebbe essere 3-10 µm (dimensione del bordo alla base) e la copertura della superficie dovrebbe essere vicina al 100%.
